3D 打印技术在高职机械制图教学中的应用

赵 丹，周金盛

（河北科技工程职业技术大学，河北 邢台 054000）

引言

3D 打印技术，又叫增材制造技术，狭义的增材制造是以激光、电子束等为热源与CAD/CAM 结合分层成型；广义的增材制造是以材料累积为特征，以直接制造零件为目标的大范畴技术群[1-3]，它是基于材料堆积法的一项全新的制造技术。

当前已有不少高职院校开设了与3D 打印相关的课程，并在教学上进行了积极的探索[4-6]。利用3D打印技术可以将书本中的专业模型转化成三维实体，具有形象化、直观化、可定制化等优点，根据不同教学内容的要求，可非常方便地设计所需要的3D 打印模型来辅助差异化的教学任务。3D 打印技术给高职教育机械制图课程的教学手段和课堂设计提供了改革创新的思路。

1 当前机械制图教学中存在的问题

1）在实际教学过程中，通常对机械制图的理论知识比较看重，将知识灌输给学生，同时由于机械制图课程的特点，学生普遍具有畏难情绪，缺乏学习的积极性。

2）高职学生普遍动手能力强，擅长实操，但是学生的知识储备相对薄弱，注意力有所欠缺。当下的机械制图教学模式为边讲课、边练习，练习即为实践的一部分，可提高大部分学生的积极性。由于机械制图课程要求学生具有良好的空间想象力，但仍有部分学生对三维立体图形没有准确的感知和想象能力，因此在课堂中不主动参与练习，听课效果不佳。

3）机械制图课教学过程中理论与实践相分离，理论知识单独讲解，全部理论知识授课结束后再进行识图实践，导致学生在学习过程中对零件模型的立体认知不够，学习效果欠佳。

本文将3D 打印技术同高职机械制图课程教学相结合，基于BOPPPS 教学模式开展了教学课程设计探索，理论知识教学与3D 打印实践并重，对于充分调动学生的上课积极性与提升教学效果有显著促进作用。

2 教学课程设计探索

2.1 课程设计流程

以组合体三视图——轴承座的画法为例进行课程设计的介绍。当下的教学模式为由教师通过edrawing 软件演示轴承座的三维模型，通过不同角度旋转给学生观察轴承座各个部分形体之间的连接关系，由学生画出主视图、俯视图和左视图。由于教师演示的局限性以及学生三维感知能力的欠缺，学生对肋板与圆筒之间的位置关系理解不到位，因此此处错误率较高。

将3D 打印技术引入到制图课堂，由三维立体模型的演示转变为学生动手将此模型打印出来，学生从观察模型转变为观察实物，一方面提升了学习的兴趣，学生亲自打印实物增强了主人翁的意识，另一方面学生对该模型的产生过程有了深入的观察。3D 打印方式为熔融沉积法，一层一层堆积，由下至上，打印过程中学生即可看到打印完肋板再打印圆筒时它们之间的连接形式，然后画三视图时学生可直接观察实物，360°无死角观察每个基本体之间的连接方式；与教师演示相比，每个学生都可根据自己的情况观察各自不清楚的部分，弥补各自三维立体想象能力的薄弱点，对于组合体三视图的学习效果达成有极大促进作用。基于BOPPPS 教学模式的课程设计如表1 所示。

表1 基于BOPPPS 教学模式的课程设计

2.2 3D 打印实操介绍

教师指导学生操作FDM熔融沉积成型法打印机进行3D 打印实际操作。考虑到学生为一年级学生，还未学习三维建模软件，因此提前将通过CURA 软件处理好的轴承座的STL 文件给学生，并介绍熔融沉积3D 打印机的用法步骤，包括从拷贝文件到打印机开始工作之前的各种参数设置，让学生掌握FDM型3D打印机的操作使用。FDM型3D 打印机的操作界面及装料过程如图1 所示。

图1 FDM 型3D 打印机的操作界面及装料过程

将全班学生分为若干组，每组学生以3～4 名为宜，每组操作一台打印机，教师先演示完整的步骤，从加载文件到开始打印直至打印完毕后取件观察，然后让学生自己动手操作，学生普遍对3D 打印机的工作原理充满好奇心，从开始打印到轴承座打印完成，学生可以近距离观察该组合体的产生过程，对各部分基本立体的连接关系有直接深入的认识。打印完毕后，每组同学分配一个轴承座模型，观察打印出来的组合体，从不同角度多方位观察，再画三视图，于当下的投影演示教学模式下，学生的积极性和绘图正确率都得到极大的提升。3D 打印出的轴承座模型如图2 所示。

图2 3D 打印的轴承座模型

3 结语

机械制图作为机械类专业的重要专业基础课，教师需要及时发现教学中存在的问题，结合当代高职学生的特点探索最合适的教学方式。3D 打印技术作为一门新兴技术，与课程合理融合后在增加课堂趣味性方面有独到作用，本文对于3D 打印技术在高职机械制图教学中的应用进行了积极探索，利用BOPPPS 教学模式对融合教学进行了设计，提升了学生的参与感与上课兴趣，对于提高机械制图课程的教学效果起到了积极的促进作用。