3D打印技术在机械制图教学中的创新应用

梁时光 王 楠 武文博

（北京电子科技职业学院 北京 100176）

0 引言

我国已经逐步迈入智能化时代，智能化的生产模式对专业技术人员的要求在不断的提高，与此同时也对职业教育的教学标准提出了更高的要求，因此必须进行相应的课程改革。

《机械制图》课程是培养学生如何绘制和阅读工程图样的专业基础课程，是工科专业里一门传统的经典的课程，作为专业入门级课程，有着其举足轻重的地位和作用，对培养学生的工程意识和创新精神有着重要的作用。但是这种传统课堂在面对从小生活在信息时代、网络时代的学生来讲，它的吸引力不足的现象是越来越严重了，我们开始将3D打印技术应用于这门传统课程当中，以寻求更好的教学效果。

3D打印技术是一种快速成型的新技术，在二十世纪80年代就已经出现了，从开始在实验室萌芽，到后来开始应用在医疗模型、建筑模型等行业，现在3D打印技术开始越来越靠近人们的生活，3D打印机也越来越平民化。它是以数字模型为核心，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过一层又一层的多层打印方式，来打印零部件。

将3D打印技术应用于机械制图的教学中，旨在提升学生的数字素养，提升学生收集信息、编辑数据的能力，为学生拓宽思路，为后续的专业课程提供有力的依托和保障，做到既考虑当前的教学活动，又注重学生的未来发展。

1 机械制图课程在传统教学模式中存在的问题

目前学生在传统课堂中出现的问题是很多的，由于本校专业总体设计，本门课程要求仅在一个学期内完成，出现了时间紧、任务重的难题。就课程内容而言，无论是它的投影理论，还是形体关系都是比较抽象、难于理解的，再加上学生本身的学习基础不牢，在传统教学模式下很多学生的学习效果很不理想。

1.1 学生难以建立空间思维

空间思维是一种思维方法，是人对空间的想象力和创造力，是一种构建二维表达和三维表现之间相互转换的思维能力。有少数的学生在看到二维图形的同时会快速建立其与三维立体空间的联系，这是一种非常优秀的思维能力，但是很多学生的这种空间思维能力偏弱或者说是有待于教师通过一系列教学活动的展开来激发。

1.2 学生课堂参与程度低、积极性不高

在传统的机械制图课堂中，教师会借助PPT、视频、教具等手段帮助学生建立二维图形与三维立体之间的联系，但是基本模式是教师讲述、学生练习，学生容易形成对基本的知识层面的学习模式，这对于学习基础好、自觉性强一些的学生当然是有利的，但是对于一些基础不牢、学习兴趣需要不断被新事物激发的学生就可能会出现课堂参与程度低、积极性不高的现象。传统课堂模式中，图形和立体的转化一般出现在人们脑海之中然后呈现在纸面上，这需要依靠学生具有较强的空间思维和表现能力，因而不能充分培养大多数学生的创新思维和工程意识，因此在这次尝试中我们将空间思维的想象转化为直观的立体呈现，相信这对一些学生的学习是有帮助的。

1.3 学生对于难点的理解不到位

传统模式下，学生对于课程中部分重点难点的理解是有困难的，比如截交线的画法经常会让学生感到束手无策。例如图1所示的正六棱柱的截交线问题，通过基本体的学习，学生基本能够绘制出正六棱柱的左视图，但是对于其截交线的画法通常会想的不太透彻，过去在遇到此类问题时，笔者会让学生徒手绘制轴测图来解决，但是部分学生对轴测图这部分知识掌握得不够好，所以一系列的连锁反应导致学生的思路在这里会出现断路现象，甚至影响之后的组合体三视图、剖视图、零件图等内容的学习，很多学生甚至会出现放弃学习这门课的现象。按照学生学习需求打印出3D模型可以帮助学生建立空间思维，解决实际问题。

图1：正六棱柱的截交线问题

图2：学生打印的实物模型

基于以上的几点常见的难题，我们将3D打印技术引入到机械制图课程的教学中来。

2 基于3D打印技术的机械制图课程改革

在课程中引入3D打印这部分内容时，要给学生充分的自主性和灵活性，这样可以发挥学生主动创新、自主学习的意识。

2.1 结合工程设计表达竞赛创设3D打印兴趣小组

3D打印兴趣小组建立的初期是借助竞赛的力量创办的，近年来我校学生一直参加北京市工程设计表达竞赛，竞赛的目的是检验选手绘制和阅读工程图的能力、设计表达能力以及徒手绘图和计算机绘图的能力，比赛的内容也是本门课程需要学生掌握和运用的精髓，参加比赛的过程对于学生来讲是一种梳理知识和运用技能的过程。3D打印兴趣小组的建立让这部分学生能够运用自己所学知识、利用零散的时间来进行创新设计，并且可以利用3D打印技术有效的帮助正在学习机械制图课程中的低年级学生来解决重点难点问题。高年级的学生在兴趣小组中是主导力量，在课堂中，教师也会招募一些有兴趣有能力的低年级学生来参加兴趣小组，实现老带新、传帮带，让学生有更多的自由发挥的空间，让课外兴趣小组成为课堂之外有效的延伸。

学生通过参加比赛、参加兴趣小组可以学到很多的知识和技能，但是老师们会发现无论是学习绘制计算机二维图还是三维图，最关键最核心的都是学好机械制图的基本理论。学生们学习软件的能力往往强于他们学习机械制图基本理论的能力，所以在兴趣小组的任务安排中要注重对学生基础理论的指导，软件方面的知识可以安排学生们自主学习。

2.2 为学生进行3D打印做准备，在课堂上引入三维软件

在课堂之外设立兴趣小组的同时，在课堂中也要适时的引入三维建模的知识，一方面帮助学生在遇到重点难点问题时建立空间思维，另一方面会有效的激发学生们学习的积极性，因为现在大部分学生接触电脑、软件的时间较多，因而在学习绘图软件上他们有天然的优势，进而就转变了他们对这门传统课程的看法，有效的转化了一些学生学习时的抵触情绪，当学生们发现这门课没有那么枯燥乏味，离他们的生活并没有那么遥远时，就自然而然对课程的学习产生兴趣了，也会发挥其自主学习的能力了。

例如图3是在课堂教学中运用三维造型软件绘制的三通实体，在学习剖视图画法时，教师在软件设计环境中可以旋转、剖切实体，或利用内窥功能让学生弄清楚三通的内部形状特征，尤其能够清楚的了解内外相贯线的形成，因为相贯线对于很多学生来讲一直都是难点。另外在学习装配图内容时可以利用软件中爆炸图功能，直观的讲解装配体装配的过程，如图4所示合成器装配体的爆炸视图，能够加深学生对各种立体、零件、装配体空间结构及组成的理解。在课堂中运用这些素材，对学生来讲非常具有视觉冲击性，能够吸引学生的关注，进而提高教学效果，并引发学生的自我探究式学习，当学生拥有了学习内驱力时，就会获得意想不到的效果。

图3：三通在内窥功能界面中

图4：合成器装配体的爆炸视图

学生通过参加3D打印兴趣小组可以将课上所学的三通实体先在软件中建模，之后打印出来的，整个过程只需要老师做一下规划和建议，老师仅仅起到了导向和监督的作用，学生们真正开始了自主学习、自主探究。这样既锻炼了学生的动手实操能力，又让学生获得了一种自信心的正向积累。

2.3 建立“深度学习”模式

当前，我国已经逐步迈进智能化时代，智能化时代生产模式在进行深刻的数字化、网络化的变革，职业教育教学的标准体系也必须做出相应的改变。在这样的时代背景下我们不得不思考，作为教师我们应该做出怎样的转变，才能适应不断发展、不断革新的新形势，教育教学不可能只是刻板的知识的传递，它需要教师调动资源来不断充实课程内容，开拓创新来丰富课程形式，并且充满爱心和耐心来引导学生完成课程任务，要摒弃过去简单的教师讲、学生听、课后练的传统教学模式。要创设环境培养学生的创造性思维、批判性思维、合作能力和探究能力，建立“深度学习”这一模式。

我国学者郭华教授认为，所谓“深度学习”，就是指在教师引领下，学生围绕着具有挑战性的学习主题，全身心积极参与、体验成功、获得发展的有意义的学习过程。当然，在3D打印技术应用于机械制图课程的过程中，选择有挑战性的学习主题、制定学习目标、设计科学的学习活动和开展持续性学习的评价显得尤为重要。这种课程模式要求在教学过程中，教师学生共同合作建立一系列的数字素材，必要时可以用3D打印设备打印出来辅助教学活动，将机械制图的教学形成一套可以不断充实、不断完善的可持续发展的生态体系。

2.4 建立多元化的教学考核评价体系

教学考核评价制度的制定是教学过程中非常重要的一个环节，这样会使得教学活动形成一个完整闭合的正向系统，会不断激发学生学习的积极性。教学考核评价制度应该体现多元化特征，结合过程性评价和结果评价两种方式，并设置多项考核内容和指标，全面考核学生的综合能力，期末考核内容主要由学习过程评价（30%）、项目实践（20%）和理论考试（50%）3个方面所构成。

其中，考核体系的设置要遵循以下几个原则：

（1）保证基础知识学习的比例。设置期末考试成绩占总成绩比例为50%，这样仍然强调了考核基础知识的重要性，学生不能因为喜欢项目实践环节而荒废了对机械制图基础知识的学习，越是进行到有难度的问题中，就会发现机械制图基础知识的重要性。

（2）项目实践考核设置环节分析。首先要进行三维建模的合理性分析，因为建模的方法可能不止一种，要试图帮助学生找到相对合理的方法；其次评价实物的打印效果，同样的建模在不同机器上打印出来的效果基本上不会差太多，唯一有差别的地方，就是机器喷丝的方式不太一样，有的打印机在打印层之间可进行更平滑的过渡，实物打印效果也更加美观，当然随着技术的不断进步打印效果会不断优化；再有要鼓励学生发挥想象，做出具有独创性的作品，这对培养学生的创新精神尤为重要；最后通过学生的汇报考察学生的团队协作能力及沟通能力。学生在进行团队协作的过程中会学到很多超出知识层面的问题，这对学生今后的发展是相当重要的。

3 教学反思

3.1 秉持“深度学习”理念，不断给传统课堂注入活力

在这种深度学习模式下，学生对学习内容的理解会比较深刻，尤其是解决了真实的问题，这对学生来讲是一个激励，学生的学习投入程度、思维参与层次和个体认知体验会不断加强。学生可以发挥想象自由发挥，有些是与课程无关的，但是这带给学生很大的学习兴趣和动力，也给传统课堂不断注入活力。

3.2 课堂不能本末倒置，不能用技术的学习取代知识的学习

现在的学生从小就接触手机电脑，他们从网络上获取信息的能力很强，有的学生很快就能将绘图软件命令学会，并且乐于学习软件方面的知识，但是在整体教学过程中一定不能本末倒置，不能用软件技术的学习取代制图基础知识的学习，学习软件只不过是手段、方法，这门课程的首要目的是要让学生建立空间思维。学生学习软件的时间尽量安排在课后，课上要给学习基础知识留有足够的时间。学生进行3D打印的难度不宜过大，这样会占用过多时间和精力，有能力的同学可以鼓励其自学。

3.3 高职学生同样要关注科技动态

课程学习的过程中会发现有些学生因为以前初高中学习经历中的挫败，会有一些自我否定的情绪或行为，因此在学习过程中一定要鼓励学生对自己重新审视、重新定位，过去的失败不代表一切，鼓励学生在目前工业4.0智能化网络化不断升级的过程中，一定要紧跟时代脉搏，云计算、大数据、人工智能等新技术已将我国制造业引入了智能化时代，学好技术，着眼于未来，抓住现在才是最关键。

3.4 关注学生的方法能力、社会能力和专业能力的培养

我们把能力归为三大类：专业能力、方法能力和社会能力。我们以前常见的思维是一直强调对学生专业能力的培养，但是经过一段时间的教学之后我们会发现，对学生方法能力和社会能力的培养要优先于专业能力的培养。方法能力在学生的就业尤其是未来发展中起着关键性作用，它包括分析能力、解决问题能力、判断能力、抽象能力等多个维度；社会能力涉及团队意识、宽容度、合作能力、解决冲突、责任、反馈，以及对自身和他人负责的意识。单纯的注重专业能力不利于对学生核心能力的培养，将3D打印技术应用于机械制图教学中，用任务引导学生自主学习，也是对学生方法能力、社会能力和专业能力的综合培养。如果学生拥有了方法能力、社会能力，那么在今后的学习和工作中都会拥有主动权。在社会快速转变的背景下，专业知识的统治地位逐渐让位给更重要、更基本的能力，学生必须具有很强的行动能力，才能够在当今变化迅速的劳动力市场中生存。

4 结语

学生空间思维和工程意识的提升不是一蹴而就的，是一个持续的、连贯的、层层递进的过程，这需要教师不断优化课程的教学设计、开展教学实践并不断进行反思和总结。相信通过不断的努力，学生的综合能力会得到不断的提高。