3D打印技術(shù)及其對機(jī)械教學(xué)的應(yīng)用

林桂平

【摘 要】3D打印技術(shù)在長期實(shí)踐應(yīng)用過程中，已經(jīng)變得越來越成熟，為機(jī)械教學(xué)改革提供了全新路徑，能夠借助打印出的3D實(shí)物，更加直觀地滿足學(xué)生了解各種三維零件設(shè)計(jì)特點(diǎn)的需求，在方便教師教講解抽象知識、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、提高課堂教學(xué)效率等方面發(fā)揮著重要作用。文章簡要介紹了3D打印技術(shù)，立足于中職機(jī)械教學(xué)現(xiàn)狀，對3D打印技術(shù)的有效應(yīng)用進(jìn)行了探討分析，以提供教學(xué)指導(dǎo)和借鑒。

【關(guān)鍵詞】3D打印技術(shù) 機(jī)械教學(xué) 教學(xué)現(xiàn)狀 有效應(yīng)用

機(jī)械教學(xué)對學(xué)生空間思維能力有著較高要求，而傳統(tǒng)教學(xué)模式下大多都是以二維投影視圖方式，將三維零件圖形呈現(xiàn)給學(xué)生，學(xué)生無法更加直觀、清楚地了解到零件構(gòu)造，學(xué)習(xí)效率較慢，不利于教學(xué)活動(dòng)的高效開展。將3D打印技術(shù)應(yīng)用到機(jī)械教學(xué)中去，可以有效改善這些問題，能夠打印出真實(shí)的3D零部件，便于學(xué)生觀察和分析，了解其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，感悟復(fù)雜抽象的機(jī)械知識，進(jìn)而其思維能力、設(shè)計(jì)能力、實(shí)踐能力都能夠得到提升?；?D打印技術(shù)所體現(xiàn)出的多方面優(yōu)勢，應(yīng)實(shí)現(xiàn)其在機(jī)械教學(xué)中的有效應(yīng)用，提高教學(xué)水平和教學(xué)質(zhì)量。

一、3 D打印技術(shù)簡要介紹

3D打印即是快速成型技術(shù)的一種，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。3D打印技術(shù)分為三維設(shè)計(jì)、切片處理和完成打印三個(gè)環(huán)節(jié)，首先應(yīng)先根據(jù)打印需求設(shè)計(jì)3D模型，可借助3D軟件實(shí)現(xiàn)，也可用三維掃描儀完成，然后按照固定維度的坐標(biāo)軸將設(shè)計(jì)完成后的3D模型切片形成多個(gè)剖面，最后進(jìn)行逐層打印，以立體實(shí)物形式將打印成果呈現(xiàn)出來[1]。利用3D打印技術(shù)可以打印出機(jī)器人、各種模型、日常生活用品等真實(shí)的3D物體，在工業(yè)制造、模具制造、零部件制造等方面得到了廣泛應(yīng)用，并且逐漸被引入到中職機(jī)械教學(xué)領(lǐng)域中，在提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效率方面發(fā)揮著重要作用。

二、中職機(jī)械教學(xué)現(xiàn)狀

對于中職機(jī)械設(shè)計(jì)與制作教學(xué)來講，要求學(xué)生通過繪制圖紙并動(dòng)手實(shí)踐的方式，將所學(xué)抽象知識轉(zhuǎn)化為真實(shí)的零件，才能達(dá)到最終教學(xué)目標(biāo)，在這過程中，對學(xué)生思維能力、空間能力、創(chuàng)新能力、動(dòng)手能力都有著較高要求。但是，就當(dāng)前機(jī)械教學(xué)實(shí)際情況來看，一般都是依托二維投影視圖，引導(dǎo)學(xué)生通過空間想象將其轉(zhuǎn)化為零件圖和裝備圖，然后再完成零件制作。很多學(xué)生在最初學(xué)習(xí)階段，并不具備較強(qiáng)的空間想象能力，再加上機(jī)械知識抽象化特點(diǎn)以及零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜性特點(diǎn)，都使得機(jī)械教學(xué)難度較大，學(xué)生在了解、感知、認(rèn)識三維零件時(shí)比較困難，不利于教學(xué)活動(dòng)的順利開展及教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

傳統(tǒng)中職機(jī)械教學(xué)模式下，為幫助學(xué)生更好地認(rèn)識機(jī)械零件，老師會(huì)在課堂上展示實(shí)體模型，或者借助手工教具開展教學(xué)，而模型和教具的制作基本由老師完成，學(xué)生沒有真正參與其中，課堂上缺乏學(xué)習(xí)興趣，不利于調(diào)動(dòng)其學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性，動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力都得不到鍛煉。并且教師在準(zhǔn)備模型和教具時(shí)，會(huì)耗費(fèi)大量時(shí)間和精力，也會(huì)影響教學(xué)效率。另外，多媒體教學(xué)設(shè)備的應(yīng)用，雖然能夠以可視化和立體化形式將零件呈現(xiàn)出來供學(xué)生觀察，但是學(xué)生無法直接借助零件，不具備真實(shí)感，也難以實(shí)現(xiàn)理想的教學(xué)效果，還會(huì)占用大量課堂時(shí)間，課堂教學(xué)效率較低。

在開展機(jī)械教學(xué)時(shí)，很多學(xué)生受平面思維的影響，其空間想象能力較弱，沒有運(yùn)用立體思維思考問題。并且在機(jī)械設(shè)計(jì)和制作實(shí)際操作中，基于零件功能和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化，僅僅依靠空間想象是無法將零件圖形有效組合在一起的。為改善這種教學(xué)現(xiàn)狀，應(yīng)將先進(jìn)技術(shù)引入到機(jī)械教學(xué)中去，創(chuàng)新教學(xué)方法，加快教學(xué)改革，引導(dǎo)學(xué)生建立立體空間思維，擺脫平面思維的束縛，進(jìn)而才能實(shí)現(xiàn)理想的機(jī)械教學(xué)效果，提高教學(xué)效率和教學(xué)質(zhì)量，而3D打印技術(shù)的應(yīng)用，可以滿足當(dāng)下機(jī)械教學(xué)改革需求，已經(jīng)引起了廣泛關(guān)注和重視。

三、3D打印技術(shù)在機(jī)械教學(xué)中的有效應(yīng)用

在中職機(jī)械教學(xué)中引入3D打印技術(shù)，可以有效改善傳統(tǒng)教學(xué)模式的弊端，對提高學(xué)生專業(yè)素養(yǎng)、促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展具有重要意義，實(shí)際應(yīng)用時(shí)可從以下幾方面考慮。

1.制作課堂教具

中職機(jī)械專業(yè)具有較強(qiáng)的實(shí)踐性，無論是圖紙?jiān)O(shè)計(jì)還是零件制作，都需要學(xué)生積極參與其中，自己動(dòng)手完成相關(guān)學(xué)習(xí)任務(wù)。在這過程中，往往會(huì)用到大量教具，比如刀具模型、閥門模型等，并且隨著教學(xué)內(nèi)容的不斷更新，模型種類也變得越來越多樣化，借助3D打印技術(shù)，老師能夠根據(jù)教材內(nèi)容制作相應(yīng)的教具，以滿足實(shí)際教學(xué)需求。一方面，老師可自行制作教具，在課前利用3D打印機(jī)將教具模型制作好，在課堂上結(jié)合二維圖片、多媒體教學(xué)手段、實(shí)物模型展示等多種教學(xué)方法，講解抽象、復(fù)雜的機(jī)械知識，以更加直觀、簡單的方式將其呈現(xiàn)出來，便于學(xué)生理解和掌握[3]。另一方面，可讓學(xué)生參與到3D實(shí)物模型制作中去，引導(dǎo)學(xué)生以小組形式自主完成模型設(shè)計(jì)和模型制作，使學(xué)生能夠真切感受到零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，加深學(xué)生對所學(xué)知識的理解，并讓學(xué)生自行設(shè)定3D打印機(jī)模型程序，制作出自己所想的教具模型，以此來激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣，有利于高效課堂的構(gòu)建。

2.實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)可視化

中職機(jī)械專業(yè)的學(xué)生，在完成階段性學(xué)習(xí)后，通常需要自行設(shè)計(jì)作品，對學(xué)習(xí)成果進(jìn)行檢驗(yàn)，而作品設(shè)計(jì)一般都是在二維軟件和三維軟件中完成的，無法直觀的將零件結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出來，可視化效果較差，很容易出現(xiàn)參數(shù)、角度、尺寸誤差問題，影響了作品最終設(shè)計(jì)質(zhì)量。運(yùn)用3D打印技術(shù)可以將相對復(fù)雜的零部件，切實(shí)呈現(xiàn)在學(xué)生面前，使學(xué)生有更直觀的感受，具有較強(qiáng)的可視化，零件組成結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)一目了然，學(xué)生可對參數(shù)、角度、尺寸進(jìn)等進(jìn)行嚴(yán)格把控，避免出現(xiàn)較大誤差，可以在最大程度上確保作品設(shè)計(jì)質(zhì)量。比如在設(shè)計(jì)閥門時(shí)，借助3D打印機(jī)打印出閥門零件后，再進(jìn)行實(shí)物組裝，將其與液壓或者氣動(dòng)設(shè)備組合到一起，既能夠更加直觀的了解到閥門設(shè)計(jì)效果，還可以分析檢測液壓或者氣動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行情況，當(dāng)發(fā)現(xiàn)閥門不滿足實(shí)際運(yùn)行需求時(shí)，能夠在第一時(shí)間調(diào)整設(shè)計(jì)方案，對閥門進(jìn)行改進(jìn)。3D打印技術(shù)不僅能夠以可視化形式完成機(jī)械設(shè)計(jì)，將其迅速轉(zhuǎn)化為實(shí)物，而且在對實(shí)物產(chǎn)品進(jìn)行測試和修改時(shí)也更加方便，可大大節(jié)省機(jī)械實(shí)物制作實(shí)踐，提高機(jī)械教學(xué)效率[4]。

3.培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力

傳統(tǒng)中職機(jī)械教學(xué)模式存在實(shí)踐教學(xué)力度不足問題，實(shí)踐部分基本由老師演示、學(xué)生觀看方式為主，無法充分吸引學(xué)生注意力，開小差現(xiàn)象比較常見，并且還會(huì)扼殺學(xué)生的動(dòng)手能力，也不利于其創(chuàng)新創(chuàng)造能力的形成，運(yùn)用3D打印技術(shù)可以有效改善這一問題，對提高學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力意義重大。學(xué)生通過簡單培訓(xùn)，便可以掌握3D打印機(jī)的正確使用方法，能夠根據(jù)自己所想自行設(shè)計(jì)并打印實(shí)物模型，制作個(gè)性化的教學(xué)模型，并對其進(jìn)行測試和修改。無論是在老師指導(dǎo)下，還是學(xué)生分組合作，都可以全程參與到機(jī)械零件制作中去，其動(dòng)手能力便會(huì)得到增強(qiáng)。并且，還可以提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，培養(yǎng)其創(chuàng)新思維，設(shè)計(jì)并制作出具有創(chuàng)新性的作品。比如，利用3D打印技術(shù)，學(xué)生可通過實(shí)際操作，清楚了解到一個(gè)圓柱體被另一個(gè)圓柱體貫穿后相貫線的形狀，并打印出來，既可以增強(qiáng)自身動(dòng)手能力，又能夠通過觀察發(fā)現(xiàn)問題，并通過思考將其有效解決，在實(shí)踐中得出結(jié)論并不斷提升自我，促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展。

四、結(jié)束語

在中職機(jī)械教學(xué)中應(yīng)用3D打印技術(shù)，可以改善傳統(tǒng)教學(xué)模式的不足，在提高教學(xué)效率、教學(xué)質(zhì)量等方面作用顯著，同時(shí)還可以提高學(xué)生的綜合素質(zhì)與能力，培養(yǎng)更多的高素質(zhì)機(jī)械專業(yè)人才。實(shí)際教學(xué)過程中，應(yīng)充分認(rèn)識到3D打印技術(shù)的教學(xué)優(yōu)勢，從經(jīng)濟(jì)性方面考慮，既要確保3D打印機(jī)性能和質(zhì)量，又要盡可能的降低教學(xué)成本，科學(xué)配置教學(xué)設(shè)備，為教學(xué)活動(dòng)的順利開展提供基礎(chǔ)保障。并且，機(jī)械專業(yè)教師和學(xué)生應(yīng)學(xué)習(xí)并掌握3D打印機(jī)技術(shù)，有效解決所遇到的技術(shù)問題，才能更好的將其應(yīng)用到教學(xué)中去，實(shí)現(xiàn)更加理想的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)

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