3D打印技術在野營裝備器材維修課程中的應用研究

楊 毅 荀 毅 陳志莉 董玉杰 吳 洋 楊俊芳

（1.陸軍勤務學院軍事設施系 重慶 401311；2.桂林理工大學環(huán)境科學與工程學院 廣西桂林 541006）

野營裝備器材維修課程涉及野營裝備器材運行原理、故障診斷與排查、零部件更換、電路檢查、維修后調(diào)試等內(nèi)容，是保障野營裝備器材安全、可靠運行，降低經(jīng)濟損失的核心技能課程。3D打印技術是一種結合多種高新技術于一體的增材快速成型制造技術，以3D打印技術為平臺的實踐教學作為一種新的實踐教學形式正被越來越多的高校所采納，2018年4月，《全國技工院校專業(yè)目錄（2018年修訂）》在機械類新增3D打印技術應用專業(yè)。研究3D打印技術在野營裝備器材維修教學中的應用具有重要的意義。

一、3D 打印技術應用于實操教學的現(xiàn)狀

3D打印又稱增材制造，該技術已經(jīng)廣泛應用于建筑、醫(yī)療、航空、汽車、電子、食品等各個領域。其基本特點是以計算機數(shù)據(jù)文件作為基礎，運用粉末狀材料，結合基層造型法進行逐層打印出實物[1-2]。3D打印技術在國內(nèi)外高校教學中已經(jīng)開始廣泛應用。很多高校建立了各具特色的3D打印實驗室并將3D打印教學過程作為實踐教學的一項重要組成部分[3-4]。美國弗吉尼亞的大學生設計并制造了一架所有零件均通過3D打印機制造而成的飛機模型并且成功實現(xiàn)飛行[5]；西北工業(yè)大學利用3D 打印技術參與了我國國產(chǎn)大型商用客機C919機翼中央翼條的制造；海軍航空大學利用3D打印技術打印出大小合適、重量輕便的航空儀表設備及零件[6-7]。南京醫(yī)科大學開展了3D打印技術在心血管外科臨床教學中的應用，取得了較好的效果[8]；湖南工業(yè)大學將3D技術應用到工程建模設計中，實現(xiàn)零件實物的快速成型，和快速制造[9]。同時，3D打印技術也正在為教師開發(fā)課堂教學創(chuàng)新模式提供強有力的支持，通過把3D打印技術引入課堂，學生直接可以觀看3D打印的實物模型，突破了傳統(tǒng)課堂上費時費勁單純依靠學生在大腦中想象的局限性。在機械工程類的課堂中，利用3D打印技術可向?qū)W生展示復雜的機械零件的生產(chǎn)加工過程；在環(huán)境設計類的課堂中，利用3D打印技術能夠向?qū)W生展示三維立體空間模型的室內(nèi)環(huán)境設計方案；在動畫設計類課的課堂中，可利用3D打印技術改善動畫人物的表情與動作設計；在醫(yī)學教學過程中，3D打印為教學過程提供所需的人體器官、結構模型，增強學員對人體的理解[10-13]。3D打印技術為平臺的實踐教學作為一種新的實踐教學形式正被越來越多的高校所采納。

二、野營裝備器材維修課程面臨的矛盾問題

（一）實操教學裝備器材零部件保障供需矛盾突出，嚴重影響教學效果

伴隨著實戰(zhàn)化練兵的不斷深入，裝備使用率大大提升，裝備故障也隨之增加。同時，部隊對裝備維修人才的需求不斷增大，每年裝備維修人才培養(yǎng)任務逐年上升。然而，現(xiàn)目前，野營裝備器材維修課程主要依托編制內(nèi)裝備器材進行教學，裝備數(shù)量少，培養(yǎng)學員多，裝備供求矛盾突出，再加上，配發(fā)的裝備在完成教學的同時還需要肩負保障任務，導致裝備使用超負荷，零部件耗損快。實際保障和教學過程中，野營裝備器材不可避免發(fā)生損壞、磕碰，造成零部件破損，甚至大型元器件破壞，使野營裝備器材維修課程的教學器材保障得不到保障，嚴重影響教學效果。

（二）課程對抽象思維能力要求高，學習難度大，沒有模型教具，教員講解容易陷入“空對空”，學員學不深，悟不透

野營裝備器材維修課程涉及的裝備類型多、型號多，不同裝備包含的裝置、設備型號也很多。傳統(tǒng)的裝備器材維修教學，難以將裝置、設備細化拆分，學員很難掌握了解裝備、裝置、設備的內(nèi)部構造，只能通過反復背誦來進行記憶，導致學員對知識的掌握仍然停留在感性的認知層面。同時，教員講解的過程中，往往是對著設備講構造，看著原理講維修，容易陷入“空對空”的局面，學員學習效率較低，對裝備的性能、工作原理理解不透，難以從三維視角理解裝置設備的構造，以至于裝備拆修過程出現(xiàn)裝置設備損壞，影響教學進度的同時也導致學員不能掌握裝備維修的技術。

（三）授課技術手段跟不上時代的步伐，與當代新技術在維修中的運用存在“代溝”，新的技術學不到，舊的手段學不牢

隨著教學水平的不斷發(fā)展，教學模式不斷更新，網(wǎng)絡化、信息化、數(shù)字化成為當前教育改革的核心內(nèi)容。與軍內(nèi)、地方成熟的實操課程相比，野營裝備器材維修課程起步晚、基礎差、教學手段、教學方法單一，教學模式傳統(tǒng)，教學形式簡單，造成學生對于野營裝備器材維修課程的積極性不高，不利于士官職業(yè)技術教育實踐類課程教學水平的提高。特別是《國家職業(yè)教育改革實施方案》、雙萬計劃的實施，地方實操維修課程的基礎條件得到了進一步的提升。新技術、新方法、新手段在教學實踐中的運用層出不窮，前沿科技與專業(yè)學科交叉與結合的例子不勝枚舉，形成了一批具有專業(yè)特色的實踐教學課程。與之對比，野營裝備器材維修課程的教學條件、教學手段方法還有較大的提升空間。

三、3D 打印技術引入野營裝備器材維修課程的作用

一是利用3D打印技術，實現(xiàn)裝備器材零部件的快速生成更換，解決實操教學裝備器材零部件保障供需矛盾，提升學員學習積極性，提高野營裝備器材維修教學效果。

3D打印技術以快速成型為核心優(yōu)勢，可實現(xiàn)個性化制造、縮短研制周期、提高材料利用率，為野營裝備器材零部件供應提供新的解決方案，做到有的放矢，解決裝器材維修過程中故障不確定性帶來的零部件配備的不確定性。同時，根據(jù)3D打印技術的特點，開展野營裝備器材維修實踐教學改革研究，提出基于3D打印技術的野營裝備器材維修教學模式，解決傳統(tǒng)裝備維修教學過程中，老師“滔滔不絕”，學員“稀里糊涂”的困境，讓零部件做全身“CT掃描”，真正讓學員理解修什么、怎么修，如何下手修等野營裝備器材維修技術方法。另一方面，教學過程中，融入新的技術，新的手段，有利于提高學生主動學習的熱情，培養(yǎng)學生獨立思考問題、解決問題的能力，提升他們的綜合職業(yè)素養(yǎng)。

二是開展基于3D打印技術的野營裝備器材維修教學，將課程內(nèi)容與3D打印技術相結合，利用3D打印技術的優(yōu)越性幫助學員更好地掌握專業(yè)知識，使學生在學習過程中激發(fā)創(chuàng)新思維，在實踐過程中鍛煉動手能力。

3D打印技術的優(yōu)勢是能夠根據(jù)用戶的需求，制作出不同的打印模型，滿足教學的需求。野營裝備器材維修課程涉及的裝備類型多、型號多，難以將裝置、設備細化拆分。借助3D打印技術，結合裝備維修實際需要，根據(jù)學員學習需求，通過建立不同的裝置、設備3D打印模型，自行設計，確定各設備、零部件的操縱面，如淋浴車混水閥、過濾器等，按照設計尺寸對不同部件三維模型分別打印，形成不同零部件的剖面結構模型，讓學員直觀的、具體地感受裝備器材的三維立體結構，真正理解吃透其基本原理、內(nèi)部構造、運行方式。通過此過程的不斷重復，讓學生扎實地掌握所學知識，同時也在動手過程中收獲了成就感。

三是開展基于3D打印技術的野營裝備器材維修教學，推進新技術、新方法進課堂，是教學模式的突破，更是教學理念的更新，特別是對軍校裝備實操課程教學，將是一次深層次的改革，必將對今后的野營裝備器材維修課程教學發(fā)展產(chǎn)生深遠的影響。

隨著制造科技水平不斷發(fā)展，3D打印技術已經(jīng)在醫(yī)療行業(yè)、建筑行業(yè)嶄露頭角。國內(nèi)不少學校已經(jīng)將其引入課程教學中。開展3D打印技術進野營裝備器材維修課堂，是對3D打印技術進入維修課程教學的一次良性探索，摸索出一套適用于野營裝備器材維修教學的3D打印技術運用方法體系，對于探索如何利用高新技術進課堂具有重要的示范效應。

四、野營裝備器材維修課程引入3D 打印技術的方法

（一）理論研究與實踐操作相結合

采用理論研究對3D打印技術的特點、優(yōu)勢，主要應用領域，存在的問題等進行總結分析，結合野營裝備器材維修課程的特點，找到二者之間的切合點。野營裝備器材維修實操教學采用“講授式”與“交互式”教學方法相結合的方式，對課堂教學進行重塑，將3D打印技術“直觀性”、“可視性”特點融入傳統(tǒng)教學過程，實現(xiàn)野營裝備器材維修知識的“情景化”。充分發(fā)揮3D打印能夠制造教學模型的優(yōu)勢，讓學員能夠在教學過程中感受到實物，讓學生更加直觀地去接觸特定實物，讓學員能夠在學習的過程中有更加深刻的體驗，加深其對于抽象知識的了解和認識，從而加深對于知識的理解。

（二）抽象思維與形象設計相結合

3D打印技術運用到野營裝備器材維修課程教學離不開抽象思維。二維平面模型與三維空間模型的相互切換是實現(xiàn)二者融合成敗的關鍵。一方面，要利用抽象思維的方法，讓學員對三維實體的二維表現(xiàn)形式熟悉吃透，同時，又能夠?qū)Ⅻc、線、面的簡單二維模型在大腦中抽象成三維實體模型。另一方面，利用3D打印技術實現(xiàn)野營裝備器材零部件打印，讓學員學會將抽象思維的模型轉化為零部件的實體三維設計，利用形象設計方法實現(xiàn)零部件的3D打印解體，為后續(xù)3D打印野營裝備器材維修零部件打下基礎。

（三）過程控制與結果導向相結合

野營裝備器材維修課程中應用3D打印技術必須注重將過程控制與結果導向相結合。目前，3D打印技術的運用還受限于打印技術的步驟、精度及過程控制。將其運用到野營裝備器材維修實操教學中，須對每一個步驟進行嚴格的把關，需要制定嚴格的、詳細的教學實施方案，做到有的放矢。零部件測繪要控制精度，模型構建要滿足后續(xù)要求，針對不同的零部件要有具體的、詳細的3D打印作業(yè)方案等等，過程控制得當，后續(xù)教學的實施才能順利進行。注重過程控制的同時也要堅持野營裝備器材維修課程改革的目的性。必須樹立3D打印技術為野營裝備器材維修教學服務的思想，始終將裝備維修教學效果作為3D技術融入野營裝備器材維修課程的目標，學員對野營裝備器材維修技術、方法、手段的掌握是課程的核心目的，摒棄“技術優(yōu)先”思維，防止將野營裝備器材維修教學轉變?yōu)椤?D打印技術實踐教學”，防止實踐教學改革偏離方向，走了樣。

（四）定量分析與定性研究相結合

將3D打印技術應用到野營裝備器材維修課程的實踐過程中，要注重定量測定與定性分析相結合。一方面要運用定性分析方法，歸納、演繹、綜合分析3D打印技術與野營裝備器材維修教學改革過程中呈現(xiàn)的特點、現(xiàn)象以及學員的切身體會，在此基礎上，探索出適合于二者有機結合的教學模式，提煉出切實有效的教學手段、重塑教學過程組織，精簡教學過程設計。另一方面，要運用定量分析的方法，對教學過程、學員學習的效果進行統(tǒng)計分析評價，更加科學、準確的反應基于3D打印技術的野營裝備器材維修教學與傳統(tǒng)教學之間的區(qū)別和聯(lián)系。

五、結束語

將3D打印技術應用到野營裝備器材維修課程，對于培養(yǎng)“實用、能用、好用”的裝備操作維護士官人才，轉變教學思路，創(chuàng)新教學模式，突出學員的主體地位具有重要作用。在實施過程中，要注重方式方法的運用，強化野營裝備器材使用與維護的專業(yè)知識、基礎理論和基本技能的理解和學習，防止主要教學目標的偏移，要注重對教學過程、學員學習的效果的跟蹤分析評價，找準制約野營裝備器材維修課程與3D打印技術融合的關鍵因素。