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机械原理教学中3D打印的使用和注意事项
发布时间:2021-04-14

  摘    要: 针对机械原理课程传统教学中存在的重理论轻实践问题,将3D打印技术引入机械原理课程教学中。研究了3D打印机械原理课程教具、3D打印用于机构等知识点的学习巩固、用于课程设计和用于机械创新设计比赛等,总结了3D打印应用于机械原理课程需要注意的几个问题。通过3D打印技术改进了教学方法,提高了实践操作时间,促使机械原理课程教学由偏理论轻实践逐渐向理论实践并重的教学方式转变,考核方式更倾向于产品设计的实际能力,提升学生的职业素养。

  关键词: 机械原理; 3D打印; 教学改革; OBE;

  0、 引言

  机械原理课程是机械类专业基础课程,包含机构的结构分析、受力分析、运动分析,凸轮机构、连杆机构、齿轮机构等原理性内容,理论课时占比重。而新工科教育、职业技能教育和OBE教学改革的要求是越来越强调学生知识和能力的全面发展。要改变原有的理论课时占比不是一件容易的事情。对于相同的内容,实践操作往往比理论讲授需要花费更多的时间。3D打印是一种基于数字模型,利用塑料等可粘合材料,逐层打印构造实物的一种技术,可有效解决传统机加工制造机械装置实物耗时长、费用高等问题,很适合于机械原理课程的实践教学。为此,本文主要研究了3D打印在机械原理课程教学中的几项具体应用和需要注意的问题。

  1 、3D打印在课程教学中的应用研究现状

  关于3D打印在课程教学中的应用,有些高校教师对此进行了相关研究和实践。例如,毛玮等研究了3D打印技术在机械原理教学教具制作中的作用[1]。史洪松探讨了3D打印在机械设计与原理教学中的应用思路和优势[2]。王小新等将3D打印应用于塑料制品设计课的教学工作中[3]。翟彦飞分析了在机械专业课教学中应用3D打印的优点[4]。李定玉等探讨了力学课程中3D打印技术的应用[5]。王明振等研究了3D打印技术在新工科实验课程中的应用[6]。孙文柱等探讨了航空仪表设备课程教学中3D打印技术的应用实践[7]。高延峰等研究了机器人课程教学中应用3D打印技术的好处[8]。尹涛研究了机械专业课程教学中3D打印应用实践[9]。郭美君研究了FDM3D打印运用于机械专业课程的教学改革实践[10]。王莉霞等研究了机械制图课程教学改革中3D打印技术应用实践[11]。林春宇探讨了机械设计基础课程教改中的UG建模和3D打印技术综合应用[12]。

  以上文献主要研究了3D打印的优点和在不同课程教学中的应用,对机械专业课程教学中的3D打印技术的应用主要局限于教学教具制作,使用的范围小,应用实践也不是很充分。本文将3D打印运用于机械原理课程教学中多个方面,促进机械原理课程教学方法和教学内容的改革,提高学生动手操作能力和课程学习的获得感。

  2 、3D打印在机械原理教学中的应用

  当今高校新工科和OBE教学改革的一个重要方面是要改变传统课堂教学中的填鸭式教学模式,提高学生实践动手能力。在满足理论教学的同时如何提高学生实践操作时间和参与机会是一个急需解决的教改难题。3D打印机操作方便,学生上手快,与UG、Pro/E、Solidworks等机械工程应用软件对接良好。以机械专业基础课程机械原理为例,3D打印技术在机械原理课程教学中的应用主要有:用于机械原理教具的制作;用于机构等知识点学习巩固;用于课程设计;用于机械创新设计比赛等。3D打印技术的应用,可丰富课程教学方法,增强学生对机械原理主要知识点的理解,提高学生课程教学活动参与度和动手能力。
 

机械原理教学中3D打印的使用和注意事项
 

  2.1 、3D打印机械原理课程教具

  机械原理课程中的理论知识很多,原理性内容深奥而抽象,抽象的原理性内容教学很容易使学生在课堂上犯困,学生的接受程度难以跟上教师的教学节奏。3D打印机械原理教具,可以弥补学校专业课教具不足,有效解决机械原理课程教学的抽象问题。教师在讲解理论知识的同时,可通过3D打印的实物模型演示给学生看,可有效提高教学效果。学生通过观看和接触3D打印的凸轮机构、齿轮机构、连杆滑块机构等直观认识不同机构的特点,增强对不同机构工作原理的认识。3D打印机械原理课程教具,可改变传统机械原理课堂教学格局,充分发挥理论教学、案例教学、启发式教学等多种方式相结合的混合式教学的长处。

  2.2、 3D打印用于机构等知识点的学习巩固

  机械原理课程的教学内容很丰富,课后作业是学生巩固课堂所学知识的一种非常有效的方法。传统的作业形式都是以计算题、问答题、分析题等的文字型作业,形式单一。借助3D打印技术,我们可以将课后作业的形式变得多样化,例如可以将作业布置成制作连杆机构模型等等。我们学校工程实训中心有30多台3D打印机,学生可以在课后利用3D打印机制作出机构模型实物。这就不仅仅是需要学生动脑,还需要学生动手操作。从而可以进一步优化和调整机械原理课程理论教学与实践教学的比重,使机械原理这门专业课教学更能发挥出其应用性,可促进学生的学习热情和兴趣。

  2.3 、3D打印用于课程设计

  机械原理课程设计是一个重要的实践环节。根据教学安排,每个机制专业班级在上完机械原理理论课程后有两周时间用于机械原理课程设计。两周时间不是很长。在此期间,学生需要完成机械装置的原理分析、理论计算、画图和制作模型。虽然每个组一般会有4~6名同学,但在两周内完成所有的工作还是存在一定困难,尤其是所设计的机械装置比较复杂的情况。这些工作中,制作模型的过程是很耗费时间。如果采用钢材进行机加工,不仅时间长,而且其中涉及的安全问题也是任课教师需要时刻关注的。而采用3D打印技术加工实物模型,时间上与机加工稍长,但是3D打印非常安全,学生也容易掌握3D打印机的操作,相对来说,给学生培训3D打印机操作的时间比培训数控机床操作的时间要短很多,这样,3D打印总的时间更少,也更安全。3D打印有利于机械原理课程设计任务的圆满完成。

  2.4、 3D打印用于机械创新设计比赛

  应用型大学本科生培养的一个重要方面是培养学生的应用能力。学生在校期间除了学好课堂上的理论知识外,还需要能将专业知识运用于实际,解决实际问题。每年举办的全国大学机械创新设计比赛就是一个很好的活动,能让学生有运用知识、提高操作能力的实践机会。机械创新设计比赛是需要比赛选手做出实物出来的。而在机床设备等不是很充分,加工能力不是很足的情况下,3D打印可以从一定程度上弥补这种缺陷,帮助学生将实物作品打印出来。通过3D打印的实物模型同样具有较好的强度,完全能展示出作品各项功能。不仅机械创新设计比赛,其它类型的一些比赛也可以通过3D打印技术制作出比赛作品,3D打印较好地支持了学生的各项创新能力训练。

  3 、机械原理教学中使用3D打印需注意的问题

  在机械原理课程教学中通过使用3D打印技术,改进了教学方法,提高了实践操作时间,促使机械原理课程教学由偏理论轻实践逐渐向理论实践并重的教学方式转变。进一步完善了机械原理课程的考核评价体系,考核方式更加倾向于解决产品设计的实际能力,提升学生的职业素养,考核内容更全面,考核方式更科学,知识与能力的考核并重。在机械原理教学中使用3D需注意以下几个问题:

  (1)使用3D打印需要具备基本的硬件条件和软件条件,学校需要有一定数量的3D打印机和3D打印材料,学生需要掌握至少一种三维建模软件,例如Solidworks、UG、Pro/E等等。教师需要将3D打印机的使用操作步骤传授给学生,好让学生能够自主使用3D打印机打印作品。

  (2)单个打印的模型不宜太复杂,尺寸不宜过大。每台3D打印机的打印能力是有限的。教师布置给学生的作业,或学生自己设计的作品,在使用3D打印机打印的时候,总长、总宽、总高等尺寸不能超过3D打印机的尺寸界线。若作品尺寸过大,应该将作品各部分分拆进行打印。

  (3)教师需要对学生进行分组管理。由于3D打印机的数量有限,3D打印模型是需要耗费时间的,因此,很难做到一个学生一台3D打印机,把学生进行分组就很有必要。每组需要设1名组长进行管理。每组可以合作一个作品或几个作品,这样可以保证每组的学生都能在规定的时间内完成实物制作作业。学生在实物制作过程还能相互交流,相互促进,增长知识和能力。

  4、 总结

  针对机械原理课程传统教学中存在的重理论轻实践问题,结合OBE教学改革和新工科建设要求,将3D打印技术引入机械原理课程教学中。研究了3D打印机械原理课程教具、3D打印用于机构等知识点的学习巩固、3D打印用于课程设计和3D打印用于机械创新设计比赛等,改进了教学方法,提高了实践操作时间,促使机械原理课程教学由偏理论轻实践逐渐向理论实践并重的教学方式转变。完善了机械原理课程的考核评价体系,考核方式更加倾向于解决产品设计的实际能力,提升学生的职业素养,考核内容更全面,考核方式更科学,知识与能力并重。

  参考文献

  [1]毛玮,蒋洪奎.3D打印技术在机械原理课程教学中的应用[J].工业设计,2019(09):33-34.
  [2]史洪松.3D打印技术在《机械设计与原理》课程教学中的应用[J].信息与电脑(理论版),2018(16):239-240.
  [3]王小新,黄兆阁,温时宝.CAD-CAE及3D打印在《塑料制品设计》课程教学中的应用探索[J].高分子通报,2020(02):54-58.
  [4]翟彦飞.浅析3D打印技术在高职院校机械等相关课程教学中的应用[J].内燃机与配件,2020(02):279-280.
  [5]李定玉,王如转,郑恒伟,等.3D打印技术在基础力学课程教学中的应用探讨[J].教育教学论坛,2019(27):197-198.
  [6]王明振,高霖.“新工科”背景下3D打印技术在“土木工程结构实验”课程教学中的应用[J].教育现代化,2018,5(23):202-206,223.
  [7]孙文柱,曲建岭,高峰,等.3D打印技术在《航空仪表设备》课程教学中的应用[J].教育教学论坛,2018(39):92-94.
  [8]高延峰,万文,洪连环,等.3D打印技术在《机器人》课程教学中的应用[J].机械设计,2018,35(S2):324-326.
  [9]尹涛.3D打印技术在机械专业教学实践中的应用和探索[J].时代汽车,2020(21):42-44.
  [10]郭美君.机械专业教学中FDM3D打印技术的实践探究[J].农家参谋,2020(24):208.
  [11]王莉霞,彭敏,周磊.双创背景下3D打印技术在机械制图课程教学中的应用研究[J].装备制造技术,2020(09):106-108.
  [12]林春宇.基于UG建模的3D打印技术融入《机械设计基础》课程的改革[J].装备制造技术,2020(09):120-121,124.

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