基于3D打印的应用型本科高校机械原理课程改革与实践

2017-10-18雷蔓张卫华何晓芬

时代农机 2017年8期

关键词：凸轮原理应用型

雷蔓，张卫华，何晓芬

（贵州工程应用技术学院机械工程学院，贵州毕节551700）

基于3D打印的应用型本科高校机械原理课程改革与实践

雷蔓，张卫华，何晓芬

（贵州工程应用技术学院机械工程学院，贵州毕节551700）

在学校向应用型本科高校转型的大背景下，对机械类技术基础课《机械原理》课程内容做了一些改革尝试，把机械原理课程内容整合为连杆机构设计模块、凸轮机构设计模块、齿轮机构设计模块、机构效率分析模块、机构动力学分析模块、机构受力分析模块六大模块，融入了NX运动仿真和3D打印的知识，从学生对机器的设计、比赛获奖和学习兴趣方面来看，课程的改革取得了一定的成果。

课程改革；3D打印；机械原理；应用型人才

应用型本科教育是以培养知识、能力和素质全面协调发展，面向生产、建设、管理、服务一线的高级应用型人才为目标定位的高等教育，贵州工程应用技术学院是贵州省首个向应用型本科人才培养转型的本科高校，向应用型本科教育转型，对于学校的工科专业来说，课程改革势在必行。

在提升国家创新能力，大众创业、万众创新的大背景下，机械原理课程作为一门机械类专业的创新类技术基础课，其改革的方向必须有助于提高学生的机械创新设计能力，有助于提高学生的学习兴趣和学习效率。

1 设计与建模仿真能力的培养

贵州工程应用技术学院的机械原理课程是在理论力学、机械CAD、材料力学、机械制造工艺学等课程的基础上开设的。学生已经具备了机械原理课程所需分析、设计的基础知识，并且具备了使用UG NX 8.0或其它设计软件初步建模的能力。

（1）课程教学内容的改革。以郭卫东编写《机械原理》为参考教材，围绕三大设计（连杆机构设计、凸轮机构设计、齿轮机构设计）和三大分析（机构效率分析、机构动力学分析、机构受力分析），把机械原理课程内容整合为六大模块，即连杆机构设计模块、凸轮机构设计模块、齿轮机构设计模块、机构效率分析模块、机构动力学分析模块、机构受力分析模块。

创新设计不是闭门造车，创新是在大量已有感性和理性知识的基础上与实际问题结合的产物。机械原理课程改革，要以大量日常生活生产中的机器、机构为案例，扩展学生的见识、夯实学生的三大设计模块基础，三大分析模块服务于三大设计模块，为学生机械创新设计打下坚实的基础。

（2）设计能力的培养与建模能力的提升。在机械原理课程中，传统的作业、考勤、期末考试的考核形式不能有效培养和提升学生机械创新设计能力，考核方式必须改革。

机械原理课程在考核形式方面的改革应该以解决实际问题为导向，以能否解决实际问题、解决实际问题的程度作为考核评判标准。通过给出实际问题，让学生根据机械原理所学的知识解决实际问题，带着问题学习，能够使学生的机械创新设计能力得到有效的锻炼。

在连杆设计模块，给出的问题是第七届全国大学生机械创新设计大赛主题的内容，让学生设计一种能载货爬楼的机器。在老师的指导下，学生通过研究人的爬楼过程和连杆机构设计的相关知识，设计了新型爬楼机器，获得了第七届全国大学生机械创新设计大赛全国二等奖，培养了学生的创新设计能力。

在凸轮机构设计模块，给出了采茶机用的相对难建模的余弦从动件圆柱凸轮的建模这一问题。学生学完凸轮机构设计模块的知识后，运用自己已有的建模基础，在教师的指导下完成了圆柱凸轮的建模，建模能力得到提升。

图1 学生设计的爬楼机器及圆柱凸轮建模

在齿轮机构设计模块，给出了水力抽水机用的增速齿轮的设计要求，学生设计并用FDM3D打印机打印了该齿轮，学生的综合创新能力得到了锻炼。

图2 学生设计及3D打印的齿轮

（3）机构运动仿真能力的培养。能动的机构比图纸更能展示其特性，能动的机构更能吸引学生的眼球，学生自己完成机构的运动仿真更能感受学习的乐趣。机构运动仿真软件有ADAMS、NX中的运动仿真模块等，由于NX中的运动仿真模块容易上手，操作相对简单，在机械原理课程的改革中加入了NX运动仿真模块的内容。

通过上述内容可以看出，机械原理课程内容的整合及以解决实际问题为导向的考核方式改革，能够提升学生的机械创新设计能力。

2 基于3D打印的“创客”式创新能力培养

目前学院有FDM 3D打印机（熔融沉积成型3D打印机）和SLA 3D打印机（立体光固化成型打印机），对于3D打印机，学生很有兴趣，并且以打印出自己设计的作品为荣。

机械原理课程的改革，加入了3D打印的内容。3D打印的内容不需要很多，让学生掌握所使用的3D打印机的原理，3D打印机的使用步骤即可。学生学习三大设计模块过程中，对于书上的知识点或作业要求所涉及的机构，可以设计建模完成后通过3D打印机打印出来，进一步验证机构特性。这样有助于提高学生学习机械原理的兴趣，提升学习效率。

在讲到平面四连杆机构作图设计时，哪怕是用了多媒体、动画、黑板上演示等手段，都还是有学生没有理解“钢化反转法”的精髓——用反转的方法找到圆上三个点求圆心，甚至有的学生还怀疑钢化反转法的正确性。学生经过平面四连杆机构建模、3D打印、装配、实际演示等阶段的训练后，对平面四连杆机构演化形式、急回角和急回特性、压力角、死点位置等有了很好的理解和掌握，对于作图法设计平面四连杆机构的原理有了更深认识。

创客是努力把各种创意转变为现实的人，把“创客”思维运用在机械原理课程内容的改革中，让学生体验学有所用、学有所值的乐趣，提升学生的学习兴趣。在讲解三大设计模块时，要求学生完成四连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、蜗轮蜗杆机构、轮系等机构的设计、运动仿真并用3D打印及打印出来，极大提高了学生的学习兴趣。

3 突出应用型人才的内涵

机械类应用型人才的定位就是要能够服务于生产一线，应用型本科高校机械原理课程内容的改革要满足企业生产一线对人才知识结构的需求。

具体在机械原理课程内容的改革上，删除了用解析法分析和设计平面连杆机构的内容，用解析法设计凸轮廓线的内容，精炼连杆机构设计模块、凸轮机构设计模块、齿轮机构设计模块、机构效率分析模块、机构动力学分析模块、机构受力分析模块六大模块的内容，以丰富的案例支撑教学内容，让学生见多后方能识广，更好地服务于生产一线。