杨璐铨，赵玉刚

(天津市劳动经济学校，天津 300380；天津市机电工艺学院，天津 300350)

随着3D技术在现代制造业的快速发展和广泛应用，不仅可以帮助学生培养创新思维，还可以开发学生的自主想象力，激发学生对机械学科学习的兴趣，引领学生积极探索机械专业课程的基本原理。教师在教学过程中，应结合3D技术的应用特点，将其充分融入到机械学科教学中，促进机械教学高效的完成教学目标。

一、3D打印机介绍

(一)原理：

3D打印机作为一种新型的打印机，和以往的打印机不同，其工作原料并非为墨水打印，而是利用各种材料，例如食品、建筑等方面的材料进行打印。其原理为基于数字模型的基础上，实现对可粘结物的逐层打印，然后还原成数字模型。打印机堆叠方式也各有差异，且原理也各不相同。

(二)特点：

数字制造：在CAD软件的辅助下，3D打印技术可以使产品的结构数字化，将数字信息传递到机器设备中，从而制成不同的零部件。

快速制造：3D打印技术在打印过程中，不需要其他的工具来固定零件，也不需要机械操作人员干预打印操作，打印过程均为一体化操作，打印产品可以满足消费者不同的个性化需求。

直接制造：产品在打印期间，都是通过数字化信息展现出来，与电脑软件数据进行连接，打印材料逐层堆积，这样减少了机械制造与组装拼接，确保了产品精度，产品效率有所提升。

二、机械学科教学中3D打印技术应用的实际意义

(一)提高学生学习积极性

在机械学科教学中，应用3D 打印技术能够为学生创造出更宽广的实践与创新的空间。学生借助3D 打印技术，自行操作实践，有利于学生在实践中充分展开想象，并将其转化成现实。在传统的机械学科教学中，受到固有的教育思维禁锢，学生对于机械学科的学习普遍存在畏难情绪。专业教师在课堂教学中单纯的讲解机械理论知识，很难提高学生的学习兴趣。然而，使用3D打印技术，进行机械学科的授课，就可以帮助学生获得专业的灵感，将理论教学与实践相互结合，将理论知识充分融入到实践当中，让学生充分体会到实验教学所带来的成就感，学生对机械学科教学将更加感兴趣。

(二)鼓励学生不断创新

随着3D打印技术的普及，专业教师在机械教学中只要给学生提供一些必要的机械图纸与设计原理即可。这样能够让学生进行自行研究，不断创新，头脑风暴，最终能够将图纸变为现实，将空间想象转化为实际作品。学生还可以借助图纸信息与任务要求，设计原理等，设计出教学所需的辅助教具、机器人等。利用3D打印技术进行机械教学，不仅可以丰富学生的想象力，培养学生灵感，还可以鼓励学生自主创新，引领学生积极探索，深入到机械教学中，从而培养出优秀的机械类人才。

(三)提高教学实效性

在机械原理及制图课教学过程中，教师为了提高教学效率，只使用一个模型进行来讲解机械原理，学生只能被动接受这一模型来理解机械理论。目前，利用3D打印技术，学生可以自行制造模型，通过对模型构造及主要特点进行分析，绘制出模型图形信息。同时对模型样本进行测量，提高学生的学习兴趣的同时还可以提高教学效率，做到教学相长。在机械学科教学中使用3D打印技术，改变了以往纸上谈兵的被动状况，提高了教学实效性，另外还能有效降低教学成本支出。

三、传统机械学科教学中存在的教学弊端

(一)静态教具问题

在传统机械学科理论教学中，教师在对抽象概念及原理进行讲解过程中，主要使用静态教具来完成。例如：通过利用一些图形来讲解机械设备内部结构及操作原理，但这种图形讲解对于学生深入理解原理帮助甚微，特别是在构造原理讲解上，要求学生的空间想象力有较高的要求，但受到学生个体空间想象力的影响，在具体识图期间，难以对机械原理进行深入理解。教师仅仅依靠单纯的图形讲解，是难以达到学生掌握原理的目的。静态教具的使用难以让学生对运动轨迹方面进行全面理解，而运动原理又常作为课堂教学主要内容。因此，在现代教学手段中，静态教具教学早已不满足于学生的学习需求，教师急切需要使用新兴科技的教学手段。

(二)教学模式问题

传统教学中，机械学科教学多为“填鸭式”教学，学生在学习期间多是被动的接受教学内容。这种教学模式无疑降低了学生的学习兴趣。而随着当前科学技术的不断发展，学生若不积极获取专业知识，很难对自身原有的知识体系进行革新，最终将导致学生难以适应工作岗位需求。随着课程改革的深化推进，若单纯依靠教师进行知识讲解，学生被动观察模型、接受理论学习这一模式进行，难以获得最佳的学习效果。在教学期间，教师除了要教给学生专业知识与技能外，还要传授学生学习方法，注重学生情感交流，做好学生的客观评价。但受到传统教学模式的影响，难以让学生对机械学科教学产生很大兴趣和认同感，也难以激发学生学习积极性，最终致使学生失去机械学科学习兴趣。

(三)教学目标问题

机械学科教学中，不仅要明确专业课程的教学目标，更重要的是培养学生的创新与专业能力。但在实际教学期间，受到教学情景、教具等方面的影响，教学效果未能落实，导致教学目标逐渐朝着概念化方向发展。教学目标逐渐模糊，教师在教学期间不能实现最佳教学效果。受到传统教学模式的影响，教师更多注重机械原理与基础知识教学，这样学生在学习机械学科时就会感到十分枯燥，难以融入到教师教学中来。另外，在机械作业方面，由于形式单一，学生缺少学习动力，难以进行机械创新。

四、3D打印技术在机械学科教学中的实际应用

(一)应用优势

在机械学科教学中，将3D打印技术应用与实际教学相结合，优势主要表现为：

对原有的学生理论知识进行不断夯实。在机械学科学习中，理论基础十分重要，在教学期间，学生若不能充分理解基础知识或者基础知识理解存在一定分歧，那么就会对教学效果产生很大影响。在机械教学中，通过使用3D打印技术，使想象变为现实，将理论知识与实践相契合，学生能身临其境的感受到理论知识转化到实际的效果，让学生自行研究，在实践中帮助学生理解机械原理与结构；

提高学生实践能力。结合机械学科特点，按照实践出真理的原则，在专业课堂教学中应用3D技术，不仅可以激发学生学习机械学科的热情，还可以培养学生的创新能力。其次，通过给予学生全新的教学模式，可以帮助到学生对机械原理进行再次创新。

提高学生的理解和动手能力。机械专业教学中，在理论知识讲解的同时，使用3D打印技术，既能提高学生对专业知识的深入理解，又能提升学生理解和动手能力。有助于学校培养出综合素质较高的专业技术人才，逐渐满足社会对人才的高需求，为学生未来的就业发展奠定了坚实的基础，促进学生的可持续发展。

(二)具体应用

1.原理分析

结合课堂教学内容，进行实物打印。例如在机械基础课堂当中，对于齿轮转动、铰链四杆机构等知识，使用3D打印技术进行操作，就能增强学生对理论知识的感性认识，同时对理论知识深层次的原理进行深入理解和分析。在动手操作过程中，教师可以按照组别对学生进行划分，小组建模。通过掌握不同机械原理与结构设计，可以让学生结合实际开展数字建模。学生边学习边制作模型，边了解原理构成，这样不仅可以达到学以致用的效果，还可以激发学生的学习动力与潜能。

2.研究成果

以数控专业学生参加天津市“彩虹人生杯”创新创业大赛为案例进行成果的研究和分析。汽车手动变速机构的工作原理是机械基础课程的教学难点，为了帮助学生学习变速器工作原理，方便教学工作，提高教学质量，构建了汽车变速器的教学模型。教学模型包括了汽车变速器的主要结构与基本原理，可突出一体化教学的特点，零件少，造价低，使用方便。

学生可以利用先进的3d打印技术与工业产品设计软件绘制模型相结合，实现了理论课堂与实践的相结合，并大大降低了制造成本，并且可复制性强，为更多学生近距离观察和操作汽车手动换挡机构提供条件，实现了造价低但收效好的目标。

作品将枯燥乏味的理论知识变成生动形象的模型演示，利用不同颜色的齿轮啮合过程，学生对每个档位的换挡原理清晰易懂，换挡过程显而易见。通过工业产品设计软件模型的绘制，3d打印技术实现了模型的组装，学生可以自行拆装汽车变速器，节省了成本，提高课堂学习效率。

两位同学在学习与实践的过程中，真正的体会到团队协作的重要性和必要性，在不断纠正错误寻求答案的过程中，学生将书本的理论知识转化为实际的模型操作。通过不断的尝试和学习，成功制作出模型作品，学生自主创新电路结构，将模型进行动态演示。激发了学生对专业知识的学习兴趣，培养了严谨的治学理念，注重细节的把握。

3.总结提升

结合具体知识内容进行实物打印，有助于对原有的知识原理进行充分的理解，同时不断拓展知识内容，巩固原有的学习内容。例如对于四杆结构类型的区分，可以采取相同长度四杆结构，将不同杆作为支架，按照短杆位置的不同，可以得出不同类型的工作原理。利用传统机械教学，学生很难理解其中的含义。而通过3D打印技术，对四杆机构实物进行组装，就可以得到较好的学习收效。在组装期间，学生可以提出各种问题，以此为基础进行深入探索，又可以得到新的原理，周而往复，就可以逐步提升学生的动手动脑能力，激发学生机械学习制造兴趣。

4.小组评价

在趣味课堂教学中，学生可以自由进行小组划分，利用小组合作设计出不同的机械结构，例如借助四杆机构原理，可以打印出汽车开关门、换挡手柄等实物。这些实际操作的案例，可以将原有的理论知识不断拓展和创新。在机械制造期间，不同小组会创造出新的内容，又可以展现小组的创新能力。在对教学环节进行设计期间，教师要设定作品展示环节，让大家随意发表见解，表达自身的设计理念与原理，同时总结出机械结构的特点与运动原理。利用这一教学模式，可以顺利完成相关的教学内容与目标，更可以让学生进行小组合作，锻炼学生的实践与表达能力，增强团队协作能力与组织能力，从而不断提升学生的综合素质，这对于技术人才的培养而言是十分有利的。

综上所述，随着3D打印技术的不断进步和提升，其在社会各行业中的使用效率也会越来越高。随着教育教学的推进和改革，教师在机械教学中，可以将3D打印技术充分融入到机械学科教学中，改变传统的教学理念、教学内容与教学设计，激发学生的学习兴趣，让学生积极参与到机械学科教学中，从而不断提高学习效率，有效完成教学目标。