3D打印技术在高职机械类学生培养中的应用研究

卢香利

摘 要：在机械制造、文化艺术、医学研究、教育教学等领域，3D 打印技术因其制作周期短、使用方便快捷等优点而得到了广泛应用。本文立足于3D打印技术的发展现状，以丰富课堂教学、深化教学实践、提升学生创新能力为出发点，从高职高专机械类专业教学的特点和问题出发，对机械类专业学生培养中应用3D打印技术进行了探讨。

关键词：3D打印 高职机械 学生培养 创新

3D打印技术又称快速成型技术、增材制造技术，其制作周期短，使用方便快捷，目前已广泛应用于航空航天、先进制造、医疗等领域，是一项在工业技术发展和创新人才培养方面具有举足轻重地位的先进制造技术，是一项极具发展前景的先进制造技术。高职机械类专业虽然对口传统制造行业，但随着智能制造的发展，社会对机械类专业人才的要求越来越高。如何将3D打印技术应用到教学过程中，通过教学改革全面融入学生培养、专业教学、提升学生专业核心竞争力等方面，是当前迫切需要解决的问题[1]。

1 3D打印技术的概述

3D打印技术起源于20世纪80年代末和90年代初，是由三维CAD模型直接驱动，利用各种不同形态的金属、光敏树脂、塑料、砂等材料，通过层层堆叠的方式，利用粉末状、丝状、液态等各种形态材料生成物体。3D打印技术的成型工艺方法有很多，主要包括熔融沉积成型（FDM）、光固化成型（SLA）、选择性激光烧结（SLS）、三维打印成型（3DP）、分层实体制造（LOM）等。通过3D打印技术得到实物模型，一般主要包括三维建模、模型切片、3D打印、模型后处理四个步骤。

3D打印技术（增材制造技术），与传统的机械制造技术（也称减材制造技术）相比，主要有以下几个特点：

1）个性化设计与制作。通过三维建模软件，用户可以通过3D打印设备，根据自己的需要，设计出自己需要的三维模型，并快速制作出自己需要的模型實物。

2）缩短产品的研发和生产周期。传统的零部件生产，不仅生产成本高，而且耗时长，还涉及毛坯锻造、铸造、零件机械加工、组装拼接等多个复杂的步骤。3D打印技术的出现，使工艺得到了极大的简化，整个产品的研发、生产周期也大大缩短了[2]。

2 机械类专业学生培养的特点

机械类专业是传统专业，但随着智能制造的发展，对高职机械类学生的培养提出了更高的要求。机械类专业要求学生学习的专业课程涉及内容广泛，且有很多课程中包括抽象的、理解困难的知识内容，如《机械原理》、《机床夹具设计》等专业课程在教学过程中，会遇到一些抽象的概念或者复杂的机械结构，即使教师利用图片、仿真动画等多媒体方式进行辅助教学，学生学习效果依然不理想。主要由以下两方面原因：一是直观性不强，机械专业中涉及到的这些复杂的概念、零件形状结构、工作原理等通常与学生的日常生活联系不够紧密，学生未见过实物，也没有相应的直观感受；二是这些教学方式难以激发学生的学习兴趣，与多媒体资源相比，学生更倾向于对实物产生兴趣，更愿意自己动手进行实践[3]。

除了具备专业的理论知识和动手操作能力外，高职培养的人才要具备市场竞争力，还需要具备能将所需知识融会贯通、应用于生产实际的创新实践能力。对于机械类专业的学生来说，要完成创新实践作品，仅仅在专业软件中完成作品的三维结构设计是远远不够的，还需要将三维CAD模型转化为具体的实物模型。要得到实物模型，传统的生产模式就是通过车、铣、刨、磨、钻等各种机械加工设备将零部件单独加工出来，再进行装配。这个过程中既需要准备机床、原材料、刀具、夹具等硬件设施，同时对学生的设备操作能力要求也相当高，同时还会存在一定的安全隐患。学生能完成整个项目创新实践的可能性较低，这就大大降低了学生进行创新实践的动力[4]。

机械类专业培养学生急需解决的问题是如何解决教学难题、促进学生兴趣、提供创新实践资源，而3D打印技术则提供了机械类专业深化教学改革的途径。

3 3D打印技术深化机械类专业教学改革

3.1 3D打印技术丰富了课堂教学

为了满足教学需求，教师可以根据教学内容或教材构建相应的教具三维模型，3D打印技术的出现，可快速将这些三维模型实物化。教学过程中，根据需要展示这些经过3D打印得到的教具，学生可以近距离观察或组装这些教具模型。这种过程学习比原始的理论灌输教学成果更显著。如在《机械原理》的教学过程中，如果有各种典型零件、传动方式的模型，可便于学生理解机械原理、结构及其使用。但实际情况是，大部分职业院校并无此条件，一方面是传统机械的实物模型成本较高，另一方面，更重要的是随着实际教学中项目化教学的推行，课程所需的模型也越来越个性化，市面上很难采购到与实际教学内容相匹配的实物模型。在无实物模型的情况下学习，学生学习过程的难度也大大增加。解决教学模具难题，可引入3D打印技术，教师将课程教学过程中所需的各种模型进行三维建模，再利用可实现个性化教具制作的3D打印设备进行3D打印。以3D打印作为工具，传统的理论教学结合3D打印成型，制造出与课程配套相应的模型、教具，使教学资源库的内容更加丰富和立体化[5]。学生还能通过3D打印技术协助教师制作教具，在设计、制作、装配、原理分析等各个环节都能让学生全程参与，通过此过程，学生的参与度和学习兴趣进一步提升。

3.2 3D打印技术深化了教学实践

实践教学在高职教学中占有举足轻重的地位，在传统的《机床夹具设计》的教学实践部分中，通常要求学生设计满足加工需求的夹具结构，随着三维建模软件在学校的普及，可以要求学生在软件中设计出夹具的详细结构，甚至可以利用动画仿真对夹具结构进行初步的运动分析。但是设计的夹具结构是否合理，最终能否使用，是否有些地方需要改进呢？仅从三维软件中无法得到答案。通过3D打印技术，可以快速将三维模型转化为实物，学生通过对打印的实物进行结构验证，进一步加强了对理论知识的理解和应用。且学生在模型3D打印完成，进行模型装配的过程中，又可以加深对公差配合、机械装配等方面知识的实践。基于3D打印机的快速成型能力，学生能及时将理论学习、设计和项目成果建立直接的联系，直接将设计转化为作品，并能够随时调整和改进过程中的局限和不足之处，在知识和技能，理论和实践之间架起来桥梁[6]。

4 3D打印技术提升学生创新实践能力

目前国内高职工科学生的创新实践能力普遍不高，而创新实践能力是学生未来发展的一个重要影响因素。国家近年来大力倡导创新教育，并相继出台了《国务院关于大力推进大众创业万众创新若干政策措施的意见》、《关于进一步支持大学生创新创业的指导意见》等文件，鼓励大学生进行创新创业，同时开展广泛的创客教育，培养学生的创新能力及动手实践能力。3D打印技术以其低成本、高效、灵活性成为创新教育的重要载体，为创新教育开辟了一条新的道路。通过3D打印技术，学生可快速将创新思路转化为实物进行验证，并能根据验证结果进行不断完善。3D打印过程需要学生动手进行三维模型设计、操作3D打印设备、应用各种工具进行模型处理，并反复进行调整与改进，以获得最优化的模型，同时学生在整个过程中提升了数字化、信息化应用水平。学生以3D打印技术为工具，完成创新项目实践并参加“互联网+”大学生创新创业大赛、黄炎培职业教育创新创业大赛、工业设计大赛、大学生机械创新设计大赛等机械類相关的竞赛[7]。

在掌握专业课程理论知识的基础上，借助3D打印技术，通过创新项目的实践，能够激发学生的创新思维及创造力，提高学生的团队协作意识、动手实践能力与解决问题的能力，最终学生的创新实践能力得到培养和锻炼。

5 结束语

教师可在培养高职高专机械类学生和专业教学过程中，应用3D打印技术制作个性化教学模型，使复杂、抽象的知识可视化，从而帮助学生更快地领悟；学生可将设计理论运用3D打印技术进行实物验证，使教学实践内容更加深入；同时，学生们可以增强创新意识和创新能力，利用3D打印技术开展创新创业实践活动。如何利用3D打印技术使课堂的教学内容更加趋向多样化和实用化，使学生能够将学到的知识进一步转变为社会实践，是我们进一步思考和展望的方向[8]。

本文系湖南机电职业技术学院 2022 年度院级一般资助课题《基于“岗课赛证”融通的增材制造技术专业课程体系研究》（编号：YJB202213）的研究成果。

参考文献：

[1]杨璐铨，赵玉刚.3D 打印技术在机械学科教学中的应用研究[J]. 天津职业联合学报.2020（5）：41-44.

[2]董晓倩.利用3D打印技术深化高职课堂教学改革的途径研究[J]. 电脑知识与技术.2021（7）：92-93，105.

[3]郭岚，王红霞.3D打印技术在职校机械类课程改革中的应用及发展研究[J].现代职业教育.2021（37）：170-171.

[4]郭文霞，张海川.工程训练开设3D打印技术实训课程的探索与实践[J].中国现代教育装备.2019（15）：49-51，56.

[5]李永湘，何晓芬，马秀勤，张宁.3D打印在机械原理课程教改中的应用[J].内燃机与配件.2021（05）：214-215.

[6]柳翊，郭玉波，石磊，林海燕，金文中，贾利晓.3D打印技术在材料成型及控制工程专业实践教学中的应用探索.轻工科技.2021，37（08）：137-138.

[7]安芬菊，张静，吴敬权.基于学科竞赛的 3D 打印实践教学模式的研究[J].中国设备工程.2022（18）：262-264.

[8]班岚，张超，迟欢，张卫，徐江燕.3D打印技术在高校教改中的现状与未来[J].大众标准化.2021（05）：48-50.