3D打印创新教育与基于工程教育理念的图学课程

牟柳晨

摘要：针对通识教育模式下的大学教育必须结合工程教育理念的重要性，探讨了3D打印创新教育与工程制图课程结合。以课堂教学实践和工程实际经验为依据，围绕工程制图课程的教学内容和方法，并结合以素质培养为目标的教学实践，对工程制图课程的教学内容和教学设计进行了一些思考和探索，旨在提出工程制图课改的参考。

关键词：3D打印 教学方法

一 国内外高校3D打印创新教育的现状

关于大学教育与工程应用之间，因宗旨和目标差异而分歧争议可以溯源到很久以前，教育界的主流思想倾向于给与学生理论知识和科学思维，而从实际的学科配置来看，也强调了科学与工程、科学思维与工程思维之间的联系。

当前，国内高校开设3D打印相关课程的仅有20+所，将3D打印作为实训实验课程或专门创新实践项目的约100+，开设3D打印专业或方向的小于10。总体上说，3D打印还没有成为相关专业的骨干课程。 Metropolitan State University of Denver ( 丹佛大都会州立学院) 开设了名为 “Direct digital manufacturing (DDM)” 课程，基本内容包括：CNC基础，主流AM工 艺技术，三维建模及逆向工程，AM应用。授 课方式是讲座+实验+项目。绝大部分高校仍将3D打印视作一个促进学生创新实践的快速原型工具。：机械工程专业培养特色在于课程体系与国际前沿科技、“中国制造2025”重点建设领域结合，增设“3D打 印（增材制造）”课程，针对性的开设3D打印项目实践、设计创新性、趣味性实践课程，将学习与实践充分结合，使学生在掌握专业知识的同时，还具备良好的沟通协作、分析问题、解决问题的能力。

二 3D打印技术与工程制图课程教学结合的可能性

当前，各高校在课堂教学中融入工程教育的探索和课程改革就其总体而言，正朝着培养创新型人才的理念和方向积极推进，并取得长足的进展。工程制图是为工程设计“打前哨”的技术基础课，因此，笔者根据多年的教学体会和工程经验针对该课程的培养目标、教学大纲、教材编写以及课堂教学中的内容把握，提出利用3D打印技术强化构型能力培养的问题。

长期以来，由于课程侧重在正投影教学，课本和习题中图解空间几何问题的内容就显得过多了。尽管意在培养学生思维品质，但是着眼点未能放“工程物体”构图的核心环节，致使教材和教学都有失偏颇。

在今年11月16日南宁“2019新时代高校机械教学改革与创新研讨会”上，教育部高等学校工程图学课程教学指导分委员会刘衍聪副主任委员对高等学校工程图学课程教学基本要求作了专题说明。提出了“新工科对图学能力培养的时代要求”并指出“现有的工程图学课程教学延续了几十年的教学模式已不能很好地满足新兴工业和技术发展的教学需求”，他针对当前各高校工程图学课程教学中主要存在的问题，归结为如下几个方面：

课程知识体系传统，与互联网及智能制技术等结合不够紧密；

课程学时压缩，现有教学模式难以达到课程培养目标要求；

课程的理论、实践、数字资源丰富，但缺少相互融合；

教学方法不够丰富，一定程度上限制了课程的教学效果与能力培养。

由于制图类课程历来的教学重点和难点仍然在形体制图，其中的组合体读图即“二求三”奠定机件表达方法的基础，习题配置量也是整个课程中最多的，这部分内容尤其让学生感觉难于着手。尽管我们在课堂教学环节提供了大量的三维实感模型，但这种“引导启发”式教学模式仍未奏效，原因是缺少学生主动建立三维实感模型的教学环节。根据“高等学校工科基础课程教学新要求”中希望通过组合体构型强化来培养学生空间思维能力的指导性意见，我们可以通过Pro_e，SoIidworks的布尔运算来有效强化截交体和相贯体的形体感知，此二者被业界称为课程中组合体读图的两大基石，SoIidworks等三维建模软件还有自动生成三视图功能，这也能提高学生的组合体读图能力。

机械零件“抽壳”为几何形体即组合体，组合体的投影制图是机件表达的“前身”，为组合体的投影制图打基础的是确定面轮廓的一系列“求交”制图：“面面交”“ 面体交（截交）”， “体体交（相贯）”。教学进入组合体章节就到了“两难”境地，却又是最好的能力培养阶段。一难是教学难：把形体分析结合线面分析方法授予学生以后，辅助实感三维模型动画加以启发，然后老师往往也号召学生“发挥空间想象”。二难是学生掌握难：方法似懂，应用却难，纠结于形体实际形状而又未能想象出，又要求解未知视图，如之奈何？为此，笔者在教学中授予学生“组合体读图要诀”： 见线识面,见园看柱,线框是面,见交画线,线对线框,线框对线框,形体分析,从大到小,线面分析,截交相贯。这就串接了知识点，加强了逻辑思维能力训练，同时辅以3D造型，这就消除了学生的畏难情绪，有效激发了学生构思解题的创新欲望。

当前，3D打印教育及培训短板是阻碍3D打印技术普及应用的重大障碍之一：应试教育的全民教育理念没有变、批量化结构化标准化的教学模式没有变、大多数3D打印技术未成熟、配套支撑理论、方法、软件不成熟等问题。

课程体系创新的方向在于以学生为中心，以培养创新人才为目标，重塑人才培养质量观， 创新工程教育方式与手段，系统革新支撑机制。以应对变化、塑造未来为建设理念，重构人才知识体系，以技 术链升级支撑产业链升级，以新技术塑造新业态。教育将从“赋能”回归“铸人”的本质，教育创新将向“以人 为中心的创新”发展，创新教育形态将走向个性化、大众化、 多元化、智慧化。

三 结束语

理工科技术基础课的教学改革是一项不断求真的复杂的系统工程。有道是“仁者见仁，智者见智”，但是，高校对课堂教学法的探索将是永无止境的。

如何通过必要的3D教学设计和教学手段让刚进大学的学生接触工程喜欢工程又学起来自信而有趣呢？这或许是最为切实可行的第一步。

参考文献

殷瑞钰, 汪应洛, 李伯聪.工程哲学[M].北京:高等教育出版社.

 工程思维的性质和认识史及其对工程教育改革的启示——工程教育哲学笔记之三. 高等工程教育研究[J]. 2018(04)

李凌乐，应用型创新人才培养背景下的工程制图教学，大学教育 2016,(04),167-168 .

作者简介：牟柳晨（1965.12-）男，汉，四川成都人，工学博士，四川大学制造学院高级工程师，中国机械工程学会高级会员。主要研究方向：工程车辆动力传动装置研发，机械制造及其自动化（CAD/CAM/CAE）。

1. 基金项目：四川大学未来教学研究项目““互联网+”视域下的课堂教学法研究”（SCU8J-XC03）