运用3D打印技术，提高中职机械类制图和建模的教学质量
摘要：3D打印技术是一种快速成型的技术，它是基于“设计即生产”的基
本理念，以学生运用三维CAD设计好数字模型为基础，导入3D打印机，3D打印机运用特殊的可粘合性材料，通过逐层打印的方式来生成实体。学生通过对3D打印技术的过程性学习，不仅能支持中职学生在这过程中的深度体验，而且教学成果还可以直接拓展机械类制图和建模教学中，帮组学生理解和掌握机械类制图和建模的相关知识，从而提高机械类制图和建模的教学质量。
关键字：3D打印 创造性思维 中职学生 一、3D打印技术的概述
3D打印技术，又称三维打印技术，是一种快速成型技术，它以学生绘制的数字化模型为基础，运用粉末状金属或塑料等可黏合材料，通过逐层打印的方式生成实体，3D打印技术可将市场啥那个没有的东西转化为展示的实体，是一种通用科学技术。3D打印技术适合需要快速制作模型的领域，因此在工业制造领域、建筑设计领域、医疗领域等中得到了广泛应用。
与传统加工技术相比，3D打印技术有其独特的优势。首先，在计算机中绘制的三维图形通过3D打印机可直接快速形成任何形状的物体，实现个性化自主设计；其次在3D打印技术的帮组下，可以将设计转化为可展示的实物，拓展学生思维和想象空间；更重要的是3D打印机可打印学生们设计的原型产品，有助于他们改善自己的设计，并更好地理解他们的创作过程。将3D打印技术应用于职业教育，可以为教学提供思想、智慧和科技相融合的最佳路径，因此通过将3D打印技术与职业教育有机整合，可以促进学生的思维能力发展，提高学生的创新能力。
二、学校开展3D打印技术教学的必要性
3D打印技术的应用为职业学校教师的教学方式的转变带来可能，3D打印技术在教育领域中的应用已得到了科学实践证明，在欧美国家不仅在职业教育领域引进，基础教育、高等教育也进行的结合。与
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欧美的一些国家相比，我国是传统制造的大国，3D打印技术不仅带来的是创意思维的改变，更是整个领域的颠覆。教师处于知识传播的开端，3D打印技术给教师教学带来的冲击，不仅仅是教学辅助工具的更新，更是教学思维、教学方式、教学模式的改变。3D打印技术不只是一种技术，更是一种产业的革新，作为制造业人才培养起点的中职教学，更是应该适应这种变革，完成其自身的转变。
三、3D打印技术在中职机械类制图和建模教学中的创新应用 （一）3D打印技术在中职机械类二维制图教学中的创新应用 客观上说，作为一门具有很强的专业基础性的课程，机械制图课程是中职机械类学生日常学习中重要的一门功课。通过这门基础课一方面能够全面增强学生的创新意识，另一方面也能够全面塑造、培养学生的综合能力，想象力、图形表达能力、创新能力等等。相较于传统的建模工艺，3D打印技术无论是制作周期、还是材料等都具有绝对的优势，特别是符合中职学校了解三维零件图形的要求。绝大多数的新生在刚开始学习机械制图时脑海中的想象力几乎为零，更别提转化二维平面投影与三维立体零件模型的能力了。事实上，对于绝大多数的初学者而言，在最初的学习中只能依靠影射规则来感受三维立体零件图形，但是通过影射规则所认识的三维零件图形毕竟存在一定的局限性，因而在呈现三维零件图形时则无法满足直观、全面、形象这些特点。客观上说这些是很多还没有形成良好的抽象思维的初学者在学习机械制图时最大的压力来源。
对于当前的机械制图课堂来说最主要的就是要依靠教学模型、实体挂图、PPT等帮助广大学生理解，但这些教具需要花费很大的财力、物力、人力，另外展示的效率也不高，总体的教学效果并不是很好，而且在传统的教学方法中，多以教师为主体，学生很少能够真正参与其中，而这就进一步打击了学生的积极性，甚至产生反感的情绪，而这样提高学习能力就更难了。而3D打印技术的出现解决了广大教育工作者当前所面对的难题。对于广大教师而言3D打印技术的应用给日常教学带来了便利，通过这一技术，即能够根据需要切割或者其他处理，从而打印出立体图形，可以方便地将二维投影视图转变成更具
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体、更详细的三维零件模型。从某一方面来说，这样的教学方法能够使原本枯燥的机械学习变得更生动有趣，能够收到意想不到的教学效果。比如，利用3D打印技术就能使学生感受到当一个圆柱体被另一个圆柱体贯穿后相贯线的形状，并打印出来，这样一来，就能让学生清楚地观察，并深入学习，通过实践得出结论。这样一来，对于学生更好地了解平面投影视图、零件组合体的关系也有很大的帮助，客观上说这对全面提高机械制图的效率也有一定的帮助。
（二）3D打印技术在中职机械类三维实体建模教学中的创新应用
三维实体建模课程是严谨性高和实用性很强的学科，更是一门综合性学科。该学科的教学培养目标是通过组织和引导学生发挥创造力和想象力设计并制造出能够解决各种情境下的现实及相关问题的产品，通过支持学生独立完成简单的设计与制造工作，提升其参与学习和活动的自信心，促进创造性专业技能的获得。
基于对3D打印技术功能特性和三维实体建模课程教学目标和特
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点的关联与分析，发现该技术可以通过创造与设计促进教学目标的实现以及跨学科知识的融会贯通。第一，3D打印技术为教师和学生发挥想象力和创造力等创造性活动提供便捷性的技术支持。师生利用CAD等计算机辅助设计软件充分发挥想象、联想能力设计出3D立体数字模型，再使用3D打印机将模型实体化。第二，该技术为师生制造实用性产品提供技术保证。由于该学科特别注重产品的实用性，所以3D打印技术支持的教学活动不仅需要学生系统地考虑、细致地分析打印任务，并通过迭代完善工作创造出实用性强且质优的产品，而且要尽量节省生产原材料、保证高精度和高坚固性，为实际实施提供质量保障。第三，该技术为跨学科知识的综合运用。涉及物理、数学等多方面的知识。比如学生在创造和生产某个产品过程中，首先需要考虑产品的逻辑性；其次要考虑产品的大小比例及用料；最后还需通过成本评估确保物有所值。可以看出这个过程不仅涉及有关生产过程的技术知识，而且涉及产品实用性承受力以等物理知识。
在传统的三维实体建模教学中，电脑绘图建模是重点，关于模型设计的内容大多通过单纯的讲解或者二维图像展现给学生，在实践操作课程中，教师仅能够指导学生制作简单的模型，而对于内部结构复杂的模型，学生仅能通过自己的想象进行理解，这种教学方法禁锢了学生的思维，不利于学生创造思维与设计能力的提升。而3D打印技术可根据图纸以及相关数据将实物模型展示出来，保证一次成型，不会受到模型结构复杂等问题的影响。在教学过程中学生可以充分发挥想象，设计产品，并利用3D打印机将自己的想法变为现实，这种教学方式能够拓展学生的思维，提高学生的创造力与想象力。学生在专业课程的学习中能够亲身实践，自主设计产品方案，在利用3D打印技术进行试验的过程中，学生能够发现设计方案中的不足并有针对性地对方案进行改进，直到设计完全符合要求与标准，这种反复修改的过程能够提高学生在实践设计中的科学性与严谨性。
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四、3D打印技术在中职机械类制图和建模教学中的意义
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（一）可改善教学方式方法
3D打印技术在中职学科教学中，可以将物理学、电子技术的一些抽象概念和动手制作巧妙地结合起来，让学生自然而然地学会和应用这些基础知识。此外，3D打印还可用来制作可视化教具和学具。原来的教学场景下，教师多使用语言和图片描述教学内容，多媒体课件中展示的教学内容模型也无法使学生直接接触和观察教学实体对象，形象直观的立体教具较少配备，或是无法定制，还有教学工具和仪器一般由专门的教学设备制作机构制作发行，更新慢。3D打印则提供了更多的创造空间，教师可以方便地自行制作和打印某些教具，以有形的三维格式展示教科书中提取的二维信息，并可设计个性化的教学模型以适应教学内容的要求并在课堂上展示。学生也可以观察、触摸和组装这些教具，这种方式显然要比原来的教学效果更好。 （二）可营造更愉快的学习体验
3D打印的核心应用在于它能够帮助使用者将数字化的设计快速变成实物。独特的实物模型给学生提供了切身感受，并且可以操作模型互动，从另一个角度对事物增进了了解，能够帮助他们愉快地记忆，避免遗忘。还有，对于需要动手设计和制作的课程来说，3D打印可以帮助学生加速设计的过程，学生可以在设计的早期就通过原型化排除错误的设计，从而帮助他们避免因为浪费时间在无用工作上，或是项目失败带来的挫败感，可以更好的提高教师在课程上的教学质量。
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运用3D打印技术,提高中职机械类制图和建模的教学质量
