摘要：在机械类课程的教学过程中，学生实践经验匮乏往往是教学的一大难题。传统教学仅借助多媒体设备的图片、视频等很难向学生直观传达零件或机构的结构和运作方式，学生兴趣不高，教学效果一般。本文尝试将3D打印技术运用到机械类课程的课堂教学及课后探索环节，改善课堂教学的效果，增加学生对机械类课程的学习兴趣，并对教学效果、成本等方面进行评估。
关键词： 3D打印；机械；教学
一、引言
在机械类学科的教育教学当中，教师所面临的最突出的问题便是学生对所学内容缺乏实践方面的认识。3D 打印技术是近些年来新兴的现代制造技术，该技术不需要特殊的模具、工具或人工干涉，可以制造任意复杂形状的三维实体，具有高度的柔性及加工成本低、生产周期短、节省材料等优势。它的出现为解决民办高校机械专业理论与实践结合困难的问题提供了良好的解决方案。将 3D 打印技术应用到教学实践过程中，对学生的动手能力、创新能力及创新思维等的培养都有重要的促进作用，对创新型人才的培养具有积极意义。
二、研究现状
3D 打印技术作为第三次工业革命的重要标志之一，是制造业领域正在迅速发展的一项新兴技术[2]，随着技术的不断发展与完善，越来越多的研究者开始关注3D打印技术与现代化教学手段的结合，一些国家和组织也开始探索将3D 打印技术应用于教育学领域当中。新媒体联盟 （New Media Consortium, NMC） 在 2013 年地平线报告中提出，3D 打印是未来四到五年值得关注的新技术，将带来教学、学习和研究领域的创新[3]。
三、3D打印在高等教育中的优势
长久以来，高校开设机械类课程往往课堂气氛较为沉闷，难以吸引学生兴趣，教学效果不理想其原因主要在于以下两个方面：
1）机械学科是一门理论与实践相结合的学科，在传统的机械专业课程教学中，理论与实践相关性强，教学中涉及到大量复杂的空间立体结构，以及基本理论参数，对学生的空间想象和构造能力要求较高，理解学习难度大。
2）目前的机械专业课程教学主要采用多媒体技术与三维模型教具参与教学，多媒体技术通过教学课件、图片、动画等平面形式参与，对学生的空间想象能力有一定要求。虽然利用零件实物或三维模型教具可以带来显现化、立体化的认知，提高学生的理解效果，但教具的传统制作成本高，更新周期长，不能得到广泛应用，阻碍了学生通过教具学习专业知识。
因此，机械专业教学中教具的设计与制造急需一种低成本、快速的生产方式，而3D打印技术无疑可以很好的满足这一需求，为高校改革机械类课程教学方式、提升课堂教学效果提供了一个良好的契机。其优势主要表现在以下几个方面：
1）3D打印技术采用增材加工的生产方式，有别于传统的减材加工生产方式，其生产方式非常灵活，适合生产用于课堂展示的机械零件、工具和结构。如果采用3D打印技术进行生产则能够明显减少对设备的依赖，只需要一台3D打印设备便可完成相关教具的生产。此外，3D打印设备操作、维护简单，安全系数高、材料成本低廉，对加工模型的几何复杂程度几乎没有要求，一般复杂程度原型仅需要几个小时即可成型，十分适合民办高校引入。
2）传统的工业零件往往由金属加工制成，质量大，不易携带，难以走入课堂供学生观察了解。而3D打印所使用的材料为ABS、PLA等高分子材料，质量较轻，便于携带，且价格低廉，能够很好的走入课堂供学生参观和自行装配。
3）3D打印设备兼容UG、Solid Works、Pro-E等常用三维建模软件，机械专业老师无需培训即可熟练使用。同时，利用3D打印设备将帮助学生将优秀的设计概念转化为实物模型，有利于激发学生的学习兴趣，培养学生的创新精神。
4）“十三五”规划纲要在对“现代产业”的提案中明确写到：“大力推进先进半导体、增材制造（俗称 3D 打印）、智能系统等新兴前沿领域创新和产业化，形成一批新增长点。”随着 3D 打印技术的不断发展，未来对 3D 打印专业应用技术人才的需求将会大大增加，在高校教学过程中引入3D打印技术，有助于开拓学生的视野，为学生的开辟新的就业途径。
四、3D打印在高校教学中的应用分析
3D打印技术功能强大，无论在教师的授课和科研方面还是在学生的创新创业方面，都能够发挥重要作用。下面以《机械制造技术基础》为例，简要分析3D打印技术在该门课程教学中的应用。
《机械制造技术基础》课程往往要求学生动手能力强，空间想象能力好，尤其是在学习各类多面零件、装配件时，传统二维教学演示一般借助于多媒体或者二维图形教具，对学生的学习和理解带来了一定的难度。如果采用3D打印，则展示更加清晰，减少了对学生空间想象能力的要求，通过实际模型的参与，减少后期理论推导过程中对空间想象能力的需要，减轻学习困难，如图1所示。
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图1. 3D打印刀具模型
同时3D打印成本低廉，其材料成本材料成本可通过式（1）进行估算：
(1)
式中，S为打印某零件的总成本;M为打印某零件所用耗材质量;p为耗材单价; A为打印某零件单位时间人工成本;B为打印某零件单位时间消耗电能;t为打印时间。
以图1中外圆车刀为例，其三维最大尺寸为145mm×32.52mm×25mm。经过计算，该打印件质量为0.0699kg，使用PLA耗材单价为70元/kg，打印人工成本可以忽略，单位时间耗电电能为0.5469元，打印时间为3h18min，代入式(1)可以估算出打印该刀具成本为5.067元。相应大小的刀具购买价格大约在数十元，对于单独设计的刀具，如果采用注塑工艺，开模费用甚至高达上万元。因此在费用方面，尤其是对于单独设计的刀具，3D打印具有明显的成本优势。
此外，机械专业中，有许多分析故障的教学内容，如切削刀具崩刃、齿轮损伤，使用真实教具经济性差，且数量有限，实际模拟危险系数高，并有可能会损害机床或设备。3D打印的应用可以在降低成本、避免损伤的同时达到展示效果。
五、结束语
本文通过机械类学科在当前教学过程当中所面临的困难，提出了利用3D打印技术改善课堂教学的解决方案，并从优势、可行性、成本等方面进行了分析。事实证明，将3D打印技术应用到机械类课程的教学，能够有效深化学生对机械类课程的理解，提高学习效率，改善教学质量。同时，该技术所需成本低廉，技术门槛低，无需配套场地、设施，尤其适合高校在资金、场地等资源有限的前提下引入与发展。
参考文献：
[1] 杨立平,赵立红,佟永祥.机械制造基础课程中多媒体与板书教学方式研究[J].中国现代教育装备,2013,21:29－31．
[2] 卢秉恒,李涤尘.增材制造(3D打印)技术发展[J].机械制造与其自动化，2013(4):1-4
[3] 张胜,徐艳松,孙姗姗.3D打印材料的研究及发展现状[J].中国塑料,2016,30(1):7－14.