3D技术机械类人才培养教学与实践

一、基于3D技术教学内容设计

3D技术主要包括产品的三维数字化设计、3D打印技术和三维扫描技术等，近几年3D打印技术和三维扫描技术发展迅猛，为了培养相关工程技术人才，促进我国3D技术的迅速发展，设计了基于3D技术的教学内容。1.三维数字化设计教学内容设计三维数字化设计是一门专门针对机械类“3+1”人才培养模式的重要教学内容，是一种培养学生使用三维设计软件进行机械设计、装配设计和虚拟样机设计的主要教学载体。以体积小巧、零件数量少、容易加工且具有一定实用价值为选题依据，以CATIA软件为主要设计软件，完成零件设计、整机装配和虚拟样机的整个设计过程。2.3D打印技术教学内容设计3D打印技术在教学内容上主要分为两部分：一是桌面级FDM原理3D打印机结构设计与加工，二是桌面级FDM原理3D打印机的应用。教学内容的安排上按照认知、熟悉、设计加工、应用这四个过程展开：首先以照片、视频和实物的形式，让学生对3D打印技术有一个基本的认知，用直观形象的表达方法极大地激发学生对3D打印技术的兴趣和学习热情；其次，通过任课教师对具体技术、原理、思路和方法的讲授使学生进一步学习3D打印技术涉及到的各个技术环节，熟悉整个设计流程；第三个阶段，学生们进入实质的设计阶段，通过分配给自己的设计题目，各自搜集整理相关资料，理出设计要点，进行具体设计并进行加工装配；最后，学生用CATIA设计打印作品，通过装配完成的3D打印机打印所设计的作品。3.三维扫描技术教学内容设计三维扫描属于逆向工程，即把实物通过三维扫描系统生成计算机数据，然后通过对模型的修改和完善生成与实物一模一样的模型数据，由于本环节涉及到专业的三维扫描系统的应用，所以本环节的教学主要针对个别学生开展，生成的模型数据可以通过3D打印机打印出来，并对比实物大小，分析对比3D打印的精度和三维扫描系统的成型精度，从而为优化3D打印机的结构设计、提高三维扫描系统的测量精度提供实验数据。

二、基于3D技术教学内容的改革与实践

机械类“3+1”人才培养模式教学内容主要以数控加工、工艺设计和三大数控系统为主，侧重于工艺和加工，在此基础之上融入了3D技术，把侧重点从工艺和加工转向了设计和装配，以学员学习方向的选定、教学内容体系建设和分组学习机制的探索等作为此次机械类“3+1”人才培养模式教学内容改革与实践的主要内容。1.学员学习方向的选定进入“3+1”人才培养模式进行学习的学员在入学之初，任课教师和学员进行双向选择，并确定学习方向和设计题目，即在这一年的“3+1”人才培养模式学习期间，学员都以一个固定的学习方向和设计题目为主线，开展相关课程，如CATIA零件设计与装配、虚拟样机、数控加工与工艺等，有针对地进行系统学习，培养学员在所研究的方向上形成规范的知识体系和良好的工程意识。2.基于3D技术的教学内容体系建设机械类“3+1”人才培养模式引入3D技术是在广泛调研整理后形成的一种新型的教学内容体系。基于大三机械类学生的专业能力、可行性较高的3D技术的教学内容切入点及与3D技术相关的多学科交叉情况，采用科学分析、归纳总结的方法制定出了一套适合现阶段机械类“3+1”人才培养模式的基于3D技术的教学内容体系。该体系可概括为：一条主线，两种形式，三个阶段。“一条主线”指的是以FDM原理3D打印机结构设计及其重要组件设计为教学内容主线；“两种形式”指的是最终的作品有两种形式，即数字化设计和实物制作；“三个阶段”指的是设计、制作和应用三个阶段。3.分组学习机制3D技术是一种多学科交叉的综合性技术，采用分组学习机制可以降低学员的学习难度，提高学员间的团队合作能力。分组学习机制是指一个指定的设计题目或研究方向，由2～3人组成的小组来完成，组员间分工明确，任务到人，主要内容分为两部分：设计和加工，即一人负责整体设计，一人负责零件加工和装配，三人一组的还有一人负责整机调试和应用。分组学习机制使学习过程更接近企业的实际情况，人与人之间的工作即相互区别又相互联系，这就使学员的学习更加深入，学员间合作更加紧密，小组最终的作品也更加丰富和多元化。四、基于3D技术机械类“3+1”人才培养模式教学内容改革的推广价值经过为期一年的改革实践，基于3D技术机械类“3+1”人才培养已经取得了初步成果。1.丰富现有教学内容以初中级3D技术作为教学内容改革的切入点，在现有教学内容的基础上融入了设计、电子、软件和控制等多学科知识，课堂教学中引入互联网技术，用于补充和学习各种3D技术的基本知识。2.普及和提高3D技术引入3D技术是在教学内容改革上的一次重要尝试，实现了学员对3D技术从不解到了解的学习过程，使学员对前沿科技的认识更加直观、真切。随着这种改革力度的加大，3D技术在教学内容的设置上会更加系统、深入。这种改革对于高校学生普及和提高3D技术具有重要的现实意义。3.提高学员动手能力机械类“3+1”人才培养模式重在培养学员的实际动手能力，3D技术中的一大分支是3D打印机结构设计和加工，从用三维设计软件进行结构设计到二维工程图的设计，从零件加工的工艺分析到用数控机床加工零件都需要学员独立完成，学员从大量的实践过程中积累实战经验，极大提高了学员的动手能力。4.培养学员的工程意识实际的工作岗位要求机械专业大学生具有良好的工程意识，即用系统的、符合产品设计和发展的客观规律的眼光去看待自己从事的工作。3D打印机是一个复杂科学的系统工程，设计者要考虑其市场前景、成本、用户需求、可靠性、安全性、稳定性及后期维护等，学员通过自己设计制造3D打印机，找到问题的解决办法，提升自己对产品整个生命周期各种细节的把握，在当前的时代背景下对学员工程意识的培养是极其重要的。5.改进教学方法和手段传统的机械专业教学主要是通过教师的讲授并配以多媒体进行的，这种教学方法能够系统地讲解课本上的知识，但难以直接激发学员的学习热情和兴趣。引入3D技术后，我们采取了五段式教学法，如图1所示。五段式教学法先从感性认识开始，让学员亲自感受3D技术，如让学员亲手操作3D打印机、亲手打印零件等，使学员对3D技术产生最直接的兴趣，从而提高其学习3D技术的积极性；在此基础上进行详细系统的理论学习，包括机械设计、机械加工、3D打印机软件的应用、固件的下载和调试等课程，使学员接受全方位的系统训练；其中以机械加工为重点，进行重点训练，使学生了解零件生产的全过程；在前面两个学习过程中遇到的问题可以在第四个阶段第二次理论学习中解决，带着问题来学习是一种高效的学习方法，有助于学员对理论知识和实践知识进一步巩固；最后重新进行上机加工训练，检验所有已学知识。

作者：张海录 张增凤 郭睿智