增材制造技术在高职铸造教学中的应用探索与实践

增材制造技术在高职铸造教学中的应用探索与实践（通用3篇）

增材制造技术在高职铸造教学中的应用探索与实践 篇1

摘 要：3D打印技术（又名增材制造技术）是一项日趋成熟的数字化成型技术，许多行业积极发展3D打印技术的结合利用。本文概述了3D打印技术及其在教育教学中的应用现状，分析了铸造专业特点和3D打印技术应用于铸造教学的作用，以教学实例的方式探索了3D打印技术融入铸造实践教学的方式方法。

关键词：3D打印；铸造实训；识图；教学

《教育部党组关于教育系统学习贯彻总书记教师节重要讲话精神的通知》中指出，引导支持广大教师“善于运用新技术提高教学设计、教学实施、教学评价的专业能力”、“始终为学生提供最有效的指导和最好的教育”。笔者在高职铸造教学中进行了增材制造技术的应用探索与实践，有效解决了高职铸造学生在校学习积极性不高、教师教学效果不好的问题。

一、研究意义和背景

铸造是一门工程性很强的专业。在学习机械制图、材料成型原理等理论先修课程时，需要很多实体的教具（如机械零部件或模型）来进行演示，而实际上很多学校由于经费的原因，教具数量极为有限且更新慢，使教师在讲解知识时有无米之炊的尴尬。在进行砂型铸造生产实训、特种铸造生产实训等实践课程时，铸造实训车间工作环境较差，使铸造专业的学生产生一种失落感，学生的学习积极性受挫。通过丰富教具和教学形式，可以有效解决上述环节的困境。

3D打印技术起源于上世纪八十年代，经过三十年的发展，这项快速成形技术取得了长足的发展，能够利用多种材料打印出精度较高的产品，开始在各个行业发挥作用。近年来，3D打印已成为一项热门的技术，在全世界范围内掀起了一场3D打印的学习和应用热潮[1]。为了激发学生的学习兴趣，调动学生的积极性，增强学生的动手能力和创新思维，许多发达国家已经进行了3D打印技术应用于教育事业的探索，欧美一些学校设立了3D打印相关教育基金，购买3D打印设备开展教学试点。在我国，3D打印技术也于近几年走进了校园，部分学校开始有了3D打印相关课程[2]。随着3D打印技术的学习和应用热潮日渐升温，该技术必将得到不断提升，其设备与打印材料的价格必然呈逐渐降低的趋势，为3D打印机走进越来越多的校园，走向课堂创造了现实条件。

二、探索与实践

3D打印区别于传统的“模具―毛坯―机加工”等模式的“减材制造”技术，通过材料的逐层堆积方式来构造物体，又被称作“增材制造”技术，它以数字模型文件为基础、粉末状金属或塑料等可粘合材料为打印原料，具有节约材料、高效率和自由化设计等优点，被称作是一项革命性技术，是“第三次工业革命”到来的重要标志[3]。

目前，主流的3D打印技术有：熔融沉积造型技术（FDM）、光固化立体造型技术（SLA）、薄材叠层成型技术（LOM）、选择性激光烧结技术（SLS）、三维喷涂粘成型技术（3DP）等，其中FDM技术，操作简便，生产成本低，应用最为广泛。[4]

1.3D打印在机械制图中的应用

机械制图作为铸造专业的先修课程，目的是使学生增强识图制图能力。识图制图能力的增强依赖于多看、多想以建立空间思维，这就要求学校拥有足够数量的教具，如各类金属零部件、塑料模型等，而许多学校由于教学经费的限制，拥有的教学用模型数量有限，特别是复杂零部件模型（价格较贵）很缺乏，且很少更新。教师只能利用少量的简单模型进行讲解，大大限制了学生识图能力的提升。在工作后遇到的零部件图纸各式各样，有很多会比较复杂，铸造专业的学生往往难以很快适应。

3D打印的一大优势就是可以快速地打印出形状与结构复杂的模型，若选择合适的材料，打印成本也较低。如果将3D打印机引入课堂，可以在低成本的条件下，大大丰富教具的种类和数量，并且可以随时增补新式零部件模型，可极大提升学生的见识和空间想象力，使学生将来进入工作岗位后能够快速适应，同时也使教师讲课时有更多的、更复杂的教具辅助，事半功倍。

2.3D打印在特种铸造生产实训中的应用

无论是砂型铸造生产实训、特种铸造生产实训，为了验证学生工艺设计质量，都应该先制造出学生工艺设计的模样，然后才能进行造型、浇注。但这无论是从时间还是经济上讲都是难以实现的。以下是结合了3D打印进行的新型特种铸造生产实训流程图。

如图1所示，当学生进入铸造生产实训阶段后，首先由教师布置生产任务，向学生讲解任务大致流程，学生自由组合成立研究小组，分析任务产品特点，完成铸造工艺方案的制定。学生在教师的辅助下完成3D打印机软、硬件学习，开始产品试制，通过三维建模导出STL格式文件输入3D打印机，打印出3D模型，以三维模型的尺寸为基准对3D打印模型进行尺寸检测，若合格则进入熔模铸造后续流程，若不合格，分析尺寸超差的原因，返回上一步，对三维模型进行检查、对3D打印参数进行调整，再次打印模型。利用合格的3D打印模型进行熔模铸造生产，得到铸件，对铸件进行尺寸和缺陷检测，合格则得到铸件成品，不合格则利用检测数据对铸件结构和铸造工艺进行优化，用优化后的方案返回到三维建模步骤进行产品再试制。

以上流程中通过3D打印技术的引入免去了模样的加工周期，进行该试生产的时间可缩短为2至4周，与高职院校铸造生产实训周期较为吻合；又省去了制作模样的费用，节约了成本。

3.3D打印技术融入铸造教学的其他积极作用

3D打印技术给铸造领域注入了创新动力，各地、各院校可以利用铸造与3D打印技术相结合开展创新创业活动，如基于3D打印技术的新型铸造工艺方法设计比赛和铸造工艺品创意制作比赛等，为学生积极创造实战机会，提高学生理论联系实际及开拓创新的能力，同时通过竞赛与奖励的方式提升铸造专业学生的行业荣誉感。

三、结束语

在理论教学中引入3D打印，实现了教师教具的极大丰富，教学效果得到改善，学生识图水平显著提高；在铸造生产实训中引入3D打印，加强了学生在实训教学中的主动参与度，挖掘了学生自主分析、专研的能力和兴趣。学生成立了研究小组，进行了产品试生产，不仅使其切身体会了铸造生产的真实流程，得到了“岗前培训”，而且培养了团队协作精神。迎着3D打印技术的发展热潮，各教育机构应该积极研究并扩展3D打印在多学科教学上的应用范围，利用此类人工智能化技术为教育教学带来更多革新性的变化。

参考文献：

增材制造技术在高职铸造教学中的应用探索与实践 篇2

一、研究意义和背景

铸造是一门工程性很强的专业。在学习机械制图、材料成型原理等理论先修课程时, 需要很多实体的教具 (如机械零部件或模型) 来进行演示, 而实际上很多学校由于经费的原因, 教具数量极为有限且更新慢, 使教师在讲解知识时有无米之炊的尴尬。在进行砂型铸造生产实训、特种铸造生产实训等实践课程时, 铸造实训车间工作环境较差, 使铸造专业的学生产生一种失落感, 学生的学习积极性受挫。通过丰富教具和教学形式, 可以有效解决上述环节的困境。

3D打印技术起源于上世纪八十年代, 经过三十年的发展, 这项快速成形技术取得了长足的发展, 能够利用多种材料打印出精度较高的产品, 开始在各个行业发挥作用。近年来, 3D打印已成为一项热门的技术, 在全世界范围内掀起了一场3D打印的学习和应用热潮[1]。为了激发学生的学习兴趣, 调动学生的积极性, 增强学生的动手能力和创新思维, 许多发达国家已经进行了3D打印技术应用于教育事业的探索, 欧美一些学校设立了3D打印相关教育基金, 购买3D打印设备开展教学试点。在我国, 3D打印技术也于近几年走进了校园, 部分学校开始有了3D打印相关课程[2]。随着3D打印技术的学习和应用热潮日渐升温, 该技术必将得到不断提升, 其设备与打印材料的价格必然呈逐渐降低的趋势, 为3D打印机走进越来越多的校园, 走向课堂创造了现实条件。

二、探索与实践

3D打印区别于传统的“模具—毛坯—机加工”等模式的“减材制造”技术, 通过材料的逐层堆积方式来构造物体, 又被称作“增材制造”技术, 它以数字模型文件为基础、粉末状金属或塑料等可粘合材料为打印原料, 具有节约材料、高效率和自由化设计等优点, 被称作是一项革命性技术, 是“第三次工业革命”到来的重要标志[3]。

目前, 主流的3D打印技术有:熔融沉积造型技术 (FDM) 、光固化立体造型技术 (SLA) 、薄材叠层成型技术 (LOM) 、选择性激光烧结技术 (SLS) 、三维喷涂粘成型技术 (3DP) 等, 其中FDM技术, 操作简便, 生产成本低, 应用最为广泛。[4]

1.3D打印在机械制图中的应用

机械制图作为铸造专业的先修课程, 目的是使学生增强识图制图能力。识图制图能力的增强依赖于多看、多想以建立空间思维, 这就要求学校拥有足够数量的教具, 如各类金属零部件、塑料模型等, 而许多学校由于教学经费的限制, 拥有的教学用模型数量有限, 特别是复杂零部件模型 (价格较贵) 很缺乏, 且很少更新。教师只能利用少量的简单模型进行讲解, 大大限制了学生识图能力的提升。在工作后遇到的零部件图纸各式各样, 有很多会比较复杂, 铸造专业的学生往往难以很快适应。

3D打印的一大优势就是可以快速地打印出形状与结构复杂的模型, 若选择合适的材料, 打印成本也较低。如果将3D打印机引入课堂, 可以在低成本的条件下, 大大丰富教具的种类和数量, 并且可以随时增补新式零部件模型, 可极大提升学生的见识和空间想象力, 使学生将来进入工作岗位后能够快速适应, 同时也使教师讲课时有更多的、更复杂的教具辅助, 事半功倍。

2.3D打印在特种铸造生产实训中的应用

无论是砂型铸造生产实训、特种铸造生产实训, 为了验证学生工艺设计质量, 都应该先制造出学生工艺设计的模样, 然后才能进行造型、浇注。但这无论是从时间还是经济上讲都是难以实现的。以下是结合了3D打印进行的新型特种铸造生产实训流程图。

如图1所示, 当学生进入铸造生产实训阶段后, 首先由教师布置生产任务, 向学生讲解任务大致流程, 学生自由组合成立研究小组, 分析任务产品特点, 完成铸造工艺方案的制定。学生在教师的辅助下完成3D打印机软、硬件学习, 开始产品试制, 通过三维建模导出STL格式文件输入3D打印机, 打印出3D模型, 以三维模型的尺寸为基准对3D打印模型进行尺寸检测, 若合格则进入熔模铸造后续流程, 若不合格, 分析尺寸超差的原因, 返回上一步, 对三维模型进行检查、对3D打印参数进行调整, 再次打印模型。利用合格的3D打印模型进行熔模铸造生产, 得到铸件, 对铸件进行尺寸和缺陷检测, 合格则得到铸件成品, 不合格则利用检测数据对铸件结构和铸造工艺进行优化, 用优化后的方案返回到三维建模步骤进行产品再试制。

以上流程中通过3D打印技术的引入免去了模样的加工周期, 进行该试生产的时间可缩短为2至4周, 与高职院校铸造生产实训周期较为吻合;又省去了制作模样的费用, 节约了成本。

3.3D打印技术融入铸造教学的其他积极作用

3D打印技术给铸造领域注入了创新动力, 各地、各院校可以利用铸造与3D打印技术相结合开展创新创业活动, 如基于3D打印技术的新型铸造工艺方法设计比赛和铸造工艺品创意制作比赛等, 为学生积极创造实战机会, 提高学生理论联系实际及开拓创新的能力, 同时通过竞赛与奖励的方式提升铸造专业学生的行业荣誉感。

三、结束语

在理论教学中引入3D打印, 实现了教师教具的极大丰富, 教学效果得到改善, 学生识图水平显著提高;在铸造生产实训中引入3D打印, 加强了学生在实训教学中的主动参与度, 挖掘了学生自主分析、专研的能力和兴趣。学生成立了研究小组, 进行了产品试生产, 不仅使其切身体会了铸造生产的真实流程, 得到了“岗前培训”, 而且培养了团队协作精神。迎着3D打印技术的发展热潮, 各教育机构应该积极研究并扩展3D打印在多学科教学上的应用范围, 利用此类人工智能化技术为教育教学带来更多革新性的变化。

摘要：3D打印技术 (又名增材制造技术) 是一项日趋成熟的数字化成型技术, 许多行业积极发展3D打印技术的结合利用。本文概述了3D打印技术及其在教育教学中的应用现状, 分析了铸造专业特点和3D打印技术应用于铸造教学的作用, 以教学实例的方式探索了3D打印技术融入铸造实践教学的方式方法。

关键词：3D打印,铸造实训,识图,教学

参考文献

[1]傅骏, 王泽忠, 方辉.3D打印技术及其在铸造中应用现状与发展展望[J].中小企业管理与科技, 2014 (9) :299-300.

[2]朱阁, 莫蔚靖.3D打印技术在教学中的应用与探索[J].价值工程, 2015 (32) :178-181.

[3]童宇阳.3D打印技术在中小学教学中的应用研究[J].现代教育技术, 2013, 23 (12) :16-19.

增材制造技术在高职铸造教学中的应用探索与实践 篇3

关键词：机械制造基础 多媒体课件 积件 积件库

中图分类号：G434 文献标识码：B 文章编号：1673-8454（2009）11-0060-03

高职机械制造基础课程是机械类专业的一门主干技术基础课，它介于基础课与专业课之间，优化整合了传统机械制造类金属材料及热处理、公差配合与技术测量、金属切削原理与刀具、金属切削机床、机械制造工艺学、机床夹具设计等课程的主要内容，该课程内容繁多、涉及面广，与生产实践关系密切，具有实践性、综合性强的特点，学生在学习过程中普遍感觉不易掌握，缺乏兴趣。

一、多媒体技术应用的必要性及目前多媒体课件存在的问题

长期以来，机械制造基础大多是采用“一支粉笔”、“一块黑板”、“一张挂图”的传统式教学，难以体现规模宏大的制造业全貌和体现生动的生产现场，造成了“粉笔头里出概念，挂图上面开机床”的尴尬局面，制约了学生的感性认识，使学生学习时难以掌握，感到枯燥乏味，很难激发学生的学习兴趣。为改变这种教学现状，这就要求教师在课堂上应合理地利用多媒体技术进行辅助教学，利用多媒体的动画、视频、图像、声音等素材直观形象地再现机床运动原理、机械加工过程等，激发学生学习该课程的积极性、主动性，利用感性知识加强学生对课程内容的理解，达到事半功倍的教学效果。

目前，随着多媒体计算机技术及网络技术的迅猛发展，多媒体教学开始广泛应用于课堂和实践教学中，多媒体技术引入课堂一般采用多媒体课件这种形式，多媒体课件对机械制造基础的现代化教学起到了巨大的推动作用，但这里还是存在着一些问题：如一般的课件存在着通用性不强、灵活性和开放性较差、容易受到教材及版本的限制等缺点。一般课件的内容是以一堂课或章节甚至整本教材来组织的，只能适用于某一特定的教学情境，很难适应千变万化的教学情况。另外课件在教学中的使用涉及任课教师与课件设计制作者之间教学思想兼容问题，如果教师使用的课件不是自己开发设计或参与开发设计的作品，那么溶解在课件中的思想、行进的思路、表现形式、体系结构和技巧运用可能与任课教师相去甚远，若再加上教学对象的差异，课件的针对性问题就暴露出来。这也是影响多媒体课件被广泛使用的重要因素之一。

针对机械制造基础课程多媒体课件存在的问题，我们对该课程多媒体技术的应用进行了探索和研究，构建机械制造基础积件库，并以此为平台来进行多媒体课件的设计和制作，取得了较好的效果。以多媒体素材为基础的积件克服了课件的不足，它具有高度的灵活性和可重组性。以积件库为平台，教师可根据自己的思路、方法、不同的情况来选择合适的积件，避免对多媒体素材的重复加工，从而可以使教师很容易地进行有特色的多媒体课件制作，能够让教师在教学活动中真正做到以不变（积件）应万变（教学实际），保障教师个性与创造性的充分发挥。

二、机械制造基础积件库系统的构建

1.积件库的构建原则

积件库的构建应采用开放式设计：开发一个较完善的积件库的工作量是非常大的，由一个教师来完成是不现实的，必须由几位教师或一个教学团队的通力合作才能完成，还可以几个高校联合，集各校资源优势进行积件库开发，这就要求积件库采用基于网络的开放式设计，便于教师对积件的补充和修改。

积件库应具有相对的独立性：机械制造基础积件库构架方式可以根据机械知识内容编排，不按某一种教材目录或顺序来安排，这样积件能脱离教材版本的约束，不会因为教材不同无法使用，可以更灵活地应用于课堂，适应性也更强。

积件库的积件应具有不变性：积件应以各个知识点为单位来进行设计，它的内容可以是讲述一个概念、一个定理，或者是一个实验过程、一个加工过程等。无论课程体系如何变化,教材版本如何变化，只要知识点不变，积件都可被师生应用于当前教学活动中。

积件库的积件应具有代表性：积件的设计与制作应认真考虑，一个积件要能代表一个知识点，并能完善合理、形象生动地描述这个知识点，利于学生的接受和理解。

2.机械制造基础积件库系统的结构

机械制造基础积件库系统主要由积件库、辅助资源库、积件库管理系统三部分组成，其中积件库根据该课程的知识内容编排，将积件库分成金属材料及热处理、公差配合与技术测量、金属切削原理与刀具、金属切削机床、机械制造工艺学、机床夹具设计等六大模块，每个模块下又分许多子模块，子模块由若干积件积累而成。辅助资源库包含习题库、优秀课件、教学策略、背景、图案、网络资源等，积件库管理系统主要用来完成教师或学生等用户管理、积件库维护、积件使用查询等。结构如图1所示。

3.机械制造基础积件库开发和使用工具

积件库由众多代表不同知识点的积件积累而成，积件库的开发实际就是对机械制造基础中大量的图形、图像、视频、动画、声音、文本、图表等素材进行收集、处理和制作，将这些多媒体素材按知识点的表述要求制作成各类合适的积件，然后按积件库的构架进行归类整理；另外积件库要基于网络平台来构建，方便团队的协同开发、管理和使用。

积件主要有图形图像、动画、视频等几种形式，积件的设计与制作可采用以下几种方法来进行：

对于有些积件，如各种机床、刀具、附件的类型和结构等需要用图形图像来表达，可以先通过互联网、企业宣传图册、企业现场实物照片等途径收集素材，然后使用Photoshop和Cordraw等软件来进行制作，前者适合在图像上添加文字说明，或调整图片大小、统一背景等，而后者可以将图像的光栅图片处理成矢量图，生成的矢量图容量小，便于制作Flash动画。

有些积件，如机床运动、机械加工原理、加工方法等积件需要大量的动画来实现，三维动画制作可利用三维机械造型软件进行机床主要部件、刀具、工作台等实物的三维造型，然后分别导入到三维动画制作软件进行运动轨迹设计，最后渲染生成三维动画文件，常用的三维造型软件有Solidwork、Unigraphics、Pro/E等，三维动画制作软件可选用3DMAX，其功能强大，使用方便，上手很快，文件可保存成avi格式或swf格式，方便用户下载。

另外有些积件，如各类量具的使用、加工实例等用视频来表达效果会更好，视频具有现场感和真实感，积件库中的各种加工实例用视频来再现生产加工过程，可以使学生获取的感性知识更为直接和牢固。视频的采集可以通过数码摄像机到机械加工现场拍摄获得，再用专业软件（如超级解霸、Premiere等）剪辑加工成教学所需的视频文件。视频文件一般为wmv、mepg或avi等格式，使用中一定要注意不论何种视频文件，都会占用很大的磁盘空间，可以使用“Windows Media编码器”进行压缩处理。

三、以机械制造基础积件库为平台的多媒体课件特点

1.课件制作难度降低，灵活性加强，课件质量得到提高

通常，一个课件制作的工作量主要在于素材的收集和处理，而这些工作如果由一个老师来完成，难度是相当大的。积件库开发以后，课件制作的重点主要在于根据教材、章节的内容选择合适的积件，教师可依据自己擅长的教学方法和方式来进行教学设计，而不必对素材进行再加工，工作量和制作难度大为降低，教师可将精力放在如何去灵活组织课堂教学，充分发挥教师的个性与创造性，课件质量可以得到大幅度提高。

2.能比较方便地实现动态交互

机械制造基础课程教学的特点就是互动性强，不同的教学班级，不同的教学对象，参与课堂或金工实习交流的学生不同，针对学生的反映，教师的教学节奏及教学流程也应作适当调整，这就需要动态交互。动态交互就是为更好地配合教学，更好地调动学生的学习主动性和积极性，在课件中加入的一种引导。任课教师可根据每次课或实践中发现的问题，根据学生的具体情况灵活设计和使用课件，在每个可能的互动点设置链接按钮，根据教学需要，实时链接具有针对性的积件或PPT小程序，便能进入各种不同的动态互动环境，大力调动学生的学习积极性和主动性，使学生积极参与教学活动，学会学习，学会创新。

3.采用了大量的教学动画积件，课堂教学形象生动，学生易于理解和接受

在机械制造基础课程中，有许多概念和原理是比较抽象的，仅靠形象和想象对初学者来说是不易理解和掌握的，但利用多媒体教学动画就能较好地解决这一难点。如在讲各种加工原理方法、机床传动结构、夹具结构时，传统教学都是教师利用挂图或图片进行分析，学生很难想象，任教师巧舌如簧，费了许多口舌，学生往往还是一知半解。如果把各种机床、夹具的组成、装配和运动，利用动画形式进行演示，再配以实物图片，其原理、构造和运动会一目了然，这既降低了教学难度，学生容易掌握，教学质量也会得到很大的提高。

4.嵌入大量的实践教学视频，可根据不同的实践或实习教学要求，进行实时讲解

积件库收集和制作了大量的工程材料、铸造、锻压锻造、冲压、非金属材料成形、快速成形、逆向工程、焊接、测量、钳工、车工、铣工、刨工、磨工、齿轮加工、CAD、CAM、数控加工、特种加工等现场教学视频，与课程教学和实践教学内容有机地组合在一起，教师可根据不同的教学或实习要求，播放教学视频，实时进行讲解，使教学置身于一个浓缩的生产环境之中，使学生如临生产现场。分段精选的教学视频，短小精悍，既避免了电视教学片的冗长和重复，又与教师讲课内容有机组合，有利于学生将自己的实习经验和课本理念融合于视频之中进行知识构建。

5.用动画、视频、图片模拟真实的实习环境，可代替许多演示性实验或实习

课件中采用了大量的动画、图片和教学视频，用多种媒体形式再现生产现场和实习现场，一些演示性的实习内容完全可以用机械制造基础理论与实践多媒体课件替代。如许多测量工具的使用、特种铸造方法、压力加工、新工艺、特种焊接、特种加工、快速成形等，一般学校不可能将所有的仪器设备配备齐全，这是不现实的，也是不科学的，我们可用多媒体形式模仿实验或实习环境，在节省设备的投资情况下同时使实践教学跟上工艺和设备的发展，达到较好的实践教学效果。

四、结束语

积件思想是我国学校多媒体辅助教学发展的新思维，它改变了教学软件的设计、开发与使用相互割裂的局面，根据这种思想构建的机械制造基础积件库具有直观性、灵活性、动态性和开放性等特点，以积件库为平台的多媒体课件更具有优势和特色，必将为机械制造基础的课堂教学注入新的活力，可以进一步扩大课堂教学的空间，提高学生学习兴趣，减轻学生学习负担，更有利于发挥学生的主体作用，提高学生素质。

参考文献：

[1]郑小军,王屹,卢文华.论多媒体CAI课件(积件)开发的模式和多媒体素材库(积件库)的规划与建设[J].电化教育研究.2000,(9).

[2]陈建新.CAI课件的新构想——积件式课件[J].计算机教与学,2003,(2).

[3]姚孟君.计算机辅助教学的发展——从课件到积件[J].现代教育技术,2002,12（1）:21-23.

[4]张连明.多媒体素材库的设计与实现[J].中国电化教育,2002（1）:15-17.

[5]陈淑燕,林美华,罗小彬.一种CAI积件系统的设计与实现方法[J].计算机工程,2003,29（1）:245-246.