基于3D打印技术的新工科“工程图学”课程体系建设
杨磊张聪陈云
［摘要］立足于新工科背景，总结当下“工程图学”课程的教学现状，探讨将3D打印技术融入“工程图学”课程教学，并结合三维建模与大学生各类竞赛，共建“工程图学”课程教学体系。通过在“工程图学”课程教学过程中，增加3D打印技术中的三维建模、打印以及实物模型观测等环节，讲解其原理并让学生实际操作，调动学生的学习热情并提高学习专注度，使其深入理解工程图学的知识要点。此外，可以引导学生利用3D打印技术参与竞赛，达到以赛代练的目的。同时，结合3D打印技术提出将工匠精神融入课程思政。
［关键词］新工科；工程图学；3D打印技术；课程建设；课程思政
［基金项目］2020年度教育部产学合作协同育人项目“面向新时代3D打印课程的建设”（202002232004）
［中图分类号］G642.0［文献标识码］A［文章编号］1674-9324（2023）18-0149-04［收稿日期］2022-02-18
“工程图学”是所有工科类专业的一门必修基础课程，其目的在于教授学生阅读和绘制图样。然而由于该课程的理论知识比较抽象，并且实际绘图过程十分考验学生的空间想象力，因此该课程一直是工科学生“又爱又恨”的一门课程。
我国现代工程图学是在1963—1980年期间形成的，并在1980年之后得到了飞速的发展［1］。目前“工程图学”教学的基本思路是利用多媒体手段让学生学会识图、绘图等基本技能，该理念在近40年里得到了不断的发展。然而，随着我国工业水平的不断发展，传统教学方法难以满足学生对于图形知识的需求。此外，学生在学校学习的知识也难以达到企业对于工程人员的要求。本文旨在通过“工程图学”的新型教学方法，探索新工科“工程图学”课程体系建设，并在此基础上讨论3D打印技术在“工程图学”课程体系中的作用。
一、“工程图学”课程现状
（一）制造业发展对“工程图学”的要求
随着我国制造业的蓬勃发展以及设计软件的更新，机械设计及工程人员的看图识图方式已从20世纪80年代前的手工绘图，发展到计算机二维图纸，再到现在的三维图形［2］。尽管二维图纸在工程中至关重要（其中的图纸信息包括各种公差、配合、工艺等），但是通过三维模型可以更加直观地传递设计者的思想，并且三维模型也更容易应用于实际加工中。以铣削为例，现代的数控铣削只需导入三维设计模型即可自动生成铣削路径，因此图样这种工程界的语言不再局限于二维图纸，而更多的是直观的三维模型和三维标注。
（二）高校课程现状
目前高校“工程图学”课程的教学仍以二维图纸的识图和绘图为主，考试内容也仅局限于手工绘图，较少涉及计算机辅助绘图和三维建模。此外，根据中国图学学会图学教育专业委员的调查研究，我国高校“工程图学”的课时在不断缩减［3］。以武汉理工大学交通类专业为例，“工程图学”课程学时为56个，上机学时为16个。在如此短的时间内要学会并理解机械制圖中的众多知识点，并训练出良好的空间想象力是非常困难的。根据学生的反馈，工程制图的学习呈现两极分化的趋势。部分空间想象力强的学生表示该课程在教师的引导下很容易学习，然而空间想象力较弱的学生则难以理解工程图学中抽象的空间曲线和立体图形的表达。
（三）教学方法改革现状
针对“工程图学”教学过程中的问题，国内学者提出了许多教学改革方法，目前应用较多的是线上线下混合式教学法，该方法通过建立以MOOC平台为代表的线上教学资源，解决了学时数有限、课外实践欠缺等难题，通过线上线下混合式教学法优化教学资源［4］。此外，有学者提出小规模限制性课程改革方法［5］。该方法利用SPOC课堂“小”的优势，提高了教师和学生交互的次数，这很好地弥补了课时不足的缺陷。以上改革均是从优化教学资源着手，但未能深层次地激发学生的兴趣，部分学生线上课程挂机现象明显，因此仍存在积极性不高的问题。
根据工程制图教学改革实践的调研结果，随着3D打印技术的发展，有学者开始思考将3D打印技术应用于课堂教学中［6］。根据卢帅等［7］人的应用探索，通过将3D打印技术引入“工程图学”课程教学，有利于培养学生主动学习的能力，调动学生的主动性，学生成绩合格率较以往提高了15%左右。本文拟探讨将3D打印技术融入“工程图学”教学中，并结合三维建模与大学生的各类竞赛，共同建立“工程图学”教学体系。
二、基于3D打印技术的新工科“工程图学”课程体系
3D打印，又称增材制造，该技术将离散材料（流态、丝状、粉末状）逐层添加在一起，并连接或固化成三维实体，给航空航天、制造业、生物医疗等行业带来了深刻的影响。如图1所示，3D打印技术是将三维模型离散切片并逐层叠加形成三维实体，是一种“三维—二维—三维”的过程，其与“工程图学”点、线、面、体的教学方法具有一定的联系，将3D打印技术融入课堂教学，特别是工程