基于VR技术和3D打印相结合的机械类课程教学改革探讨

［摘 要］ 随着机械行业的迅猛发展和计算机技术的不断进步，机械类专业课程的教学方式亟须改革，以适应时代潮流并提升教学效果。以“机械制造装备设计”课程为研究对象，探讨了利用虚拟现实技术（VR）和3D打印技术的结合，对教学模式进行改革的可行性和必要性。具体而言，提出了利用这两种先进技术的措施，以促进学生对机械结构的直观理解、加强理论与实践的融合、教学内容创新等。这些举措旨在激发学生的学习兴趣，拓展教学内容，提高教学质量，从而更好地满足当下机械设计教育的需求。

［关键词］ VR技术；3D打印；机械制造装备设计；教学改革

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）31-0089-04 ［收稿日期］ 2023-12-16

引言

在当今快速发展的科技时代，机械行业作为工业化进程中的重要组成部分，正处于日新月异的更新迭代之中。随着现代科技的发展，虚拟现实技术（VR）和3D打印技术逐渐成为机械产品研发中的利器，为其带来了前所未有的创新和发展机遇［1-2］。而我国的现代化进程更是离不开工业化，而工业化的核心之一便是机械工程专业学科的不断发展与进步。在这个背景下，“机械制造装备设计”这门课程作为机械专业的基础课程之一，承担着培养学生掌握机械装备设计基础知识、提升技能水平、激发兴趣与潜力的重要使命，同时为国家培养了大量具备工程实践能力的高素质人才，为实现制造强国战略贡献了力量［3-5］。

VR技术作为一种创新的技术手段，为用户提供了一种全新的沉浸式体验。通过计算机生成的虚拟环境，用户可以身临其境地感受到与真实世界几乎无异的体验。这种技术不仅可以应用于娱乐和游戏领域，还可以在教育和培训中发挥重要作用［6-7］。而3D打印技术作为一种革命性的制造技术，可以将设计概念直接转化为实体模型，为设计师和工程师提供了前所未有的便利和灵活性［8-9］。这种技术不仅可以加快产品开发周期，降低生产成本，还可以促进创新和个性化定制。因此，将VR技术和3D打印技术应用于“机械制造装备设计”课程的教学中，不仅可以为学生提供更加直观、生动地学习体验，激发他们的学习兴趣，也可以加强他们的动手能力和创造力。通过与实际操作相结合，学生可以更深入地理解机械结构原理，提高机械装备设计和制造能力。这种教学模式的创新，不仅有助于提高教学质量，也能够更好地满足当今机械类课程教育的需求，培养更多具有实践能力和创新精神的优秀人才，为机械行业的发展注入新的活力。

一、“机械制造装备设计”教学现状

“机械制造装备设计”是机械专业的重要基础课程，涵盖了金属切削机床的总体设计、机床传动设计、主要部件设计、组合机床设计、专用刀具设计以及机床夹具设计等多个方面。这些内容构成了学生在机械制造领域必备的核心知识体系。然而，要想真正掌握这门课程，仅靠理论知识是远远不够的，更需要将理论知识与实际工程实践相结合。

传统的线下教学模式存在一些不足之处，如课程学时有限、内容繁多，往往难以覆盖所有细节。课堂上的教学方式单一，通常是教师通过宣讲的形式将课本上的知识点灌输给学生，导致课堂教学显得枯燥乏味，学生难以理解和消化。即使是在如今广泛使用多媒体教学形式的情况下，将书本知识转化成文字、二维图像等形式来展示，也往往不能很好地让学生与各种机械结构进行直观的接触与观察，这给学生的理解和学习效果都带来了挑战。理论与实践脱节，传统的教学模式往往过于侧重于理论知识的传授，而缺乏实践操作的机会。学生学习了大量的理论知识，但在实际应用中可能无法灵活运用。因此，理论与实践之间存在一定程度的脱节。教学资源不足，由于机械制造装备设计涉及大量的设备和工具，一些学校可能无法提供充足的教学资源和实验设备。这导致学生缺乏实际操作的机会，限制了他们的学习效果。学科交叉不足，机械制造装备设计涉及多个学科领域的知识，包括机械工程、材料科学、电气工程等。然而，在教学中可能缺乏学科交叉的教学内容和资源，影响了学生全面理解和应用知识的能力。缺乏实践机会，教学计划可能无法为学生提供足够的实践机会，例如实习、项目实践等。这使得学生缺乏与真实工程项目接触的机会，无法将理论知识与实际工程实践相结合。

二、VR技术、3D打印在“机械制造装备设计”教学中的应用

将虚拟现实技术和3D打印技术相结合应用于机械类课程教学中，可以为学生提供更为直观、生动、丰富的学习体验，提高他们的学习兴趣和效果，也能够提高学生的动手能力和创造能力。

（一）VR技术的应用

在进行复杂抽象的教学内容时，如机械制造装备设计中的一些机械结构，由于学生空间想象力不够，并且接触机械设备经验不足，无法在脑海中构建出具体的三维模型，可以通过虚拟现实技术，制作虚拟机械实验。利用虚拟现实技术，可以将机械实验制作成虚拟实验，让学生通过VR设备进行体验，比如机械零件的装配和运转模拟，机械原理的运动过程模拟等。通过虚拟实验，学生可以更加直观地了解机械原理和结构，加深对机械知识的理解和认识。此外，还可以通过虚拟现实技术，制作虚拟操作界面。利用虚拟现实技术，可以将机械操作界面制作成虚拟界面，让学生通过VR设备进行体验，比如机床操作界面、数控系统操作界面等。这种方法可以让学生更好地理解机械操作和控制，提高学生的实际操作能力。

（二）3D打印技术的应用

通过课堂上引入3D打印技术开展综合性教学项目来培养学生发现问题、解决问题的能力。可以通过3D打印技术，制作真实的机械模型。使用3D打印技术，可以将机械部件和结构制作成真实的模型，让学生通过触摸和组装进行体验。这种方法可以帮助学生更加深入地了解机械结构和原理，也能够提高学生的动手能力和创造能力。学生可以通过自己的动手实践，更好地理解机械结构和原理。

（三）VR技术与3D打印技术相结合

将VR技术和3D打印技术相结合，设计虚拟机械实验。通过虚拟现实技术制作虚拟机械实验，并使用3D打印技术将虚拟实验中的部件制作成真实的模型，让学生进行组装和操作。这种方法可以将虚拟实验和真实操作结合起来，使学生更好地理解机械原理和实际操作，也可以提高学生的学习兴趣和效果，增强了学生的动手能力和创造能力。除此之外，VR技术和3D打印相结合还可针对特定的机械结构来创新、改革课程的教学内容，改变传统教学内容及方式一成不变、毫无新意的现状，改变枯燥的教学模式，提升学生的学习兴趣，增强学生的学习能动性，大幅提升教学效果。

三、VR技术与3D打印技术相结合的“机械制造装备设计”教学改革的具体措施

为了提高学生的学习兴趣，培养学生的动手能力和合作精神。任课教师可以引入VR技术，在教学过程中使用VR技术，为学生提供逼真的虚拟环境，使学生能够在虚拟场景中进行实践操作，并体验不同制造装备的动态表现和工作原理。

（一）教学方式改革

学生在虚拟环境中了解各种装备基础原理之后，授课教师将3D打印技术纳入教学内容中，让学生了解3D打印的基本原理和应用，同时让学生能够使用3D设计软件进行模型设计，并通过3D打印机将设计的模型打印出来，真正做到把抽象的概念和设计带到现实生活中，给枯燥无味的课程增添乐趣。除此之外，教师应该鼓励学生参与课外实践项目，如设计和制造自己的机械装备模型，并利用VR技术和3D打印技术进行模型的优化和制造，培养学生的实践能力和创新能力。

根据VR技术和3D打印技术相结合的教学改革需要，授课教师也应该改变评价体系，更注重对学生的实践能力和创新能力的考核，同时开展学生对于教学改革的反馈和评估，而不是以考试成绩来评定学生的成绩，从而不断改进教学方法和内容。

（二）教学示例

以成形车刀为例：成形车刀是一种专用刀具，一般需要根据工件的轮廓形状进行专门的设计和制造，主要用在卧式车床、转塔车床、自动车床上加工内、外回转成形表面。

1.教师为学生提供相关的基础教学和指导，在课堂上教授他们如何使用VR设备和3D打印机，以及相应的设计软件。在学生有了一定的基础知识储备之后，可以使用VR设备，用VR技术模拟线下名师教学场景，在虚拟教师的带领下让学生穿越到成形车刀的制作场景当中，学生能够沉浸式地感受到车刀的制造过程，还原真实工厂的流水线工作。此外，在虚拟系统中，对学生进行一对一教学，进行教学、互动、问答，能避免时间上的浪费，让学生在有限的学时中学到更多的知识。在学生进行理论学习的基础上，使用VR设备模拟知识的真实场景，创建模拟的成形车刀制造环境和使用环境，使学生能够身临其境地进行实际操作和实验，学生可以通过虚拟现实技术模拟机械设备的组装、操作和维护，提高他们的实践能力。

2.在教学实验室中配备3D打印机，并提供相应的设计软件，让学生利用3D打印技术快速将想法转化成现实，让学生能够将自己设计的成形车刀模型进行打印和制造。学生可以通过这种方式实际参与到成形车刀制造的过程中，让他们切实体会到机械制造的过程，从而提高他们的设计和创新能力。

教师可以布置小组合作任务，设计虚拟实验和3D打印技术相结合的小组作业。以成形车刀为例，首先，学生可以在虚拟环境中进行确定刀体结构、选择前角和后角、截形设计、成形车刀的样板设计等四个环节。然后绘制三维模型，利用3D打印技术将小组设计的车刀制造出来，如图1所示。从设计到生产，通过实际操作来增强对机械制造装备设计的理解和掌握。利用虚拟现实和3D打印技术完成具体的机械制造装备设计任务。利用这两种技术，学生可以在早期就发现问题和缺点，对学习或研究过程中存在的问题进行纠正，还能及时得到教师的指导和帮助。同时，学生可以通过虚拟现实技术和3D打印技术，将课堂所学应用于实践，将自己在课堂上学到的知识运用于实际生活中。此外，还可以培养学生团队合作意识和创新能力，提高解决问题的能力，有一举多得的作用。

（三）加强课内外互动

除了上述教学流程，任课教师可以根据知识点，增加一些趣味性教学内容。比如制作一些相关的VR游戏，让学生在游戏中了解到机械结构和原理，使学生对其产生一定的兴趣，同时能让原本晦涩难懂的知识变得通俗易懂，让枯燥的课堂更加生动。知识与游戏相结合可以提升学习的趣味性和积极性，VR游戏可以增强学生沉浸度和互动度，从而进一步提升学习的积极性和效率。比如，有一个VR游戏，刚开始学生进入一个虚拟的生产车间，需要制造一个成形车刀，而这个刀具的制造方式和过程几乎与现实世界一模一样，唯一不同的是，在虚拟世界中一开始就会给学生一定数额的启动资金，让学生购买生产设备和招聘工人，然后把时间加速到现实中的几十倍，那么理论上来说，现实中需要几天才能完成的工作量，在十几分钟之内就能完成。如果学生能够顺利完成任务，并且通过系统验收，就相当于学生已经了解了车刀制造的整个过程。

结语

将VR技术和3D打印技术相结合应用于机械类课程教学中，可以为学生提供更为直观、生动、丰富的学习体验，提高他们的学习兴趣和效果，也能够提高学生的动手能力和创造能力。这是一种创新的教学方法和手段，能够为机械类课程教学带来新的思路和方法。同时，虚拟现实技术和3D打印技术的应用也能够促进机械类课程教学的转型和升级。传统的机械类课程教学以理论知识和书本知识为主，缺少实践环节，难以满足现代产业对高素质人才的需求。而将VR技术和3D打印技术引入机械类课程教学中，可以将理论与实践相结合，提高教学的实用性和针对性。同时，还能够激发学生的创新思维和实践能力，培养他们解决实际问题的能力，从而更好地适应未来工作和生活的需求，让他们在未来成为优秀的机械工程师。

参考文献

［1］黄仁泽.基于3D打印和VR技术的水轮发电机组教具设计［J］.现代制造技术与装备，2023（10）：39-43.