《3D打印技術(shù)》課程教學(xué)項(xiàng)目的開發(fā)與實(shí)施

朱慧霞

一、引言

3D打印技術(shù)作為一種快速成形技術(shù)，于最近兩年開始流行，廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的各個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中。但3D打印目前處于初步發(fā)展階段，國內(nèi)針對(duì)學(xué)生的教材不完整，教育方案不夠系統(tǒng)化，師資力量緊張，配套設(shè)備比較昂貴。為了跟上時(shí)代發(fā)展的潮流，各中職學(xué)校克服困難，創(chuàng)造條件，紛紛開設(shè)3D打印技術(shù)課程，普及3D打印技術(shù)。

湛江機(jī)電學(xué)校作為地方中職龍頭學(xué)校，于2014年投入資金購買了基礎(chǔ)型3D打印桌面機(jī)，選派教師到企業(yè)學(xué)習(xí)3D打印技術(shù)，解決了師資、設(shè)備等問題。2015年在模具制造技術(shù)、數(shù)控技術(shù)應(yīng)用、機(jī)電技術(shù)應(yīng)用等專業(yè)開設(shè)《3D打印技術(shù)》選修課，我們?cè)谡n程教學(xué)內(nèi)容的選擇、教學(xué)項(xiàng)目的開發(fā)以及教學(xué)過程的組織與實(shí)施方面做了一些探索與實(shí)踐，本文通過具體案例講述了筆者在《3D打印技術(shù)》課程教學(xué)項(xiàng)目的開發(fā)、實(shí)施等方面所做的探索與實(shí)踐，并展示了教學(xué)成效。

二、教學(xué)項(xiàng)目的開發(fā)與研究

為了選擇適合中職學(xué)生的課程教學(xué)內(nèi)容，我們先對(duì)3D打印的原理及工作過程進(jìn)行了研究和分析。

1.3D打印的原理

傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法是“減材制造”，在其制造過程中材料逐漸減少；鍛造、鑄造、粉末冶金等熱加工方法，可粗略地看作是“等材制造”；3D打印則屬于“增材制造”，通過一層層地累加材料最終達(dá)到物體的成形。3D打印機(jī)就是可以“打印”出真實(shí)3D物體的一種設(shè)備，功能上與激光成型技術(shù)一樣，采用分層加工、疊加成形，即通過逐層增加材料來生成3D實(shí)體。稱之為“打印機(jī)”是參照了其技術(shù)原理，因?yàn)榉謱蛹庸さ倪^程與噴墨打印十分相似。

2.3D打印的工作流程

3D打印是利用設(shè)計(jì)產(chǎn)品的3D數(shù)據(jù)，采用分層、疊加成形的原理進(jìn)行打印，其工藝流程一般分為三維建模、數(shù)據(jù)分割、3D打印、后處理四步（如圖1所示）。

（1）三維建模

三維建模是3D打印的基礎(chǔ)，即在打印之前需在三維軟件中對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行建模，因此3D打印需計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）技術(shù)的參與。建模過程可使用AutoCAD、Mastercam、Pro/E、UG、Solidworks等主流軟件完成，需注意的是在整個(gè)建模過程中產(chǎn)品尺寸要準(zhǔn)確無誤，打印機(jī)是嚴(yán)格根據(jù)這些數(shù)據(jù)來控制產(chǎn)品最終外形的。

（2）數(shù)據(jù)分割

數(shù)據(jù)分割是將建好的模型數(shù)據(jù)導(dǎo)出為.stl或者.obj（這兩者是世界通用的中間交換格式），再將中間格式的.stl或者.obj文件載入切片軟件（當(dāng)前通用的切片軟件有cura，make bot，Xbulider，Repetier host等）中，進(jìn)行切片操作，即生成打印機(jī)能識(shí)別的數(shù)據(jù)流格式文件（.gcode或者.x3g.s3g等格式），從而指導(dǎo)打印機(jī)逐層打印。

（3）3D打印

通過SD卡或者U盤把.gcode格式文件拷貝到3D打印機(jī)中，進(jìn)行對(duì)應(yīng)的物理打印參數(shù)的設(shè)置（不同打印機(jī)物理參數(shù)設(shè)置不同），打印機(jī)就可以把它們打印出來。打印機(jī)通過讀取文件中的橫截面信息，用合適的材料將這些截面逐層地打印出來，再將各層截面以各種方式粘合起來從而制造出一個(gè)實(shí)體。

（4）后置處理

三維打印機(jī)的分辨率對(duì)大多數(shù)應(yīng)用來說已經(jīng)足夠（在彎曲的表面可能會(huì)比較粗糙，像圖像上的鋸齒一樣），要獲得更高分辨率的物品可以通過如下方法：先用當(dāng)前的三維打印機(jī)打出稍大一點(diǎn)的物體，再稍微經(jīng)過表面打磨即可得到表面光滑的“高分辨率”物品。有些技術(shù)可以同時(shí)使用多種材料進(jìn)行打印，有些技術(shù)在打印的過程中還會(huì)用到支撐物，打印完成后需要去掉支撐物及表面毛刺等。

3.3D打印校本教材

基于以上研究與分析，根據(jù)我校實(shí)訓(xùn)條件及學(xué)生知識(shí)儲(chǔ)備，編寫了基于3D打印工作過程的校本教材《三維建模與3D打印》（教材目錄見圖2）。

教學(xué)內(nèi)容及項(xiàng)目的選用以完成一個(gè)完整作品為主線，由淺入深地設(shè)置層次遞進(jìn)的項(xiàng)目。作品實(shí)用又有趣，有利于調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性；任務(wù)由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，有利于學(xué)生克服畏難情緒，一開始就能感受成功的喜悅；不斷上升的難度能持續(xù)引起學(xué)生的關(guān)注，將學(xué)習(xí)進(jìn)行到底。

三、教學(xué)方法的選擇與確定

開設(shè)本課旨在讓學(xué)生了解制造前沿新技術(shù)，跟上時(shí)代發(fā)展的潮流。通過項(xiàng)目教學(xué)，幫助學(xué)生了解實(shí)際工作的思維路徑，獲取三維建模與3D打印技術(shù)的實(shí)際操作技能。

本課程是我校模具制造技術(shù)、數(shù)控技術(shù)應(yīng)用、機(jī)電技術(shù)應(yīng)用等專業(yè)的專業(yè)選修課，二年級(jí)下學(xué)期開設(shè)，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了AutoCAD、Mastercam等計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，對(duì)三維建模及加工制造比較感興趣。學(xué)校建有專門的模具設(shè)計(jì)與3D打印實(shí)訓(xùn)室，配置72臺(tái)學(xué)生用計(jì)算機(jī)、15臺(tái)套桌面型3D打印機(jī)（可計(jì)算機(jī)驅(qū)動(dòng)，也可SD卡驅(qū)動(dòng)），可以使用多媒體教學(xué)平臺(tái)教學(xué)。

依據(jù)教學(xué)目標(biāo)及學(xué)生學(xué)情，努力實(shí)踐“教、學(xué)、做”合一的項(xiàng)目化教學(xué)模式，主要采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)法、演示法、合作學(xué)習(xí)法等。項(xiàng)目一應(yīng)以講授為主，可配以相關(guān)內(nèi)容的教學(xué)視頻、動(dòng)畫演示、教學(xué)PPT等，并通過提問、書面作業(yè)等形式鞏固課堂知識(shí)；項(xiàng)目二、三、四則主要使用任務(wù)驅(qū)動(dòng)法，以學(xué)生為學(xué)習(xí)主體，教師為主導(dǎo)，讓學(xué)生帶著任務(wù)分析思考，通過學(xué)習(xí)互助完成作品的設(shè)計(jì)制作，再通過優(yōu)秀作品展示評(píng)講，引導(dǎo)學(xué)生自我評(píng)價(jià)，修改完善作品，培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)與精益求精的工作態(tài)度。

《3D打印技術(shù)》課程教學(xué)項(xiàng)目的開發(fā)與實(shí)施

四、項(xiàng)目教學(xué)的組織與實(shí)施

我們對(duì)每一個(gè)項(xiàng)目都進(jìn)行了精心的教學(xué)設(shè)計(jì)，并據(jù)此進(jìn)行教學(xué)組織與實(shí)施。這里以“項(xiàng)目三：走進(jìn)3D打印體驗(yàn)館——吉祥掛件的設(shè)計(jì)與制作”為例進(jìn)行介紹。

根據(jù)教學(xué)設(shè)計(jì)，做好充分的課前準(zhǔn)備。制作教學(xué)資源文件（如圖3所示），撰寫了工作任務(wù)書、參考案例、靈感圖例等，旨在讓學(xué)生明白他們?cè)谡n堂上要做什么、怎么做；制定工作過程記錄表、學(xué)習(xí)過程評(píng)價(jià)表、作品展示評(píng)價(jià)表等，要求學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中按要求填寫并上交，引導(dǎo)學(xué)生自學(xué)、自評(píng)、互評(píng)，從而督促學(xué)生完成課堂任務(wù)。采用分組教學(xué)，根據(jù)班級(jí)人數(shù)（60人）及實(shí)訓(xùn)設(shè)備數(shù)量（15臺(tái)打印機(jī)），將學(xué)生分成4人一組，獨(dú)立設(shè)計(jì)，輪流打印，提高課堂學(xué)習(xí)效率。準(zhǔn)備好教學(xué)設(shè)備，檢查電腦及打印機(jī)是否能正常工作，安裝打印材料，保障教學(xué)正常進(jìn)行。

教學(xué)過程從“創(chuàng)設(shè)情景，導(dǎo)入任務(wù)”→“解析任務(wù)，層層推進(jìn)”→“合作探究，完成任務(wù)”→“交流賞析，體驗(yàn)美好”→“自我完善，體驗(yàn)成功”等多個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，循序漸進(jìn)的學(xué)習(xí)讓學(xué)生能力一步步提升。把教學(xué)總?cè)蝿?wù)由淺入深分解為6個(gè)子任務(wù)（以“囍”字掛件的設(shè)計(jì)與制作為例）：繪制“囍”字線架→創(chuàng)建“囍”字實(shí)體模型→輸出“囍.STL”模型文件→裝載“囍.STL”模型文件切片→生成并保存GCode→打印“囍”字掛件，清晰的指引讓學(xué)生像玩游戲一樣過關(guān)斬將，輕松完成作品的制作。

由于打印機(jī)數(shù)量有限，為了提高課堂學(xué)習(xí)效率，還安排了拓展任務(wù)：要求每位學(xué)生在打印操作間隙自主設(shè)計(jì)3個(gè)以上不同創(chuàng)意的作品，挑選最滿意的作品進(jìn)行創(chuàng)意闡述，制作作品展示文檔，既培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力，又鍛煉學(xué)生綜合運(yùn)用多學(xué)科知識(shí)的能力。

五、教學(xué)成果的展示與分析

我們將作品評(píng)價(jià)貫穿于項(xiàng)目教學(xué)全過程，通過自我評(píng)價(jià)、優(yōu)秀作品賞析、缺陷作品分析等引導(dǎo)學(xué)生分組討論、互相學(xué)習(xí)、互相評(píng)價(jià)，進(jìn)行思維大碰撞，激發(fā)學(xué)生的好勝心，滿足他們自己動(dòng)手完成任務(wù)并最終制作出精美作品的心理需求。這里仍以“項(xiàng)目三：走進(jìn)3D打印體驗(yàn)館——吉祥掛件的設(shè)計(jì)與制作”為例進(jìn)行介紹。

1.自我評(píng)價(jià)

每人以最佳作品為例進(jìn)行過程評(píng)價(jià)，填寫自評(píng)資料。邊操作邊記錄，完成“工作過程記錄表”；認(rèn)真思考，撰寫“作品展示評(píng)價(jià)表”；客觀公正進(jìn)行自我評(píng)價(jià)，填寫“學(xué)習(xí)過程評(píng)價(jià)表”。

2.優(yōu)秀作品賞析

對(duì)于優(yōu)秀作品（如圖4所示）的賞析，采用組內(nèi)互評(píng)+組間互評(píng)+教師點(diǎn)評(píng)的方式進(jìn)行。

（1）通過組內(nèi)互評(píng)，選出本組完成最好的設(shè)計(jì)模型及打印作品。

（2）每組派代表展示本組完成最好的設(shè)計(jì)模型及打印作品，并進(jìn)行創(chuàng)意說明。

（3）教師點(diǎn)評(píng)，組間互評(píng)，進(jìn)一步升華完善作品。

3.缺陷作品分析

對(duì)有明顯缺陷的作品（如圖5所示），要及時(shí)跟蹤，發(fā)現(xiàn)問題，提出改進(jìn)意見，這樣有利于學(xué)生進(jìn)一步完善。

六、結(jié)束語

最早的課堂里，學(xué)生只能坐著聽，多媒體技術(shù)出現(xiàn)后，許多教學(xué)內(nèi)容變成可視的，3D打印技術(shù)引入后，教學(xué)內(nèi)容將變成可觸的。由于3D打印技術(shù)能實(shí)現(xiàn)虛擬世界與實(shí)體世界的有機(jī)結(jié)合，3D打印機(jī)進(jìn)校園將使得學(xué)生在創(chuàng)新能力和動(dòng)手實(shí)踐能力上得到訓(xùn)練，將學(xué)生的創(chuàng)意、想象變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，將極大發(fā)展學(xué)生動(dòng)手和動(dòng)腦的能力，從而實(shí)現(xiàn)學(xué)校培養(yǎng)方式的變革。3D打印作為一門新的實(shí)踐型課程，課程標(biāo)準(zhǔn)、教材、培養(yǎng)方案、教學(xué)資源等還有待于完善、規(guī)范，我們將在教學(xué)實(shí)踐中不斷摸索，為培養(yǎng)高素質(zhì)人才貢獻(xiàn)一份力量。

責(zé)任編輯何麗華