3D打印在產(chǎn)品設(shè)計(jì)教學(xué)中的層級(jí)應(yīng)用研究

鄭泳華

（漳州城市職業(yè)學(xué)院 文化藝術(shù)創(chuàng)意系，福建 漳州 363000）

一、前言

目前，被喻為人類世界的第三次工業(yè)革命的3D打印技術(shù)正受到社會(huì)各方的廣泛關(guān)注，而“互聯(lián)網(wǎng)+”科技發(fā)展戰(zhàn)略思想也正在倡導(dǎo)，包含制造技術(shù)與信息科技的智能制造模式正在深深影響整個(gè)制造業(yè)。3D打印技術(shù)是一種快速成型技術(shù)，利用粉狀、絲狀或片狀的塑料或金屬等材料，通過分層打印、逐漸疊加的方式來構(gòu)造三維物體。[1]3D打印技術(shù)逐步應(yīng)用于航空航天、工程建筑、機(jī)械制造、生物醫(yī)療、藝術(shù)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域，作為人才培養(yǎng)基地的教育領(lǐng)域也開始對(duì)其審視與關(guān)注。借助它，學(xué)生不僅可以享受到這種高新技術(shù)輔助教學(xué)的便利，還可以用全新的方法學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)技能，提高他們的技術(shù)素養(yǎng)并對(duì)他們未來的職業(yè)規(guī)劃產(chǎn)生一定的影響。鑒于此，本文先從3D打印技術(shù)在高校教學(xué)中的不利現(xiàn)狀入手，從層級(jí)論的角度重新審視3D打印技術(shù)，以功能應(yīng)用、思維應(yīng)用、情感應(yīng)用三方面，全方位地推進(jìn)3D打印技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)教學(xué)中的應(yīng)用效果。

二、3D 打印技術(shù)在高校實(shí)踐教學(xué)的應(yīng)用現(xiàn)狀

3D打印技術(shù)在高校教學(xué)中的推廣是一項(xiàng)龐大的系統(tǒng)工程，需要政府、企業(yè)和高校三方面共同努力，需要經(jīng)歷較長期過程。當(dāng)下還處于發(fā)展的初期，政府的宏觀規(guī)劃還未正式啟動(dòng)，教育系統(tǒng)中的3D打印技術(shù)發(fā)展處于無序狀態(tài)，各高校獨(dú)自研究，彼此間缺乏交流，同時(shí)高校間發(fā)展不平衡。[2]一方面，清華大學(xué)、華中科技大學(xué)、西安交通大學(xué)等多所知名高校在3D打印技術(shù)方面研究取得了長足的進(jìn)步，其激光直接加工金屬技術(shù)、生物細(xì)胞3D打印技術(shù)等已經(jīng)處于世界先進(jìn)水平[3]；另一方面，眾多普通的、中西部高校對(duì)3D打印技術(shù)的了解仍處于講座宣傳與理論學(xué)習(xí)階段，談不上應(yīng)用推廣。另外，各學(xué)科應(yīng)用情況也不相同。機(jī)械工程、數(shù)控技術(shù)、材料科學(xué)、生物工程等少數(shù)學(xué)科因與3D打印技術(shù)領(lǐng)域相關(guān)，擁有數(shù)字文件資料、機(jī)械制造知識(shí)與軟件建模能力而率先進(jìn)行嘗試，而其他學(xué)科因遭遇技術(shù)壁壘而望塵莫及，應(yīng)用難以展開。由此可見，目前3D打印教學(xué)應(yīng)用范圍比較有限。

更為甚者，3D打印教學(xué)應(yīng)用層次也不樂觀，以前述的機(jī)械工程、數(shù)控技術(shù)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)等學(xué)科為例。首先，與專業(yè)知識(shí)聯(lián)系不緊密，純粹“造物”的目的比較明顯。大多從網(wǎng)絡(luò)上直接下載模型文件，打印出來當(dāng)教具讓學(xué)生觀看與觸摸。其次，在3D打印教學(xué)中花費(fèi)大部分時(shí)間講授建模軟件，將軟件的使用凌駕于設(shè)計(jì)和造物之上。再次，學(xué)生跟隨式的學(xué)習(xí)，完全按照教師的制作步驟或范例完成作品建模與打印。如此任務(wù)式運(yùn)用，學(xué)生思考空間有限。

針對(duì)以上情況，我們有必要對(duì)3D打印技術(shù)進(jìn)行重新審視，深度挖掘其蘊(yùn)含的精髓。只有了解得更深，才能應(yīng)用得更廣、推廣得更好。

三、3D 打印技術(shù)的再認(rèn)識(shí)——層級(jí)論

宋代禪宗大師青原行思提出參禪的三重境界：參禪之初，看山是山，看水是水；禪有悟時(shí)，看山不是山，看水不是水；禪中徹悟，看山仍是山，看水仍是水。這段話講的是人生不同認(rèn)識(shí)階段與參悟。作為3D打印技術(shù)的使用者，筆者認(rèn)為認(rèn)識(shí)3D打印技術(shù)也要經(jīng)歷這樣的三層境界，學(xué)會(huì)從層級(jí)論的視角全方位、多角度地了解該技術(shù)。

（一）3D打印技術(shù)層級(jí)論

3D打印技術(shù)層級(jí)論認(rèn)為3D打印技術(shù)是有層次結(jié)構(gòu)的，認(rèn)識(shí)與掌握它分為三個(gè)系統(tǒng)層次，即“物”“根”“魂”，三者由低到高，由外而內(nèi)排列。教學(xué)要從基本的子概念、子技能出發(fā)，逐級(jí)向上，逐漸學(xué)習(xí)到高級(jí)的精神技能。[4]

1． “物”層面，反映3D打印技術(shù)的技術(shù)特征。3D打印技術(shù)上可打印飛機(jī)輪船，下可制作紐扣別針，材料上涵蓋塑料、陶土、金屬、木塑，形態(tài)上包括各式復(fù)雜曲面，多層面等，3D打印“物”性異常強(qiáng)大。

2． “根”層面，意旨3D打印技術(shù)附帶的思維品質(zhì)。它緣于現(xiàn)有的減型工藝對(duì)設(shè)計(jì)思維諸多束縛的不滿，力求將自由設(shè)計(jì)思維、批量定制思維、平臺(tái)服務(wù)思維、協(xié)作服務(wù)思維慢慢滲透于使用者腦中，3D打印之“根”源遠(yuǎn)流長。

3． “魂”層面，反映3D打印技術(shù)的精神意念。涵括層層相加理念、不斷打印、修正的驗(yàn)證理念、熔融沉積理念，這些理念易使人產(chǎn)生情感觸動(dòng)，誘發(fā)深刻思考。

（二）3D打印技術(shù)層級(jí)結(jié)構(gòu)與家具設(shè)計(jì)教學(xué)應(yīng)用情況之間的映射關(guān)系

映射關(guān)系分為三層面：有形的、“物”層面映射——關(guān)注3D打印技術(shù)的功能應(yīng)用方法；“根”層面映射——關(guān)注3D打印技術(shù)的思維應(yīng)用方式；“魂”層面映射——關(guān)注人在3D打印技術(shù)教學(xué)應(yīng)用中的感受與情感。3D打印技術(shù)與產(chǎn)品設(shè)計(jì)教學(xué)相互融合，映射出的關(guān)系圖如圖1所示，映射圖從理論上指導(dǎo)我們?nèi)绾卧诋a(chǎn)品設(shè)計(jì)教學(xué)中應(yīng)用3D打印技術(shù)，同時(shí)在應(yīng)用過程中充分研究與關(guān)注涉及元素，爭取將3D打印技術(shù)教學(xué)應(yīng)用全方位、多層級(jí)展開。

四、在產(chǎn)品設(shè)計(jì)教學(xué)中多層級(jí)、漸進(jìn)式地應(yīng)用3D打印技術(shù)

針對(duì)當(dāng)前3D打印技術(shù)教學(xué)應(yīng)用集中于打印原理的掌握、教具的打印與軟件的學(xué)習(xí)等初淺層次，本課題主要從3D打印技術(shù)的思維應(yīng)用與情感應(yīng)用等深層次入手，旨在為各同仁提供跨越物質(zhì)層面的有效參考。

圖1 3D打印與產(chǎn)品設(shè)計(jì)教學(xué)中應(yīng)用情況之間的映射關(guān)系

（一）功能應(yīng)用

此應(yīng)用著重把握3D打印技術(shù)如何與產(chǎn)品設(shè)計(jì)課程知識(shí)點(diǎn)的融合，帶領(lǐng)學(xué)生養(yǎng)成獨(dú)立思考，認(rèn)真探索的精神。

1． 制作經(jīng)典產(chǎn)品模型，并進(jìn)行細(xì)細(xì)品味

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)史的教學(xué)過程中，對(duì)于戰(zhàn)國床、圈椅等幾百年前出現(xiàn)的經(jīng)典產(chǎn)品（圖2），以多媒體圖片呈現(xiàn)顯得不夠生動(dòng)?？蓱?yīng)用3D打印技術(shù)打印相應(yīng)模型，讓學(xué)生從360度、全方位空間進(jìn)行觀察，從而能更直觀準(zhǔn)確地認(rèn)識(shí)產(chǎn)品形態(tài)和尺度。在此基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)作品形態(tài)與風(fēng)格進(jìn)行分析，探究形態(tài)的由來與內(nèi)涵，品味風(fēng)格的個(gè)性魅力。

2． 再現(xiàn)家具產(chǎn)品卯榫，創(chuàng)新家具連接方式

榫卯結(jié)構(gòu)復(fù)雜，種類繁多，但是不能隨便拆卸觀察，神秘感強(qiáng)烈。以往在講解該方面知識(shí)時(shí)，學(xué)生一臉朦朧，就算加上視頻觀看，學(xué)生也難以理解。通過導(dǎo)入3D打印，學(xué)生觀看制作的卯榫模型（圖3），并在教師引導(dǎo)下動(dòng)手組裝，學(xué)生興趣高漲。此后以分組的形式，讓學(xué)生建模一些復(fù)雜的卯榫部件，并不時(shí)進(jìn)行討論與研究，促使學(xué)生將卯榫要點(diǎn)牢記于心。當(dāng)課程結(jié)束后，教師把卯榫模型收起時(shí)，學(xué)生們還能清晰地畫出卯榫結(jié)構(gòu)圖，掌握情況異常良好。

圖2 圈椅的照片圖與3D打印模型

在此基礎(chǔ)上，教師展示了匈牙利的設(shè)計(jì)師 Olle Gellert 設(shè)計(jì)的可應(yīng)用于模塊化家具產(chǎn)品的3D打印連接件（圖4），并引導(dǎo)學(xué)生思考，同時(shí)要求他們應(yīng)用3D打印技術(shù)對(duì)卯榫結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化與升級(jí)，創(chuàng)新出更多樣的家具連接形式。學(xué)生似有啟發(fā)，帶著問題，努力思考，雖還未設(shè)計(jì)出經(jīng)典樣式，但是探索精神不斷增加。3D打印技術(shù)既發(fā)揮了三維展示作用，又發(fā)揮敦促思考的功能，應(yīng)用前景欣欣向榮。

3． 更新家具生產(chǎn)制作教學(xué)內(nèi)容，凸顯工藝優(yōu)越性

不再讓學(xué)生了解眾多機(jī)器特征與參數(shù)設(shè)置，不再記憶眾多生產(chǎn)工藝流程與要點(diǎn)，不再需要到繁雜的工廠中進(jìn)行動(dòng)手與實(shí)踐，有的則是3D打印工藝的簡化與高效，騰出更多的時(shí)間，正可以進(jìn)行產(chǎn)品創(chuàng)意設(shè)計(jì)的引導(dǎo)，教學(xué)效率大大提高。

圖3 圈椅卯榫結(jié)構(gòu)圖

圖4 Olle Gellert 設(shè)計(jì)的特色3D打印連接件

圖5 《樹根家具》與《多孔架》

圖6 定制椅與定制架

（二）思維應(yīng)用

3D打印技術(shù)教學(xué)應(yīng)用逐步推進(jìn)，漫步至思維應(yīng)用層次。將此思維模式應(yīng)用于課堂，對(duì)學(xué)生的思考方式、學(xué)習(xí)態(tài)度產(chǎn)生積極影響。

1． 應(yīng)用自由設(shè)計(jì)思維進(jìn)行產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)

自由設(shè)計(jì)思維指設(shè)計(jì)者可以無需考慮制造的可能與否，可以突破傳統(tǒng)工藝的限制，設(shè)計(jì)異常復(fù)雜的產(chǎn)品?；诖?，結(jié)合產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)的要求，教師將設(shè)計(jì)的靈活度進(jìn)行更大地提升，提出“自由形態(tài)擬合”“創(chuàng)意無限”的口號(hào)，鼓勵(lì)學(xué)生應(yīng)用多元、非線性的價(jià)值觀取代傳統(tǒng)的線性思維結(jié)構(gòu)，讓審美逐步向動(dòng)態(tài)與多維方向拓展。經(jīng)過如此自由教學(xué)，學(xué)生右腦思維逐步打開，作品形式愈加豐富。如圖5，公偉程同學(xué)的《樹根家具》借鑒樹根結(jié)構(gòu)用自然選擇的遺傳算法優(yōu)化整個(gè)設(shè)計(jì)，通過參數(shù)的調(diào)整改變椅子的造型達(dá)到椅子的“生長”，整體成型工藝縮短了生產(chǎn)供應(yīng)鏈，這與可持續(xù)發(fā)展的設(shè)計(jì)理念不謀而合。陳昭同學(xué)的《多孔架》設(shè)計(jì)突破了結(jié)構(gòu)方面的限制，創(chuàng)新性十足。

2． 應(yīng)用批量定制思維開設(shè)“定制化產(chǎn)品”專題設(shè)計(jì)并嘗試承接定制業(yè)務(wù)

批量定制思維是關(guān)于3D打印核心競(jìng)爭力的思維。批量定制個(gè)性化產(chǎn)品使得機(jī)械化流水線生產(chǎn)困難，呼喚智能制造的3D打印技術(shù)出現(xiàn)。[5]通過開設(shè)“定制化產(chǎn)品”專題設(shè)計(jì)，并以威客平臺(tái)上客戶實(shí)際需要為選題，最后在淘寶、京東網(wǎng)店上進(jìn)行定制銷售的整體流程，將批量定制思維烙印于學(xué)生頭腦中，使之了解定制市場(chǎng)的需求情況，同時(shí)還讓他們接觸消費(fèi)人群，提高其與人交際溝通能力。經(jīng)過定制專題教學(xué)，學(xué)生打印出自己的設(shè)計(jì)作品，并有兩個(gè)學(xué)生實(shí)現(xiàn)銷售業(yè)績，整體效果良好。如圖6，蘇鵬同學(xué)的《定制椅》與張真箏同學(xué)的《定制架》，結(jié)合客戶的要求與自身的發(fā)散性思維打印而成，得到了客戶的喜愛與好評(píng)。

3． 應(yīng)用平臺(tái)服務(wù)思維搭建3D打印服務(wù)云平臺(tái)

平臺(tái)服務(wù)思維是關(guān)于運(yùn)作模式、組織形態(tài)的思維。在教學(xué)中，專任教師本著高新技術(shù)服務(wù)大眾的精神，讓一批興趣濃厚、上進(jìn)心強(qiáng)的學(xué)生申請(qǐng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)基金，嘗試搭建3D打印服務(wù)云平臺(tái)，向其他專業(yè)學(xué)生提供3D打印服務(wù)。平臺(tái)以數(shù)據(jù)庫為核心，以實(shí)際問題為導(dǎo)向，以創(chuàng)新創(chuàng)造為目的。通過3D打印機(jī)與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的學(xué)中做、做中學(xué)的模式，掌握原理；通過3D打印制作實(shí)際案例，用所學(xué)原理解決問題；通過諸多案例訓(xùn)練，掌握綜合知識(shí)應(yīng)用，利用3D打印實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)。[6]旨在培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)、思考、動(dòng)手、解決問題以及創(chuàng)新創(chuàng)造這五大能力。平臺(tái)現(xiàn)還處于模擬階段，架構(gòu)之路還很長遠(yuǎn)，但已得到校方的大力支持，希望在不久的將來進(jìn)行實(shí)際推廣，廣泛服務(wù)大家。

4． 應(yīng)用協(xié)作創(chuàng)新思維加強(qiáng)校企合作，促進(jìn)產(chǎn)學(xué)研

協(xié)作創(chuàng)新思維是關(guān)于專業(yè)邊界的思維，是以技術(shù)增值為核心，政府、企業(yè)、高校為了實(shí)現(xiàn)3D打印技術(shù)突破而展開的跨度融合的創(chuàng)新組織模式。在貫穿3D打印技術(shù)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)教學(xué)中，企業(yè)為課程建設(shè)提供資金、技術(shù)，學(xué)校提供相應(yīng)人才，雙方共同組建研究實(shí)驗(yàn)室，挖掘3D打印技術(shù)價(jià)值，推動(dòng)新技術(shù)教育推廣并實(shí)現(xiàn)企業(yè)的應(yīng)用。

（三）情感應(yīng)用3D打印技術(shù)的教學(xué)應(yīng)用亦步亦趨，層層遞進(jìn)，逐步上升到質(zhì)的層次，發(fā)揮其情感效能。

1． 層層疊加理念感受自身造物的快感

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)教學(xué)中，經(jīng)教師指導(dǎo)，通過軟件的建模，生成虛擬的三維產(chǎn)品形態(tài)。將此虛擬數(shù)據(jù)導(dǎo)入3D打印設(shè)備，后經(jīng)歷幾個(gè)至十幾個(gè)小時(shí)的層層疊加，3D建造物孕育而生。學(xué)生驚叫，激動(dòng)，心中歡喜之至，第一次體會(huì)到親手塑造，自我把控的造物快感。在此關(guān)鍵時(shí)刻，教師講述人類生命的孕育以及自然的造物過程，學(xué)生認(rèn)真聆聽，似有所思。后經(jīng)歷多次建模，多次打印，多次長時(shí)等待后，若干學(xué)生由剛開始的不耐煩，來回走動(dòng)，到后期靜坐等待，視線隨著3D打印機(jī)絲線的吐動(dòng)而移動(dòng)，神情有所凝重，逐步感受到造物的不易，并體會(huì)到父母養(yǎng)育自身的艱辛，心智有所成長，操作過程更加仔細(xì)。同時(shí)，他們也感嘆3D打印機(jī)的忠實(shí)，堅(jiān)決執(zhí)行操作者發(fā)出的命令，無論多久，一絲一線慢慢疊加，憑著一種鍥而不舍、堅(jiān)持不懈、一心一意的精神高額完成任務(wù)。層層疊加、逐步成長，確實(shí)是耐人尋味，也給學(xué)生不少啟示：產(chǎn)品設(shè)計(jì)專業(yè)知識(shí)雖然繁多，要點(diǎn)難以理解，但是只要堅(jiān)持不懈，逐步積累，假以時(shí)日，必定學(xué)有所成。

2． 不斷打印不斷修正的驗(yàn)證理念體驗(yàn)自造物蛻變進(jìn)化過程

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)教學(xué)中，根據(jù)教師的布置與要求，經(jīng)過充分的討論并應(yīng)用發(fā)散性思維，學(xué)生設(shè)計(jì)并打印出較為滿意的作品。由于電腦中的虛擬形態(tài)與實(shí)體性產(chǎn)品存在本質(zhì)差別，制作的打印物必須經(jīng)過尺寸、結(jié)構(gòu)、受力、材質(zhì)、人機(jī)工程的測(cè)試與檢驗(yàn)。其中任一方面沒有達(dá)標(biāo)，則需重新設(shè)計(jì)、修改并再次打印，如此過程可能重復(fù)多次。經(jīng)過不斷打印不斷修正，不斷驗(yàn)證，不斷去粗取精，自造的打印物蛻變進(jìn)化，不斷完善。經(jīng)歷如此艱辛過程，學(xué)生對(duì)3D打印技術(shù)有更深的理解：機(jī)器打印的不單是外在的形，更多的是內(nèi)在的質(zhì)，里外結(jié)合，表里如一。由此聯(lián)系到個(gè)人，學(xué)生或有啟示：個(gè)人應(yīng)積極參加專業(yè)實(shí)踐與社會(huì)體驗(yàn)，經(jīng)歷風(fēng)雨的洗禮，越過人生的磨練，才能不斷提升自己，茁壯成長。

3． 熔融沉積理念感受自造物適應(yīng)需要、優(yōu)勝劣汰法則

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)教學(xué)中，應(yīng)用3D打印設(shè)備打印產(chǎn)品模型時(shí)，固態(tài)絲狀材料如ABS在高溫狀態(tài)下加熱至熔融狀態(tài)，加熱噴頭將半流動(dòng)狀態(tài)的熱熔材料擠出，材料迅速固化形成截面輪廓。當(dāng)前層成型后，噴頭上升涂覆，層層堆積成三維產(chǎn)品。由此可看出，存在物根據(jù)實(shí)際需要被迫性或適應(yīng)性的改變自身某些缺陷或不足，適應(yīng)環(huán)境，優(yōu)勝劣汰，后逐漸完善自身。聯(lián)系到做人也是如此，課堂有一定的紀(jì)律，社會(huì)有一定法則，學(xué)生應(yīng)該破除懶散、松弛、個(gè)性化太強(qiáng)的缺點(diǎn)，認(rèn)真學(xué)習(xí)，主動(dòng)適應(yīng)社會(huì)，深入專業(yè)實(shí)踐，爭取學(xué)有所成。

綜上所述，3D打印技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)教學(xué)中的應(yīng)用是多階段，遞進(jìn)式的過程。達(dá)到功能應(yīng)用，改變教學(xué)秩序，形成積極課堂；達(dá)到思維應(yīng)用，學(xué)生知識(shí)面擴(kuò)大，思維活躍，交際能力提高；達(dá)到情感應(yīng)用，學(xué)生情感觸動(dòng)，心智積極成長。

五、結(jié)論

一切新技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用要想取得良好效果，都有一個(gè)在今天的社會(huì)語境中重新詮釋和推陳出新的問題，經(jīng)歷一個(gè)衍變，這個(gè)衍變就是對(duì)3D打印技術(shù)層級(jí)論的深入認(rèn)識(shí)，將3D打印技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)教學(xué)中的功能應(yīng)用、思維應(yīng)用與情感應(yīng)用三者合一，形成三位一體的應(yīng)用模式，達(dá)到系統(tǒng)化的教學(xué)層次。