計算機軟件建模結(jié)合3D打印技術(shù)教學(xué)探索與感悟

陳 悅

一、傳統(tǒng)計算機設(shè)計類專業(yè)及課程教學(xué)的不足之處

目前，我國大部分中職院校計算機設(shè)計類專業(yè)及課程仍舊采用傳統(tǒng)的教學(xué)方式，即教師以課堂講授的方式對設(shè)計類軟件進(jìn)行講述，然后按照例題步驟機械地演示，學(xué)生通過上機操作來練習(xí)鞏固。這種傳統(tǒng)的教學(xué)模式形式單一，培養(yǎng)出來的學(xué)生如同機械人一般程式化，創(chuàng)新能力普遍不足，特別在機械零件制圖課程的教學(xué)中，一些較復(fù)雜的零件組合圖形，抽象的二維投影視圖對學(xué)生的空間想象力要求較高，僅憑中職學(xué)生的學(xué)習(xí)能力是很難脫離現(xiàn)實進(jìn)行空間想象的。

二、3D打印技術(shù)在教學(xué)中的角色和作用

2014年，國務(wù)院推出“3D打印創(chuàng)新教育播種”計劃，旨在為學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)造能力培養(yǎng)提供良好的氛圍和平臺；2015年國家工業(yè)和信息化部出臺《國家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)計劃（2015— 2016年）》，旨在推動3D 打印深入教學(xué)實踐，進(jìn)而創(chuàng)新教學(xué)方式，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)造能力。

如今，國內(nèi)3D 打印技術(shù)在教學(xué)中應(yīng)用的步伐正在加快，但是由于這門技術(shù)對絕大多數(shù)職校來說還是處于摸索階段，因此缺乏一定的理論指導(dǎo)和實踐經(jīng)驗，所以我們得先從根本上對其在教學(xué)過程中所扮演的角色及作用進(jìn)行認(rèn)識和分析。

（一）3D打印技術(shù)是連接多門學(xué)科的紐帶

3D打印技術(shù)可以廣泛地在多門學(xué)科的教學(xué)中運用，能夠豐富教學(xué)內(nèi)容并促進(jìn)跨學(xué)科知識的融合。3D打印技術(shù)可作為一個平臺，促使計算機應(yīng)用、軟件設(shè)計技術(shù)、工程技術(shù)等方面的知識進(jìn)行交匯貫通，通過相關(guān)的教學(xué)活動，連接學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，使其更加立體，并轉(zhuǎn)化為新的知識結(jié)構(gòu)，促進(jìn)多方面知識的豐富和技能的提高。

（二）3D打印技術(shù)使教學(xué)方法由單一走向多樣化

傳統(tǒng)教學(xué)方法為單純的“教與學(xué)”，形式單一且被動，無法充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，而3D打印技術(shù)其本身就自帶科技的神奇屬性，容易引起學(xué)生的興趣，讓學(xué)生腦洞大開，把想象變成現(xiàn)實。將其應(yīng)用于教學(xué)中，不但對學(xué)生個性化的良性發(fā)展有很大幫助，而且將促使教學(xué)方法也朝著多樣化發(fā)展。目前大致有如下三種基于3D打印技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新的教學(xué)方法：

學(xué)生通過軟件在進(jìn)行設(shè)計建模

1.項目教學(xué)法：圍繞項目來開展學(xué)習(xí)活動，在教學(xué)過程中，讓學(xué)生分組組隊，參與到模型的設(shè)計與繪制、3D打印成形等環(huán)節(jié)，幫助學(xué)生將抽象內(nèi)容具象化，并通過觀察、評價、改進(jìn)等教學(xué)活動來幫助學(xué)生更好地理解知識、解決問題。

2.任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法：學(xué)生在教師的引導(dǎo)下利用3D打印技術(shù)完成具體的設(shè)計和制作任務(wù)，從中學(xué)習(xí)并掌握新技能。學(xué)生在運用3D打印技術(shù)完成任務(wù)的過程中，可以將一些抽象或難以理解的內(nèi)容形象化，并加深理解，在完成任務(wù)的同時，提高自身的知識能力和技能水平。

3.破冰教學(xué)法：萬事開頭難，所謂的破冰教學(xué)法是讓學(xué)生帶著學(xué)習(xí)過程中最首要解決的問題去思考、去分析、去學(xué)習(xí)，尋找學(xué)習(xí)的突破口，從而達(dá)到破冰的目的。利用3D 打印技術(shù)可以幫助學(xué)生打印出形象、生動的物件，并用之來輔助理解和分析問題，使得學(xué)生的學(xué)習(xí)從被動接受到主動創(chuàng)造。

三、3D打印技術(shù)在計算機設(shè)計類專業(yè)及課程中的應(yīng)用

3D打印技術(shù)因其自身的特點以及在教學(xué)中能夠扮演的角色和作用，可以輔助計算機實體設(shè)計、機械類等專業(yè)及課程的教學(xué)?，F(xiàn)筆者就結(jié)合所在學(xué)校近幾年在3D打印技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)及學(xué)生興趣小組方面的實踐經(jīng)驗，以《3D設(shè)計建模及打印》課程為例，談?wù)勅绾螌?D打印技術(shù)融入計算機設(shè)計類專業(yè)或課程中，讓軟件建模結(jié)合3D打印技術(shù)，來激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)造能力。

（一）建模軟件的選用

建模軟件是設(shè)計并制作一切產(chǎn)品的前提，通過軟件進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計并建模，是隨后通過3D打印技術(shù)制作實物的重要環(huán)節(jié)。目前市面上較流行的建模軟件有Autodesk 123D和3D ONE PLUS。

1.Autodesk 123D：該系列軟件為用戶提供多種方式生成3D模型：用最簡單直接的拖拽3D模型并進(jìn)行編輯的方式進(jìn)行建模，或者直接將拍攝好的數(shù)碼照片在云端處理為3D模型。123D系列軟件同樣為愛動手的用戶提供了多種方式來發(fā)揮自己的創(chuàng)造力，不需要復(fù)雜的專業(yè)知識，任何人都可以輕松使用。

2.3D ONE PLUS：是專為中小學(xué)教育開發(fā)打造的3D設(shè)計軟件，致力于學(xué)生思維能力的提高，實現(xiàn)創(chuàng)新素質(zhì)教育的發(fā)展。3D ONE PLUS具備簡單易用的程序環(huán)境，支持專業(yè)級的涂鴉式平面草圖繪制，可進(jìn)行豐富實用的3D實體設(shè)計，提供多種多樣的顯示控制。3D ONE PLUS同樣不需要具備一定的專業(yè)基礎(chǔ)，就可以輕易上手。

（二）課題設(shè)置

課題一：建模和打印操作軟件的基本操作

主要內(nèi)容：

1.認(rèn)識3D打印機結(jié)構(gòu)及設(shè)備連接；

2.掌握建?；静僮鞣椒?，如：拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描、混合等；

3.掌握打印操作軟件的基本操作方法：如：打印機的操作，參數(shù)設(shè)置等。

課題二：制作?；?/p>

主要內(nèi)容：

1.學(xué)習(xí)建模軟件中造型跟蹤草繪的技巧，進(jìn)行建模；

2.打印一件校徽，并能夠更換線材，實現(xiàn)雙色打印。

課題三：設(shè)計班牌

主要內(nèi)容：

1.分組討論，根據(jù)自己所在班級的專業(yè)名稱及專業(yè)特點，設(shè)計班牌樣式，要求設(shè)計中包含本專業(yè)元素；

2.通過建模軟件進(jìn)行三維建模，并打印成型，要求控制尺寸，節(jié)約線材。

課題四：生活用品設(shè)計

主要內(nèi)容：

1.設(shè)計個性手機架，要求結(jié)構(gòu)合理，小巧輕便；

2.設(shè)計書簽，并在模型上設(shè)計個性符號或?qū)倜Q。

課題五：專業(yè)化產(chǎn)品制作

主要內(nèi)容：

1.根據(jù)各班級專業(yè)特點，上網(wǎng)下載或自行設(shè)計一款與專業(yè)相關(guān)的模型。

2.要求打印完成后進(jìn)行后續(xù)加工處理，清除模型毛刺、表面打磨，有條件的專業(yè)對模型進(jìn)行上色處理。

以上課題設(shè)置并非固定不變的，僅為建議，在實際教學(xué)中，更應(yīng)提倡讓學(xué)生結(jié)合學(xué)習(xí)目標(biāo)和要求，從興趣點和創(chuàng)意出發(fā)，制定學(xué)習(xí)課題。

（三）教學(xué)計劃安排

以較短時間內(nèi)讓學(xué)生迅速上手為目的，可結(jié)合學(xué)習(xí)周數(shù)（以八周為例）對教學(xué)過程進(jìn)行簡單的規(guī)劃及安排，如下表：

《3D設(shè)計建模及打印》教學(xué)計劃安排表

（四）教學(xué)實施過程

1.分組學(xué)習(xí)，作品設(shè)計：先讓學(xué)生根據(jù)自由組合的原則進(jìn)行分組，每組3-4人。教師給每個小組下發(fā)課題任務(wù)書，小組成員分工，進(jìn)行作品的設(shè)計。

2.實物測繪，軟件建模：由于3D打印是以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，因此學(xué)生首先要做的就是利用繪圖建模軟件（3D ONE PLUS軟件或Autodesk 123D）繪制出作品模型。在這個環(huán)節(jié)，中級工層次學(xué)生只需要將看到的實物或設(shè)計草圖通過軟件繪制成數(shù)字模型即可，視實際教學(xué)情況可適當(dāng)提高要求；高級工層次的學(xué)生應(yīng)根據(jù)所制作的對象，比如手機支架組合件或其它一些運動軸系裝置等，掌握它們的機械設(shè)計構(gòu)造及運動原理，此舉的目的是要求他們能夠在繪制實物模型圖的基礎(chǔ)上進(jìn)行不同造型的變換，從而最大限度地開發(fā)他們的想象力和創(chuàng)意思維。

3.傳輸數(shù)據(jù)，模型打印。將繪制好的數(shù)字模型文件根據(jù)3D打印機的要求進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換后，傳輸?shù)?D打印機進(jìn)行打印。由于之前的測繪工作均由學(xué)生獨立完成，因此在精度上可能不夠規(guī)范，會產(chǎn)生格式轉(zhuǎn)換后三維數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確的問題，比如方向反轉(zhuǎn)、多余幾何形狀、縫隙明顯、壁厚增加、重復(fù)面片等。針對這些問題，教師可以為學(xué)生進(jìn)行詳細(xì)的分析和講解，進(jìn)一步向?qū)W生強調(diào)繪圖精確的作用和意義，通過問題讓學(xué)生進(jìn)行反思、學(xué)習(xí)、提高。

4.胚模修整，后期加工。由于3D打印機的參數(shù)和性能不盡相同，因此打印出來的胚模也存在著差異，需要進(jìn)一步修整，修整后的胚模，還可通過更精細(xì)的手工打磨，噴漆上色等操作，提升其品質(zhì)，美化外觀。

5.分組點評，交流提高。在所有課題任務(wù)完成后，學(xué)生以小組為單位，展示自己的作品并接受老師及其它小組的評價，在互評和交流的過程中，發(fā)現(xiàn)自己的不足以及別人的長處，互相學(xué)習(xí)，互相促進(jìn)。

3D打印成品只是結(jié)果，重要的是創(chuàng)意及設(shè)計的過程。學(xué)生通過自主設(shè)計、分工配合、軟件測繪、成形打印等步驟，將自己的創(chuàng)意想法最終變成實物，極大提高了學(xué)習(xí)效率及動手動腦的積極性。這種教學(xué)模式最大限度地激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)造性思維，刺激了創(chuàng)意靈感，為學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)造能力的養(yǎng)成及發(fā)揮提供了舞臺。

學(xué)生通過3D打印技術(shù)制作的作品

四、開展3D打印教學(xué)的體會與思考

筆者經(jīng)過近幾年的3D打印方面的教學(xué)，有以下幾方面的體會：一是需要培養(yǎng)更多更專業(yè)的師資。只有具備好的師資，才能充分發(fā)揮已有的軟硬件水平，教出更專的學(xué)生；二是要加強校企合作，與企業(yè)共同開發(fā)3D打印項目教學(xué)案例，豐富教學(xué)資源庫，同時為學(xué)生創(chuàng)造更大的展現(xiàn)自我的平臺；三是要進(jìn)一步發(fā)揮3D打印技術(shù)在各個學(xué)科教學(xué)上的作用，加強學(xué)生通過計算機軟件進(jìn)行設(shè)計建模的能力，讓更多的學(xué)生掌握這門技術(shù)，從而更好地幫助他們完成專業(yè)的學(xué)習(xí)；四是要充分發(fā)揮3D打印制造技術(shù)在“雙創(chuàng)”教育上的優(yōu)勢，充分調(diào)動學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的積極性，通過產(chǎn)品開發(fā)與制作，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)業(yè)能力。

如今3D打印技術(shù)已經(jīng)被廣泛引入到學(xué)校及科研機構(gòu)中，在中小學(xué)層次的基礎(chǔ)教育領(lǐng)域也以興趣班等形式出現(xiàn)。此外，一些3D打印教育的商業(yè)模式涌現(xiàn)，豐富了3D打印在教育領(lǐng)域的應(yīng)用。3D打印技術(shù)服務(wù)下的創(chuàng)客教育符合學(xué)生的學(xué)習(xí)天性，促進(jìn)學(xué)生以集體為單位協(xié)作學(xué)習(xí)。3D打印技術(shù)實現(xiàn)了多學(xué)科的知識融合，將創(chuàng)意變成實物，這將是未來教育模式中一個嶄新的發(fā)展方向。