基于3D打印技術(shù)的工業(yè)設(shè)計專業(yè)教學(xué)研究與實(shí)踐

陳思

摘要：隨著我國3D打印技術(shù)的廣泛醫(yī)用，社會及教育行業(yè)對其重視程度逐漸加深，工業(yè)設(shè)計作為社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要動力，注重對3D打印技術(shù)的教學(xué)開展，但仍處于起步階段，面對教學(xué)研究及實(shí)踐需要深入進(jìn)行探索，本文就3D打印設(shè)計教學(xué)研究與實(shí)踐進(jìn)行分析及研究。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù);工業(yè)設(shè)計;教學(xué)研究;教學(xué)實(shí)踐

中圖分類號：G64 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編碼：1672-7053（2019）02-0042-02

3D打印技術(shù)作為快速成型技術(shù)的重要種類，教育階段中將3D打印技術(shù)作為新型課堂教學(xué)內(nèi)容，必須從實(shí)際需求出發(fā)，具有批判性思維和解決實(shí)際問題能力的教學(xué)思想，開展研究教學(xué)，重視實(shí)踐教學(xué)經(jīng)驗的吸收和學(xué)習(xí)，查找相關(guān)創(chuàng)新應(yīng)用及技術(shù)資源，引領(lǐng)學(xué)生新思維、創(chuàng)新能力有效提升，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化教學(xué)與創(chuàng)新發(fā)展，不斷推動3D技術(shù)的有效提升。

1 3D打印技術(shù)理論基礎(chǔ)

3D打印技術(shù)是快速成型技術(shù)的一種，以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，在逐層打印后實(shí)現(xiàn)物體的構(gòu)造技術(shù)。在20世紀(jì)90年代中期出現(xiàn)，1986年美國科學(xué)家Charles Hull開發(fā)第一臺商業(yè)印刷機(jī)后，3D打印技術(shù)被麻省理工學(xué)院、ZCorp公司進(jìn)行深入開發(fā)運(yùn)用，在2011年南安普頓大學(xué)開發(fā)出第一架3D打印的飛機(jī)，直到2019年美國加州大學(xué)利用3D打印技術(shù)制造出中樞神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的脊髓支架模仿。可見，3D打印技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域從建筑工程、工業(yè)、航天、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域等多方面都具有應(yīng)用價值，尤其在工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域用于制造模型最為廣泛及迅速應(yīng)用，利用數(shù)字技術(shù)材料打印機(jī)實(shí)現(xiàn)3D打印。3D打印技術(shù)具有三維設(shè)計、切片處理及完成打印三個重要過程，通過計算機(jī)內(nèi)建模軟件的建模，形成三維打印的設(shè)計，將建成的三維模型“分區(qū)”進(jìn)行逐層截面切片，實(shí)現(xiàn)打印機(jī)的逐層打印。3D打印成品真實(shí)、形象，其不需要切、削、模型等技術(shù)，加工速度極快并且生產(chǎn)周期較短，能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積較小的產(chǎn)品完成，并且是一體成型，減少二次加工環(huán)節(jié)，既可批量完成也可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作，能夠滿足不同的需求。

2 3D打印設(shè)計教學(xué)理念

3D打印技術(shù)作為新興的教學(xué)方向，必須通過合理的教學(xué)活動獲得經(jīng)驗，提高學(xué)習(xí)者主動實(shí)踐的學(xué)習(xí)能力，構(gòu)建科學(xué)的教學(xué)理念，引導(dǎo)學(xué)生的探究精神，培養(yǎng)學(xué)生舉一反三的能力，打破傳統(tǒng)教學(xué)的理念及方式，積極將3D打印技術(shù)融入到工業(yè)設(shè)計課程中，根據(jù)設(shè)計不同階段的需要，積極進(jìn)行交流，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐相結(jié)合。在教學(xué)過程中，注重搭建科學(xué)有效地教學(xué)理念，積極與現(xiàn)實(shí)發(fā)展相結(jié)合，為學(xué)生尋找更多的學(xué)習(xí)資料，在教學(xué)大綱基礎(chǔ)上，與現(xiàn)實(shí)發(fā)展密切聯(lián)系，分析成功案例，查找適合自身課程所需經(jīng)驗，分析解讀后為學(xué)生提供相關(guān)知識，吸引學(xué)生到課堂，拓寬學(xué)生知識面，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)教學(xué)理念的有效提升。

在教學(xué)理念構(gòu)建過程中，要注重科學(xué)性的體現(xiàn)先進(jìn)工藝美與精確美，工業(yè)設(shè)計不僅僅是產(chǎn)品造型，更要注重功能、結(jié)構(gòu)的設(shè)計，實(shí)現(xiàn)成本最低創(chuàng)造最高的附加值目標(biāo)。在教學(xué)過程中要根據(jù)工業(yè)設(shè)計專業(yè)的特殊性將結(jié)合，將基礎(chǔ)教學(xué)與實(shí)踐緊密結(jié)合，通過3D打印技術(shù)將產(chǎn)品理論與實(shí)踐相結(jié)合，對每個階段設(shè)計的不同要求進(jìn)行溝通與交流，注重激發(fā)學(xué)生的主動性與參與性，教師根據(jù)各環(huán)節(jié)重點(diǎn)進(jìn)行正確的引導(dǎo)，必須注重實(shí)踐的教學(xué)理念搭建，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合，注重給學(xué)生建立工業(yè)設(shè)計必須商品化是設(shè)計追求的最終目標(biāo)，在設(shè)計過程中不僅要注重設(shè)計美感，更要實(shí)現(xiàn)設(shè)計結(jié)果的可應(yīng)用性，明確設(shè)計的目的，了解商品化的過程，實(shí)現(xiàn)設(shè)計與生產(chǎn)的統(tǒng)一性，保障工業(yè)設(shè)計的商品化需求。在教學(xué)過程中注重系統(tǒng)的教學(xué)觀念確立，注重實(shí)踐能力的有效提升，運(yùn)用3D打印技術(shù)為學(xué)生帶來設(shè)計過程的展示與學(xué)習(xí)，將3D打印技術(shù)作為重要的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行深入的學(xué)習(xí)，設(shè)計教育必須遵循發(fā)展的前沿需求，與現(xiàn)實(shí)發(fā)展相結(jié)合。

3 基于3D打印的教學(xué)方式

3.1 翻轉(zhuǎn)課堂

隨著教學(xué)改革的不斷深入，翻轉(zhuǎn)課堂模式成為教學(xué)新的模式推進(jìn)，并受到各階段教學(xué)的積極響應(yīng)，在3D打印技術(shù)教學(xué)過程中采用新型模式為師生溝通建立的重要的平臺，并為學(xué)生的實(shí)踐動手能力提供可靠保障，在計算機(jī)的應(yīng)用及3D技術(shù)的學(xué)習(xí)提升學(xué)生理論實(shí)踐能力，對視覺感官和智能控制有了進(jìn)一步的了解。翻轉(zhuǎn)課堂突破了傳統(tǒng)的教育觀念，美國羅伯特-陶伯特在通過多年的教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗基礎(chǔ)上提出了幾個重要步驟，一個是課前學(xué)生觀看教師提前準(zhǔn)備好的教學(xué)視頻做相關(guān)的作業(yè)練習(xí)，在課堂中對學(xué)生進(jìn)行針對性測驗，提出具有問題學(xué)習(xí)理論及實(shí)踐知識，最后總結(jié)和評價反饋。注重“以人為本”“因材施教”需求，在3D打印設(shè)計教學(xué)過程中重視教學(xué)環(huán)境、教師及學(xué)生能力，實(shí)現(xiàn)動手動腦能力有效增強(qiáng)。在教師進(jìn)行教學(xué)視頻的準(zhǔn)備過程中，注重豐富教學(xué)的內(nèi)容，將教學(xué)大綱基礎(chǔ)與現(xiàn)實(shí)3D打印技術(shù)成果相結(jié)合，積累設(shè)計經(jīng)驗，提出創(chuàng)新思想，抓住工業(yè)設(shè)計過程中的住重點(diǎn)、難點(diǎn)，提出問題開展教學(xué)，堅持運(yùn)用新知識引導(dǎo)教學(xué)，積極解決在設(shè)計課程中存在的問題，對普遍問題進(jìn)行解決，促進(jìn)理論與實(shí)踐的相結(jié)合。一方面提升教師的備課能力及專業(yè)基礎(chǔ)能力，一方面激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，共同開展研究學(xué)習(xí)，提升學(xué)習(xí)成效。

3.2 多媒體教學(xué)

在教學(xué)過程中多采用多媒體進(jìn)行教學(xué)，3D打印技術(shù)與工業(yè)設(shè)計是目前的前沿科技，需要大量的新技術(shù)、新知識融入教學(xué)過程中，運(yùn)用多媒體教學(xué)方式全方位地進(jìn)行學(xué)習(xí)，多媒體教育突破了傳統(tǒng)教學(xué)觀念，突破“一言堂”傳統(tǒng)模式，教學(xué)氛圍更為活躍，能夠達(dá)到事半功倍的教學(xué)效果。在教學(xué)過程中注重查找圖像、視頻、成果展示等等的視頻及音頻內(nèi)容，利用現(xiàn)場環(huán)境的營造，深刻領(lǐng)悟工業(yè)設(shè)計、3D打印技術(shù)的真諦，能夠根據(jù)自身專業(yè)特點(diǎn)進(jìn)行積極的學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)重點(diǎn)及方向明確。教學(xué)過程中，教師通過多媒體資源的收集，對現(xiàn)實(shí)3D打印技術(shù)環(huán)境及工業(yè)設(shè)計發(fā)展方向具有更鮮明的了解，豐富教學(xué)資源，提高教學(xué)能力。

3.3 課題競賽

工業(yè)設(shè)計專業(yè)學(xué)生動腦及動手能力較強(qiáng)，對新事物接受能力快，并能夠主動進(jìn)行挑戰(zhàn)，運(yùn)用任務(wù)小競賽或課題小競賽激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，發(fā)揮團(tuán)隊精神，能夠?qū)⒆陨砝碚撝R與實(shí)踐知識相結(jié)合，并將知識進(jìn)行融匯貫通。通過產(chǎn)品設(shè)計課程進(jìn)行分組的形式任務(wù)布置，或采用給定主題，將學(xué)生分為幾個小組，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題能力，分析和解決問題能力，提高學(xué)生的綜合能力，可運(yùn)用不同的方案進(jìn)行設(shè)計及完善，對設(shè)計出現(xiàn)的難點(diǎn)及熱點(diǎn)問題，積極查找資料，對每個步驟及個人進(jìn)行考評，督促學(xué)生參與深度及廣度，利用幾個課時進(jìn)行答辯、投票等方式，進(jìn)行等級評定后給予響應(yīng)獎勵。通過競賽激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情及挑戰(zhàn)熱情，能夠?qū)ψ陨碇R進(jìn)行實(shí)踐，工業(yè)設(shè)計專業(yè)必須具有動腦及動手能力，競賽方式能夠敦促學(xué)生審視自身知識系統(tǒng)全況，查找及填補(bǔ)不足，教師也可在競賽過程中對學(xué)生存在的普遍或難點(diǎn)問題進(jìn)行深入教學(xué)、剖析，并對較為優(yōu)秀的產(chǎn)品作為案例進(jìn)行分析及推廣，實(shí)現(xiàn)工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計與學(xué)習(xí)。

3.4 微課堂方式

隨著收集終端的普及，高效率的各類手機(jī)、平板、筆記本計算機(jī)被廣泛應(yīng)用，工業(yè)設(shè)計專業(yè)學(xué)生對先進(jìn)的技術(shù)及設(shè)備學(xué)習(xí)能力較強(qiáng)，能夠使用相關(guān)軟件進(jìn)行深入學(xué)習(xí)。并可以在課余時間及零散時間進(jìn)行知識的學(xué)習(xí)，教師通過制作主題較為突出且短小的片段進(jìn)行知識點(diǎn)學(xué)習(xí)，對3D打印技術(shù)的學(xué)習(xí)及應(yīng)用具有較為突出的優(yōu)點(diǎn)，能夠為學(xué)生安排較為寬松的學(xué)習(xí)環(huán)境，并能夠與現(xiàn)實(shí)生活相聯(lián)系。使學(xué)生的思維更為寬廣，能夠及時與教師進(jìn)行溝通，摒棄傳統(tǒng)僵化的教學(xué)方式，更符合時代性，能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情。且工業(yè)設(shè)計專業(yè)在3D打印技術(shù)的學(xué)習(xí)及使用過程中需要大量的新知識，實(shí)踐知識更新速度較快，通過微課程能夠?qū)F(xiàn)實(shí)發(fā)展情況及時進(jìn)行聯(lián)系，應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)生活中與學(xué)習(xí)緊密相聯(lián)系，為教學(xué)提供更為寬廣的范圍及知識，促進(jìn)課堂教學(xué)內(nèi)容的有效豐富。通過微課堂模式激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，促進(jìn)學(xué)生與教師聯(lián)系溝通能力，提升教學(xué)的有效性。

4 基于3D打印的教學(xué)內(nèi)容

4.1 基礎(chǔ)教學(xué)

3D打印技術(shù)的學(xué)習(xí)及應(yīng)用涉及數(shù)學(xué)、藝術(shù)、信息等眾多學(xué)科，甚至還有電子、機(jī)械等學(xué)科內(nèi)容，關(guān)系到多領(lǐng)域的綜合性課程，在教學(xué)過程中，注重基礎(chǔ)知識的有效學(xué)習(xí)，加強(qiáng)及加深基礎(chǔ)理論的學(xué)習(xí)，扎實(shí)學(xué)生學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，對產(chǎn)品的形態(tài)進(jìn)行設(shè)計，合理設(shè)計結(jié)構(gòu)與加工工藝，選擇適合材料，將產(chǎn)品的特有屬性突出，將工業(yè)設(shè)計的真諦進(jìn)行學(xué)習(xí)，在學(xué)習(xí)過程中重視對心理產(chǎn)生統(tǒng)一、協(xié)調(diào)的感受，不僅體現(xiàn)產(chǎn)品的完美，更要體現(xiàn)現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)科技、自然和人文關(guān)系，將工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計創(chuàng)新原則、美觀原則、可行原則、合理原則、適用原則、可靠原則及經(jīng)濟(jì)原則等重要內(nèi)容，樹立正確的工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計思維，引導(dǎo)學(xué)生積極進(jìn)行創(chuàng)新及發(fā)展。

4.2 實(shí)踐教學(xué)

3D打印技術(shù)的出現(xiàn)為設(shè)計提供良好的設(shè)計需求，經(jīng)過計算機(jī)軟件的設(shè)計及應(yīng)用，目前我國軟硬件技術(shù)以國產(chǎn)桌面級打印機(jī)為主，具有一定的限制。教學(xué)要注重加強(qiáng)資源的引入及應(yīng)用，在實(shí)踐過程中對參數(shù)設(shè)置、結(jié)構(gòu)的設(shè)計進(jìn)行檢驗，對出現(xiàn)損壞及不能打印狀況的進(jìn)行分析，對打印原理進(jìn)一步學(xué)習(xí)，對目前對打印機(jī)步驟操作進(jìn)一步規(guī)范，在工業(yè)設(shè)計中運(yùn)用到制造模型、產(chǎn)品，合理降低成本，提高效率，實(shí)現(xiàn)個性化、高精度的產(chǎn)品制造，并可通過實(shí)體打印出后經(jīng)過打磨、電鍍以及鉆孔等加工進(jìn)行，滿足設(shè)計需求，極大縮短產(chǎn)品的設(shè)計及生產(chǎn)時間，市場潛力巨大，并能夠為未來工業(yè)制造行業(yè)發(fā)展提供可靠技術(shù)支持。注重3D打印技術(shù)的實(shí)踐過程學(xué)習(xí)及控制，為工業(yè)設(shè)計教學(xué)提供可靠的經(jīng)驗交流平臺，提升教學(xué)經(jīng)驗，為未來專業(yè)發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)。

5 結(jié)語

3D打印設(shè)計教學(xué)需要有扎實(shí)的知識理論、靈活教學(xué)方式、豐富教學(xué)內(nèi)容，將傳統(tǒng)知識進(jìn)一步夯實(shí)，注重實(shí)踐經(jīng)驗的收集與整理，為教學(xué)開展提供可靠的保障，激發(fā)師生學(xué)習(xí)興趣，不斷推進(jìn)專業(yè)課程的效率提升。3D打印設(shè)計技術(shù)發(fā)展迅速，更是我國未來制造業(yè)發(fā)展的重要方向，不斷推進(jìn)教育水平有效提升。

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