中職學(xué)校3D打印課程創(chuàng)新教學(xué)技術(shù)手段的研究

梁嘉添

摘要：目前，3D打印的技術(shù)越來越廣泛，是未來制造業(yè)的主要應(yīng)用技術(shù)，在智能制造和工業(yè)設(shè)計產(chǎn)業(yè)都需要大量的人才。在中職院校3D打印成為新興的主要課程。開設(shè)3D打印課程時，由于3D打印制造產(chǎn)品自由度較高，怎樣激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造熱情，讓3D打印課堂的魅力充分展現(xiàn)，使用創(chuàng)新教學(xué)技術(shù)手段是重要因素。本文通多對3D打印人才需求進行分析，結(jié)合3D打印課程安排，針對課程核心內(nèi)容，提出三種解決思路以及三種解決方法，并對這三種技術(shù)手段進行使用分析。

關(guān)鍵詞：3D打印;虛擬現(xiàn)實VR技術(shù);仿真;工業(yè)設(shè)計

1.3D打印應(yīng)用狀況及人才需求

1.13D打印應(yīng)用狀況

3D打印技術(shù)前身是快速成型技術(shù)，在上世紀八十年代已經(jīng)出現(xiàn)，由于打印原材料的成熟、燒結(jié)技術(shù)及G代碼的結(jié)合，在本世紀初3D打印概念提出，并在最近幾年產(chǎn)業(yè)化、在機械制造業(yè)、汽車、航天航空、醫(yī)療、建筑、教育等地方得到了應(yīng)用[1]。3D打印按技術(shù)類型分為FDM、3DP、SLM、SLA等技術(shù)，打印材料有ABS、尼龍、彈性材料、金屬粉末、陶瓷、食品等，應(yīng)用極其廣泛。3D打印應(yīng)用的主要技術(shù)難關(guān)在于打印時間的縮短，目前有國外高校研究團隊研究出激光金屬燒結(jié)成型技術(shù)，將燒結(jié)成型時間控制在飛秒內(nèi)[2]。3D打印在智能制造產(chǎn)業(yè)中發(fā)揮著重要角色，減少了生產(chǎn)線以及生產(chǎn)成本，將原來的減才制造轉(zhuǎn)變?yōu)樵霾闹圃?，使得?fù)雜情況的產(chǎn)品能夠在很短的時間內(nèi)制造出來，對于制造業(yè)是革命性的技術(shù);現(xiàn)在眾多企業(yè)已開始用3D打印取代傳統(tǒng)制造方法。

1.23D打印人才需求

3D打印在眾多行業(yè)應(yīng)用，眾多企業(yè)對該類型的人才需求較大，所需要的人才主要保括建模師、3D打印機維修師、切片工藝員等。那么面向這些崗位的人員所應(yīng)該具有的技能有：計算機輔助設(shè)計CAD建模技能、電子電工技能、數(shù)控編程技能、機械裝配調(diào)試技能、材料學(xué)知識、數(shù)字模型修復(fù)技能、切片知識等。對于企業(yè)而言比較重要的崗位是3D打印建模師，由于所建模型必須考慮到制作的材料、切片的方法、所用到的支撐多少，直接與生產(chǎn)的成本有關(guān)，所以建模、修模和切片的技能顯得尤為重要。對于中等職業(yè)技術(shù)學(xué)校學(xué)生來講，學(xué)習(xí)建模、修模及切片技術(shù)對以后的就業(yè)、應(yīng)對各種設(shè)計任務(wù)是必要的。

2.中職3D打印課程分析

中等職業(yè)技術(shù)學(xué)校3D打印課程主要面向數(shù)控技術(shù)應(yīng)用、機電一體化、建筑裝飾、工業(yè)設(shè)計等專業(yè)。3D打印課程內(nèi)容主要包括CAD建模、切片軟件使用、修模軟件使用、3D打印機操作使用、3D打印機的維護等。其中CAD建模與切片技術(shù)是課程的核心，也是企業(yè)對3D打印人才考察的重要一環(huán)。CAD建模包括了AutoCAD、Inventor、Solidworks、Rhino、3Dsmax等;切片所學(xué)到軟件有cura、Hori、3DRepair等。在建模課程中，三維圖形建模對學(xué)生要求較高，需要較強的空間想象能力以及空間抽象能力;切片軟件的學(xué)習(xí)則需要學(xué)生理解材料的性質(zhì)、溫度對材料的影響、打印速度與打印溫度的關(guān)系等一些列物理和化學(xué)變化的相應(yīng)知識。因而，建模與切片兩個環(huán)節(jié)的教學(xué)所占的時間比重最高。對于這兩部分內(nèi)容的學(xué)習(xí)，從學(xué)生角度來講，計算機內(nèi)建模軟件的使用要求較高，困難也越大;而且不能夠完全反應(yīng)出個人所想，大腦中想象的作品不能完整完全地呈現(xiàn)在自己所建立的模型中，而且軟件操作步驟繁瑣，難度大，學(xué)習(xí)起來便單調(diào)乏味，傳統(tǒng)的信息技術(shù)教學(xué)手段并不能提升他們的學(xué)習(xí)興趣;對于切片軟件，學(xué)生學(xué)習(xí)難度在于不能直觀的理解參數(shù)對打印過程的影響，若要將不同參數(shù)修改進行對比，則需要將所打印的物體多次打印，所需時間較長，耗材成本巨大。針對這兩個核心學(xué)習(xí)內(nèi)容，怎樣激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，減少學(xué)生掌握知識的時間以及成本，其中一個重要方面便是教學(xué)技術(shù)手段的使用，與教學(xué)方法、學(xué)習(xí)方法的創(chuàng)新有所不同的是，技術(shù)手段能夠從視覺、操作感受上激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動力。

3.3D打印課程創(chuàng)新教學(xué)技術(shù)手段使用思路

為了使得學(xué)生在學(xué)習(xí)3D打印技術(shù)時積極性得到提高，讓課堂更加具有吸引力，使學(xué)生理解時間減少、讓課程要求學(xué)生所具備的能力難度減少，針對3D打印課程核心內(nèi)容建模與切片的教學(xué)重點和教學(xué)難點，從教學(xué)技術(shù)手段方面解決這些問題，提出以下幾點思路：

（1）通過信息技術(shù)手段讓抽象的知識和建模具象化、可接觸化，讓學(xué)生直觀地學(xué)習(xí)到知識點。

（2）使用模擬仿真手段，讓原本需要長時間的打印過程縮短到幾分鐘內(nèi)，讓學(xué)生可以迅速的對比每個切片參數(shù)對打印過程的影響。

（3）將建模與切片過程教學(xué)與工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計流程相結(jié)合，讓產(chǎn)品設(shè)計的理念以及創(chuàng)造性融入3D打印的學(xué)習(xí)，充分發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造積極性

根據(jù)以上3點思路，結(jié)合教學(xué)實際狀況，提出以下幾種教學(xué)技術(shù)手段用于實際的3D打印教學(xué)：

（1）使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VR）

（2）使用3D打印過程模擬仿真軟件

（3）使用工業(yè)設(shè)計產(chǎn)品設(shè)計軟件及設(shè)計理念

4.創(chuàng)新教學(xué)技術(shù)手段使用及效果分析

4.1虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VR）使用及效果分析

虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VR）主要針對3D打印中建模內(nèi)容。其主要使用方法是，在教學(xué)當(dāng)中使用VR技術(shù)，在虛擬現(xiàn)實世界中，使用三維建模應(yīng)用，完成建模過程。使用的應(yīng)用硬件為htcvive pro，應(yīng)用平臺為steamVR平臺。教學(xué)時，學(xué)生帶上虛擬現(xiàn)實頭盔，雙手拿著操作手柄，此時學(xué)生雙眼智能看到應(yīng)用的虛擬世界。學(xué)生眼睛看到畫面同步到教學(xué)一體機顯示器中，教師可以從教學(xué)一體機中學(xué)生看到的畫面，進行引導(dǎo)式教學(xué)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)中三維建模應(yīng)用建模核心是基于傳統(tǒng)AutoCAD建模內(nèi)核開發(fā)，具有尺寸控制性的功能與相同的建模邏輯。與傳統(tǒng)CAD建模不同的是，很多建模時用到的草圖繪制、圖形編輯、三維模型修改、布爾運算等按鈕和只能通過鼠標和鍵盤啟用的功能在虛擬現(xiàn)實（VR）建模中轉(zhuǎn)變?yōu)槭謩莸闹庇^操作，也就是學(xué)生通過簡單手部動作和2-3個按鈕的操作就可完成原來在傳統(tǒng)CAD軟件中復(fù)雜的功能，例如：放大模型只需要用雙手對著眼前的模型拉開即可;另外學(xué)生可以通過用“手”將自己腦中所想馬上變成直觀可視的模型，用“雙手”畫出自己的三維模型。瀏覽模型時，直接通過移動頭部以及身體位置來觀看模型，模型的全部位置可視并可以調(diào)節(jié)到學(xué)生自己認為的最佳位置，不需要鼠標鍵盤的組合鍵操作。這樣建模過程變成一個全沉浸式的環(huán)境，建模難度降低，建模過程變得有趣而富有創(chuàng)造性，學(xué)生無須記住復(fù)雜的按鈕，只需用“雙手”純粹地進行自由“塑造”，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VR）建模

效果分析：本教學(xué)技術(shù)手段在所有具有3D打印課程的班級使用。使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)教學(xué)前，學(xué)生建模主要是用傳統(tǒng)CAD軟件，學(xué)習(xí)動力不足，在平面圖形學(xué)習(xí)時，大部分學(xué)生表現(xiàn)較好，但在三維模型建模學(xué)習(xí)時對坐標系以及各視圖的切換存在極大的困難，在復(fù)雜的建模學(xué)習(xí)中，大部分學(xué)生比較吃力并表現(xiàn)出抗拒的情緒。使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)教學(xué)時，由于其直觀的操作性質(zhì)，幾乎全部學(xué)生表現(xiàn)出極其濃厚的學(xué)習(xí)欲望;在VR建模操作中大部分學(xué)生能夠輕易地完成復(fù)雜模型的建立，而且所用時間相比傳統(tǒng)CAD建模更加少;學(xué)生的創(chuàng)造性被激發(fā)，通過調(diào)查，90%學(xué)生表示能夠通過該技術(shù)實現(xiàn)腦中所想模型。極少部分學(xué)生由于個體接受能力的差異而學(xué)習(xí)進度較慢，但仍表現(xiàn)出極強地學(xué)習(xí)及體驗欲望。

4.23D打印過程模擬仿真軟件使用及效果分析

3D打印過程模擬仿真軟件主要用于模擬整個打印過程，功能體現(xiàn)在于能夠直觀看到每個時間點，作品打印的狀態(tài)（包括支撐）。該軟件的使用主要用于當(dāng)打印參數(shù)改變（例如切片層厚、噴嘴溫度、預(yù)熱溫度、外殼厚度、支撐形式、打印密度）時，能夠快速地計算出打印的整個模擬流程，學(xué)生從而可以快速區(qū)分出不同參數(shù)的改變對整個打印過程的影響。

效果分析：使用仿真軟件之前，學(xué)生對打印參數(shù)的理解只是停留在表面，甚至對最主要的參數(shù)設(shè)置表現(xiàn)出不感興趣的情緒;使用仿真軟件后，由于打印過程全程可視化，打印過程狀態(tài)的改變清晰，對比明顯。學(xué)生可以任意修改參數(shù)來觀察打印過程以及最終狀態(tài)的區(qū)別，能夠直觀深入地理解到每個參數(shù)對打印過程的影響，學(xué)習(xí)積極性得到明顯地提高。

4.3使用工業(yè)設(shè)計產(chǎn)品設(shè)計軟件及設(shè)計理念

工業(yè)設(shè)計軟件區(qū)別于常規(guī)教學(xué)使用的AutoCAD軟件，常見的有Rhino、Inventor、Solidworks等;這類軟件建模功能強大且有針對性，比如針對曲面建模以及針對機械建模;在顏色選擇方面，這類軟件的辨析度更高。授課時讓學(xué)生掌握這些軟件的使用，不僅能夠激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，而且能夠讓學(xué)生掌握多種軟件操作，從而能夠輕松應(yīng)對未來的工作。工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計理念融合于課堂主要是能夠讓學(xué)生意識到設(shè)計產(chǎn)品或作品時，應(yīng)遵循市場需求及規(guī)律，能夠有目的性，有章法地去進行建模，調(diào)整審美標準，從而能夠設(shè)計出實用、美觀、有創(chuàng)意的作品。

效果分析：使用該手段前，學(xué)生對普通建模軟件出現(xiàn)厭倦的情況，部分學(xué)生認為建模更改能不夠強大而倦怠學(xué)士;使用該手段后，學(xué)生對產(chǎn)品設(shè)計表現(xiàn)出濃厚的興趣，對美觀及多樣的產(chǎn)品表現(xiàn)出極強興趣，并且希望能夠打印出可以實際制造并銷售的作品。

結(jié)論：本研究針對3D打印的建模與切片，采用了3種教學(xué)技術(shù)創(chuàng)新手段（分別是VR虛擬現(xiàn)實技術(shù)，3D打印過程模擬仿真軟件、以及工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計理念）。從學(xué)生學(xué)習(xí)情況及反饋情況來講，這三種教學(xué)技術(shù)手段的使用受到老師和學(xué)生的歡迎，能夠幫助學(xué)生迅速掌握知識點，激發(fā)濃烈的學(xué)習(xí)興趣，積極參與教學(xué)互動，對于提升3D打印課堂魅力是有效的。

參考文獻：

[1]3D打印企業(yè)實例.李艷.機械工業(yè)出版社2014年版.

[2]3D打印中的結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題研究.徐文鵬.《中國科技大學(xué)》.2016.TP391.73