3D 打印技術(shù)在《模型制作》課程中的應(yīng)用研究

工業(yè)設(shè)計是一個以產(chǎn)品為對象，塑造學(xué)生對造型感知、理解、想象與創(chuàng)造能力的專業(yè)。各高校經(jīng)歷多輪培養(yǎng)方案的改革與修訂，《模型制作》課程仍作為承接造型基礎(chǔ)課與專業(yè)設(shè)計類課程的一門必修課，在工業(yè)設(shè)計專業(yè)教學(xué)過程中占有一席之地。《模型制作》課程可在低階階段幫助學(xué)生加強對產(chǎn)品造型的認(rèn)知，也可以在高階階段培養(yǎng)學(xué)生的造型創(chuàng)造能力

。3D 打印因其快速成型的技術(shù)特征逐漸融入工業(yè)設(shè)計專業(yè)，也逐漸走進模型制作的課堂教學(xué)中，在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性方面扮演著重要角色。

企業(yè)或施工項目部應(yīng)將符合“師傅”條件的人員情況向新員工進行詳細介紹，并通過在一起工作生活一定時間段（可暫定一個月）進行進一步了解，讓新員工自主選擇師傅，本著雙方自愿的原則結(jié)對，并簽訂“以師帶徒協(xié)議書”，明確雙方責(zé)任、學(xué)習(xí)培養(yǎng)內(nèi)容及目標(biāo)。培養(yǎng)期限為一年，培養(yǎng)期滿后企業(yè)通過筆試和面試的方式考核“徒弟”是否學(xué)成出師。在帶徒期間，企業(yè)應(yīng)給“師傅”一定的帶徒補助，以提高其“傳、幫、帶”的積極性和責(zé)任心。

(2)設(shè)計一個簡單的實驗方案,證明上述所得的塊狀熔融物中含有金屬鋁。該實驗所用試劑是____,反應(yīng)的離子方程式為____。

1 3D 打印技術(shù)概述

3D 打印技術(shù)又稱快速成型技術(shù)或增材加工技術(shù)，這是基于不同角度對該成型工藝的精確描述。3D 打印技術(shù)與計算機輔助設(shè)計相輔相成

，這便造就了3D 打印在使用思路和方法上與傳統(tǒng)材料及成型工藝有很大區(qū)別。高度依賴計算機輔助設(shè)計的3D打印技術(shù)對造型的推敲過程以計算機虛擬展示的樣態(tài)進行，而傳統(tǒng)的《模型制作》課程在成型過程中多以學(xué)生的手工參與為主，造型推敲的環(huán)節(jié)則具備草圖、數(shù)字模型和實體草模的多樣性選擇的特點。這樣的差異注定在模型制作課程中想要因地制宜地引入3D 打印技術(shù)需要將其技術(shù)特征與學(xué)生能力培養(yǎng)的指標(biāo)進行相互關(guān)聯(lián)。

3D 打印技術(shù)與以手工為主的傳統(tǒng)模型制作項目在成型原理、技術(shù)門檻，以及對學(xué)生能力的培養(yǎng)等方面存在諸多差異，甚至大相徑庭。如表1 所示，3D 打印主要應(yīng)用的材料為工程塑料和ABS 材料，按照打印原理的不同，3D 打印還可以使用光敏樹脂和金屬。3D 打印技術(shù)與傳統(tǒng)加工和成型工藝在使用材料上有所交叉，但是對加工材料的狀態(tài)有不同的要求，傳統(tǒng)加工成型技術(shù)除了材料的機加工之外，木材、金屬和塑料還可以以手工成型為主。比如對ABS 板的加工，在傳統(tǒng)《模型制作》課程中多采用雙人合作熱壓成型。手工藝的參與決定了傳統(tǒng)成型工藝對材料的反復(fù)使用及對既定造型的多次修改，而這是以3D 打印為代表的快速成型技術(shù)所不具備的特征。3D 打印技術(shù)作為機加工的更高級形式也有自己的技術(shù)特征，它甚至引領(lǐng)了制造業(yè)的變革。將其引入課程教學(xué)，更重要的是對學(xué)生思維模式的擴展與改變。

2 《模型制作》課程概述

星載天線展開機構(gòu)屬于空間三維展開機構(gòu)，是空間可展開機構(gòu)中結(jié)構(gòu)最復(fù)雜、功能最重要的部分，其發(fā)射時折疊為一個可以接受尺寸的系統(tǒng)(收攏狀態(tài))，而在達到預(yù)定軌道后通過展開機構(gòu)按設(shè)計的方式解鎖、展開、鎖定，展開成為天線(展開狀態(tài))?？烧归_機構(gòu)有效口徑和形成的型面精度決定了衛(wèi)星通信的頻率波段和質(zhì)量。隨著航天技術(shù)的發(fā)展，星載天線形成了大口徑、高精度、輕量化的發(fā)展趨勢。但是考慮火箭搭載能力有限以及搭載發(fā)射的成本，對大型可展開天線提出了較高要求的收納比。

3D 打印技術(shù)高度依賴計算機，與傳統(tǒng)以學(xué)生動手為主的模型制作實踐活動相比，在思維和實踐過程上存在著很大的區(qū)別，這將為3D 打印引入《模型制作》課程提供了空間，也是其價值所在。首先，在知識層面，《模型制作》課程能培養(yǎng)學(xué)生對材料的認(rèn)知與加工能力，3D 打印制作出來的模型零部件在精確度和操作安全性上相比較手工件更有優(yōu)勢。3D 打印設(shè)備的使用降低了電鋸、鉆床等傳統(tǒng)機加工機械給學(xué)生帶來人身傷害的可能性，其代表的數(shù)控技術(shù)也彌補了《模型制作》課程中對機加工模型部分的教育缺失，使學(xué)生認(rèn)識模型加工的維度更加全面；其次，在素質(zhì)培養(yǎng)方面，《模型制作》課程重視學(xué)生的思維能力創(chuàng)新，3D打印與手工加工存在很大的區(qū)別，能激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，是對其模型制作綜合素質(zhì)的補充；第三、從學(xué)生能力培養(yǎng)方面，拋開單體造型的塑造，大部分模型是多材料與多零件、多工藝的組合品，學(xué)生對模型的策劃和配合是綜合能力的體現(xiàn)，3D 打印零件的適應(yīng)性很強，可以與多數(shù)其他材料的零部件相互配合、組裝，促進學(xué)生綜合能力的提升。

以多數(shù)高校的教學(xué)大綱及采用的相關(guān)教材為依據(jù)，梳理了工業(yè)設(shè)計教學(xué)中《模型制作》課程的教學(xué)內(nèi)容，大致可分為：模型的基礎(chǔ)理論知識、模型的制作過程與實例分析、模型制作任務(wù)的實踐三個部分

。從具體的內(nèi)容上看，在模型制作基礎(chǔ)理論知識部分，要求學(xué)生認(rèn)識和了解常用于產(chǎn)品模型制作的材料與特性、加工工藝和主要工具的使用方法、模型的作用與分類方法等內(nèi)容，助力其在實踐過程中對材料特性和工具使用的預(yù)判；第二部分，木材、紙質(zhì)、ABS、石膏和玻璃鋼等多種材料的加工及成型方法會給出較為精細的講解，其目的是讓學(xué)生能夠?qū)χ攸c材料及其加工工藝有更深刻的認(rèn)識，要求學(xué)生掌握模型制作的前期準(zhǔn)備工作，如測量、計算、按比例繪圖等，提高學(xué)生對模型制作過程和用材等的整體把控；在第三部分的實踐中，學(xué)生發(fā)揮動手能力，將平面圖形轉(zhuǎn)化為立體模型，其中包含轉(zhuǎn)換、加工、組裝等工作。課程知識與學(xué)生能力培養(yǎng)的對應(yīng)關(guān)系，如圖1 所示。

3 3D 打印技術(shù)在《模型制作》課程中的應(yīng)用意義

3.1 對學(xué)生能力培養(yǎng)的增值

模型制作是表達自己設(shè)計方案非常重要的一個途徑，能通過策劃將設(shè)計方案轉(zhuǎn)化為實物，這一過程鍛煉了學(xué)生多方面的動手能力，包括測繪、造型塑造、不同材料與部件的組合加工與裝配等。參考大多學(xué)校的課時分配情況來看，模型制作實踐任務(wù)環(huán)節(jié)所占據(jù)的課時量最大，學(xué)生對造型的感知、分解、塑造與再現(xiàn)，以及表現(xiàn)的綜合素質(zhì)與能力得到了大幅度的提升，也為后續(xù)的課程設(shè)計打下了堅實的基礎(chǔ)

。《模型制作》不僅是一門課，在工業(yè)設(shè)計大量后續(xù)專業(yè)課的考核環(huán)節(jié)中也對實物模型有具體的要求，比如在《仿生設(shè)計》課程中，草模的制作有利于在方案推敲的過程中增加學(xué)生對造型的感知，啟發(fā)其創(chuàng)造思維；在畢業(yè)設(shè)計等綜合設(shè)計課業(yè)中，精美的展示型模型也被作為評價學(xué)生的一個重要方式。

3.2 完善實踐與課程體系的建設(shè)

新鮮事物的運用需要時間的驗證，逐漸成熟，3D 打印技術(shù)在《模型制作》課程中的運用尚未有成熟的體系，因此教師在從事該課程的教學(xué)任務(wù)時，更應(yīng)注重教學(xué)設(shè)計

。高校本科教育以培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力為目標(biāo)，區(qū)別于職業(yè)教育，要求學(xué)生具有大量的知識儲備、良好的思維素質(zhì)，以及綜合能力。3D 打印技術(shù)歸根結(jié)底代表了計算機輔助設(shè)計、計算機輔助加工技術(shù)，在知識層面應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生更多地掌握該領(lǐng)域的基礎(chǔ)知識和前沿知識，拓展其模型制作的知識廣度；在素質(zhì)層面，應(yīng)加強學(xué)生積極學(xué)習(xí)相關(guān)知識和實踐技能的思想意識；在能力培養(yǎng)方面，應(yīng)充分利用教學(xué)資源為學(xué)生提供實踐機會，增強其實操經(jīng)驗和實操能力，做到知行合一，形成3D 打印技術(shù)的教學(xué)閉環(huán)，用以作為《模型制作》課程傳統(tǒng)教學(xué)項目的補充。但具體的教學(xué)設(shè)計應(yīng)遵循課時分配的科學(xué)性和有效性，一定的課時限制能夠保證教學(xué)任務(wù)的執(zhí)行，想要確保教學(xué)環(huán)節(jié)的完整性，應(yīng)充分發(fā)揮3D 打印技術(shù)的優(yōu)點，將其與其他教學(xué)環(huán)節(jié)融會貫通。模型制作的傳統(tǒng)方式和3D 打印本身也具備相互融合的技術(shù)特點，只要在教學(xué)初期引導(dǎo)學(xué)生確立系統(tǒng)的模型制作方案，即可取得良好的教學(xué)效果。例如，某高校工業(yè)設(shè)計專業(yè)以船舶模型為典型案例，在《模型制作》課程中將多種材料及加工技術(shù)融為一體（如圖2），《一個精致的船體模型》需要將船體與上層建筑分開制作，3D 打印的上層建筑增加了精致感，在制作精細模型前，同學(xué)們還利用了油泥和泡沫材料制作了船體草模。

在傳統(tǒng)教學(xué)過程中，很容易忽略一個問題，就是學(xué)生的就業(yè)問題，3D 打印技術(shù)及其上下游產(chǎn)業(yè)在不斷發(fā)展壯大，無疑也刺激了勞動市場，與傳統(tǒng)材料加工相比，3D 打印技術(shù)代表不同的就業(yè)區(qū)塊，這也是對畢業(yè)生勞動力匹配市場的良好補充。

《模型制作》課程具有很好的延展性，3D 打印技術(shù)的引入有很好的適應(yīng)性，對學(xué)生能力和綜合素質(zhì)培養(yǎng)所能發(fā)揮的作用也值得肯定，但需要恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計教學(xué)環(huán)節(jié)，使模型制作的傳統(tǒng)教學(xué)項目和3D 打印技術(shù)融會貫通。雖然在多數(shù)高校內(nèi)尚未明確形成3D打印技術(shù)引入《模型制作》課程之后的成熟教學(xué)體系，但可以肯定的是二者在培養(yǎng)學(xué)生能力方面有著相似和互補之處。作為一個教學(xué)項目或環(huán)節(jié)，3D 打印在課程中的引入并不難，難得之處是能夠?qū)⑵渑c成熟教學(xué)體系中的其他教學(xué)項目充分融合，并依據(jù)各個學(xué)校的專業(yè)特點呈現(xiàn)出差異化的特色，而這需要長時間的實踐積累和經(jīng)驗總結(jié)。

4 3D 打印技術(shù)在《模型制作》課程中的應(yīng)用思路

4.1 以培養(yǎng)目標(biāo)為依據(jù)做頂層設(shè)計

將3D 打印技術(shù)引入《模型制作》課程是一種嘗試，在現(xiàn)有教材中出現(xiàn)得并不多，或在部分書籍中以概論形式出現(xiàn)，且占據(jù)的篇幅較少。課程教學(xué)環(huán)節(jié)需要有成熟的設(shè)計作為支撐，內(nèi)容設(shè)計應(yīng)包括各知識點選用及其占用課時的長短。由于3D 打印技術(shù)引入《模型制作》課程沒有形成固定和統(tǒng)一的模式。因而，與之相關(guān)的教學(xué)問題充滿不確定性，容易形成學(xué)生對該部分知識學(xué)習(xí)的誤區(qū)。

4.2 充分調(diào)動學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力

提高對自我的要求是認(rèn)真實踐的一個必要前提，《模型制作》課程的實踐作業(yè)沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)答案，應(yīng)根據(jù)教師要求體現(xiàn)出對造型的認(rèn)知與塑造能力，對模型制作的整體策劃和組織能力，對各種材料的不同加工工藝的掌握及其之間相互配合等。多樣化的評價標(biāo)準(zhǔn)和繁重的作業(yè)量往往是學(xué)生追求優(yōu)秀的絆腳石，為此，應(yīng)以綜合多種材料和多個部件的組合模型為實踐任務(wù)，分小組多人合作完成，保證學(xué)生具有充分的時間提高對自己的要求，同時通過同學(xué)之間和不同材料之間的相互配合，鍛煉其團結(jié)協(xié)作和整體策劃的能力。此外，提供幾個不同類型的高質(zhì)量模型樣版是學(xué)生實踐時的重要參照，一方面可以給學(xué)生樹立一個優(yōu)秀的標(biāo)準(zhǔn)，避免其在學(xué)習(xí)時的恐懼與實踐時的盲目性；另一方面也能兼顧不同興趣類型的學(xué)生在制定模型方案時的不同需求。

4.3 合理控制實踐作業(yè)量

《模型制作》課程有明顯的實踐性，注重學(xué)生實操能力的培養(yǎng)，多數(shù)教學(xué)環(huán)節(jié)多在實驗室內(nèi)進行，而3D 打印由于其本身的技術(shù)特征，也脫離了傳統(tǒng)手工藝主要依靠師傅帶徒弟的形式需求，這為學(xué)生的課外學(xué)習(xí)留下了更多的自我發(fā)揮空間。學(xué)生的知識、技能和綜合素質(zhì)在有限的實踐過程中得到了提升。在不斷地形態(tài)塑造、轉(zhuǎn)化與修改的過程中也加深了對多種材料的特性認(rèn)知。但在有限的課內(nèi)時間內(nèi)，學(xué)生的主觀能動性很難發(fā)揮。因此，引導(dǎo)其高效利用課外時間進行實踐創(chuàng)作就顯得十分重要，既能解決課時壓縮與知識點密集之間的矛盾，也能很好地激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，甚至收獲意想不到的培養(yǎng)效果。學(xué)生有了大量的實操機會，也會遇到不同的問題，對此，教師的引導(dǎo)和監(jiān)督作用至關(guān)重要。除了在理論知識講述部分要深入淺出地激發(fā)學(xué)生興趣，輔助學(xué)生制定恰當(dāng)?shù)膶嵺`任務(wù)外，高標(biāo)準(zhǔn)的示范也能提高學(xué)生對自我的要求，促進其形成良好的學(xué)習(xí)氛圍。

5 結(jié)語

課程體系和教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)計還應(yīng)考慮具體教學(xué)環(huán)節(jié)與總體教學(xué)目標(biāo)的適應(yīng)性。從《模型制作》課程的開課時段、門檻，以及體量上來看，多數(shù)高校將其設(shè)置在第4 或者第5 學(xué)期，學(xué)生在此之前完成計算機輔助設(shè)計等相關(guān)課程的學(xué)習(xí)，而3D 打印技術(shù)在《模型制作》課程中所要承擔(dān)的培養(yǎng)任務(wù)是除計算機輔助設(shè)計之外的實操環(huán)節(jié)，具備足夠的技術(shù)先決條件和良好的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，因而在此環(huán)節(jié)的教授并不需要較多的課時。據(jù)實踐經(jīng)驗和對多所高校的了解，3D 打印設(shè)備的配備率較高，在工業(yè)設(shè)計本科生中人數(shù)和機器數(shù)量之比小于等于10，在職校中更低。就單一中低端的3D 打印機而言，其使用簡單方便，損耗率也較低?？傮w看來，3D 打印機在《模型制作》課程教學(xué)中不需要占據(jù)很多課時，但是具有很好的教學(xué)效果，在教學(xué)目標(biāo)上與《模型制作》課程的傳統(tǒng)教學(xué)環(huán)節(jié)相得益彰，在教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)計上，也與《模型制作》課程的傳統(tǒng)教學(xué)環(huán)節(jié)有較好的適應(yīng)性。

寶玉爹哈哈大笑，你會，開口就說你會？跟你講，我們嗡琴戲講究的是唱做念打全面發(fā)展，單就表演方面，就分“內(nèi)八功”和“外八功”兩種，“內(nèi)八功”包括喜、怒、哀、樂、悲、愁、恨、驚，“外八功”包括手、腿、口、身、頸、武、道、扎等等，冰凍三尺，非一日之寒，你說你會，這不是空口打哇哇！

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