建筑3D打印線上線下混合教學模式創(chuàng)新與實踐

摘要：為加快推進建筑業(yè)工業(yè)化、數字化、智能化轉型升級，許多高校正積極建設智能建造專業(yè)，并推出了一系列新的專業(yè)課程。其中，建筑3D打印是智能建造專業(yè)的一項特色課程，其教學內容涵蓋機械、材料、信息等領域。傳統(tǒng)課堂教學和大范圍實驗存在學生學習興趣不高、知識理解效率低，以及大范圍實驗受制于3D打印的高成本、長制作周期和低成品率的限制；因此，有必要探索線上線下混合式教學模式，以激發(fā)學生的學習興趣，培養(yǎng)學生的實踐精神和創(chuàng)新能力，從而有效提升教學效果。本研究以華中科技大學智能建造專業(yè)建筑3D打印課程教學為例，討論了建筑3D打印線上線下混合式教學的內容設計與實踐運行。該課程搭建了建筑3D打印虛擬仿真系統(tǒng)，提供三維模型格式轉換、模型自動檢測、模型修復等工具，使學生能夠進行虛擬打印操作，以最低成本和最短時間對打印模型參數進行調整。此外，使用基于工業(yè)級六軸機械臂的建筑3D打印設備進行線下打印實踐，建立了標準化的打印工藝流程，以確保打印構件的高精度成型。通過“月壺尊”殼體結構混凝土3D打印案例，介紹了該線上線下混合教學模式下的完整學習過程。該教學模式符合智能建造專業(yè)掌握一種軟件語言、驅動一臺硬件設備、解決一個工程問題的“三個一”人才培養(yǎng)理念，為其他高校開展建筑3D打印教學提供了有益參考。

關鍵詞：建筑3D打印；線下線下；教學模式創(chuàng)新；智能建造

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2909（2024）06-0136-08

我國正處于從“建造大國”向“建造強國”邁進的關鍵時期?！吨腥A人民共和國國民經濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》提出，以智能建造助力“中國建造”。為了推動我國智能建造的發(fā)展，首要任務是培養(yǎng)具備跨學科知識和創(chuàng)造性思維能力的復合型人才。為響應國家的戰(zhàn)略需求，全國已有超過百所高校開設了智能建造專業(yè)。這些高校根據自身特色，提供了多樣化的專業(yè)課程。其中，建筑3D打印作為許多高校智能建造專業(yè)的特色課程，涵蓋了機械、材料和信息等領域的跨學科融合。然而，建筑3D打印教學實踐面臨著雙重挑戰(zhàn)。一方面，由于3D打印設備和材料成本高、制作周期長、成品率低，建筑3D打印教學通常依賴于教師主導的課堂講授或演示實驗等方式［1］；另一方面，僅僅通過傳統(tǒng)課堂教學無法讓學生全方位直觀感受建筑3D打印全過程，從而導致學生出現學習興趣不高、知識理解低效等問題。在智能建造學科發(fā)展的早期階段，有必要探索創(chuàng)新建筑3D打印教學模式，以提高教學質量［2］。

教育部等十一部門印發(fā)的《關于促進在線教育健康發(fā)展的指導意見》，明確要求加快科技與教育的深度融合，推動線上教育與線下教育的良性互動。在這一文件的指導下，線上線下混合式教學的理論及方法得到了多個學科領域的高度重視。在相關研究方面，葉興琳等［3］利用虛擬仿真實驗和智慧教學平臺，構建了基于線上線下的有機化學實驗教學新模式。盧嫣等［4］采用線上線下的方式改進了高分子基礎實驗教學。徐敬海等［5］設計了線上線下混合的地理信息系統(tǒng)原理課程教學改革框架與方法。周小龍等［6］介紹了工程案例與虛擬實驗在建筑結構抗震課程教學中的應用，引導學生從可視化的地震情境中提出問題、分析問題、解決問題，深化學生對抗震基本概念和原理的理解。戴北冰等［7］通過虛擬現實技術建設仿真實驗平臺，有效克服了傳統(tǒng)土力學課程中存在的知識點繁多、內容體系復雜，以及實驗教學受時間、空間和資源限制等問題，提升了土力學課程的教學質量。

線上線下混合式教學為化解建筑3D打印教學的實踐困境、提升課程教學質量提供了新的思路。理論上，線上線下混合式教學既保留了傳統(tǒng)教學方式的互動性和社交性，又提供了豐富的數字化學習工具，幫助教師在引導、啟發(fā)和監(jiān)控教學過程中發(fā)揮更大作用，從而有效激發(fā)學生在學習過程中的主動性、積極性和創(chuàng)造性［8］。這一特征對于培養(yǎng)學生在建筑3D打印學習中的動手能力和創(chuàng)新思維具有顯著作用，同時也能有效規(guī)避大范圍開展建筑3D打印實驗所面臨的各種弊端。值得注意的是，目前關于建筑3D打印教學實踐中線上線下混合教學模式的研究還不夠充分，缺乏針對線上線下內容安排和協同方式的實踐經驗。

本文以華中科技大學智能建造專業(yè)的建筑3D打印課程為研究對象，旨在深入闡釋智能建造專業(yè)“三個一”的人才培養(yǎng)理念，探索虛實結合的線上線下教學實踐，構建理論與實踐、學習與使用一體化的實驗實訓教學模式。這種教學實踐不僅有助于滿足本專業(yè)人才培養(yǎng)的需求，而且還將推進智能建造核心課程教學改革，提高智能建造專業(yè)教育的整體質量。

一、課程內容與線上線下混合式教學

華中科技大學智能建造專業(yè)自2020年開始招生，旨在培養(yǎng)具備智能建造研究應用能力、工程實踐能力、團隊協作能力、創(chuàng)新意識和國際視野，既能在智能建造領域從事智能設計、智能施工、智能運維等技術性工作，又能在人工智能領域從事科技開發(fā)與組織管理工作的高素質復合型人才。

智能建造專業(yè)在教學過程中充分融入了新一代人工智能技術，如大數據智能、群體智能、人機混合智能、無人自主智能等，將其與先進工程建造相結合，實現了教學內容的融合創(chuàng)新。同時，在夯實傳統(tǒng)土木工程基礎課程知識的基礎上，還堅持“三個一”人才培養(yǎng)理念，即通過教學與實踐培養(yǎng)學生至少掌握一種軟件語言（計算機），驅動一臺設備（機械），解決一個工程問題（土木）。建筑3D打印作為智能建造專業(yè)的特色課程，為學生提供了學習和實踐的重要平臺，使其能夠熟練應用建筑3D打印技術，并掌握開發(fā)3D打印應用系統(tǒng)的關鍵技能。

建筑3D打印技術是一種快速成形的先進建造技術［9］。該技術以數字模型為基礎，通過計算機智能控制實現建筑構件的免模板施工工藝，尤其在異形結構建造方面具有顯著優(yōu)勢［10］。在設計建筑3D打印課程時，需要充分考慮該技術的綜合性和學生學習的認知規(guī)律，將課程內容劃分為理論和實踐兩個部分。理論部分主要圍繞建筑3D打印設備的執(zhí)行機構、驅動裝置、材料性質，以及控制系統(tǒng)，旨在使學生掌握該技術的基本原理。建筑3D打印線上線下混合式教學主要側重于課程的實踐部分，如圖1所示。鑒于建筑3D打印涉及多個界面的軟硬件操作，學生在進行實踐操作前，必須在理論學習階段全面掌握相關軟硬件的操作要點及注意事項。

為實現虛擬仿真打印，需要搭建建筑3D打印虛擬仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)提供常用的3D打印建模工具，如3D模型格式轉換、模型自動檢測、模型修復等。在教學過程中，學生在教師的指導下利用該系統(tǒng)進行多種結構的混凝土構件建模。通過機器人操作系統(tǒng)（Robot Operating System，ROS）規(guī)劃虛擬打印路徑，并通過離線編程將規(guī)劃路徑轉化為機械臂運動的指令集，以完成虛擬打印仿真。這種虛擬仿真打印方式有助于學生在實際打印操作之前，靈活配置不同的打印參數并對比分析相應的打印效果。面對效果不夠理想的情況，學生能夠以最低成本和最短時間對初始模型參數進行修改或調整，從而提高實際打印操作效率和成果質量。

真實打印操作則使用基于工業(yè)級六軸機械臂的建筑3D打印設備。在真實打印的準備、打印和收尾環(huán)節(jié)，均配備專門的實驗員，指導學生進行具體操作。在整個實踐教學過程中，將建筑3D打印的關鍵步驟及常見實踐問題整理成電子版指導手冊，以供學生持續(xù)學習建筑3D打印相關知識。

基于上述課程內容設計與混合式教學思路，華中科技大學相關團隊將科技部重點研發(fā)計劃項目“輕量化可重構月面建造方法研究”“面向建筑行業(yè)典型應用的機器人關鍵技術與系統(tǒng)”等研究成果融入智能建造專業(yè)的建筑3D打印教學環(huán)節(jié)。以下將以“月壺尊”殼體結構3D打印為例，介紹建筑3D打印線上線下混合教學的實踐運行情況。

二、線上虛擬仿真

建筑3D打印線上虛擬仿真的主要目標是使學生系統(tǒng)地學習3D打印結構建模、3D打印切片、格式轉化、虛擬打印路徑規(guī)劃等內容（見圖2），掌握Rhino、Simplify3D、RobotStudio等軟件的具體功能與操作。

（一） 基于Rhino的3D打印結構建模

按照常規(guī)的建筑3D打印實踐流程，線上虛擬仿真教學的第一部分內容是指導學生利用Rhino參數化設計軟件完成3D打印結構的建模。在此過程中，學生需注意實際打印過程中可能存在的人為誤差，以及機械臂的運動范圍、噴頭精度等因素帶來的打印局限性。比如，模型在豎直方向超過35°傾斜角度時，容易導致打印構件塌陷。完成3D虛擬模型后，教師將引導學生關注后續(xù)注意事項，包括對模型的尺寸、傾斜角度等主要指標進行檢查和確認。在確保檢查結果符合要求后，教師將指導學生導出STL格式文件，以便進行下一步3D打印切片。本部分內容共計4課時。

（二） 基于Simplify3D的3D打印結構分析

線上虛擬仿真教學的第二部分內容是指導學生利用Simplify3D軟件對已建立的3D打印結構進行分析。Simplify3D為學生提供了易于使用的交互界面，便于導入3D模型文件并分析潛在的幾何形狀網格錯誤，如孔、薄壁或自相交等（如圖3）。學生還可以利用Simplify3D的快速編輯工具，自定義支撐位置和形狀。根據打印要求，學生在編輯打印過程的設置中可以調整具體的打印參數，如噴嘴直徑、擠出寬度、層高、封頂和封底層數、外殼周長和打印方向等。

在本案例的“月壺尊”切片設置中，模型尺寸直徑為200 mm，噴嘴直徑為10 mm，層高為3 mm?？紤]泵機擠出速率及二級噴頭擠出速率的影響，將擠出線寬設置為5 mm。這樣的參數設置使得“月壺尊”能夠保持整體形狀，層與層之間的連接度較好，并且內部帶肋部分能夠與內圈有效連接，從而避免了斷料、斷點等問題，符合打印要求。本部分內容共計4課時。

（三） 基于RobotStudio的虛擬打印路徑規(guī)劃

線上虛擬仿真教學的最后一部分內容是指導學生利用RobotStudio軟件進行虛擬打印路徑規(guī)劃，這也是線上虛擬仿真的重點內容。此部分主要利用與機械臂配套的RobotStudio軟件，搭建虛擬仿真系統(tǒng)，進而模擬整個打印過程，分析可能存在的問題并有針對性地進行調整。教師指導學生在仿真系統(tǒng)中添加3D打印現場環(huán)境模型，導入3D打印機械臂及末端噴嘴模型，輸入機械臂姿態(tài)、打印工具姿態(tài)、外部軸位等驅動信息，隨后利用模擬示教器對虛擬機械臂進行示教。

仿真系統(tǒng)提取路徑規(guī)劃點的三維坐標信息，形成可視化的預打印路徑和設備運動指令，從而使虛擬機械臂執(zhí)行虛擬打印作業(yè)。然而，僅僅觀看機械臂的運動無法檢查打印路徑是否存在錯誤，也無法優(yōu)化相關參數；因此，利用RobotStudio軟件自帶的TCP跟蹤功能，實時顯示機械臂和末端噴嘴的位置與姿態(tài)信息，并通過“單步前進”和“單步后退”功能，將路徑上一個點作為當前節(jié)點，讓學生仔細觀察虛擬打印的過程（見圖4）。此功能有助于檢查規(guī)劃路徑的合理性和打印過程的流暢性，還能對路徑規(guī)劃的細節(jié)進行微調，從而提高真實打印的成功率。本部分內容共計4課時。

三、線下真實打印

通過課前學習和線上虛擬仿真，學生對3D打印實驗內容、步驟和相關設備形成了初步了解。在進行線下真實打印前，教師將學生分成4～6人一組，提前安排操作任務，每組學生輪流完成線下3D打印實驗準備、打印和收尾三個環(huán)節(jié)的相關工作?？紤]打印成功率受打印機械設備、打印模型構造、混凝土材料性能、攪拌時間和運輸工藝等因素的影響，線下真實打印操作需要固定打印工藝流程，使打印過程標準化。這樣既可以減輕設備不足的壓力，又有助于促進學生之間的合作。

在準備環(huán)節(jié)，學生在教師指導下分析混凝土材料的性能，包括材料攪拌、表觀形態(tài)觀察、擠壓測試、凝結時間和稠度測試等，判斷混凝土材料是否適合3D打?。ㄒ妶D5）。在教學過程中，教師引導學生從虛擬3D建模的理想環(huán)境出發(fā)，思考線下實驗中的注意事項，例如如何減少各種干擾對打印成果的影響。待準備完畢后，學生將真實體驗線下3D打印過程。

首先，將水泥、砂等干料與快硬劑、增稠劑等添加劑加入砂漿攪拌機中充分混合。待干攪完成后，加入適量水及含有減水劑的水溶液，再充分攪拌，以確?；炷敛荒獭嚢柰瓿珊?，將混凝土從攪拌機移至泵機中，開始運輸至噴頭處。本實驗的噴頭增加了一個螺旋裝置，以實現打印過程中的混凝土攪拌，避免了混凝土在噴頭處停留過久而硬化，防止噴頭堵塞或斷料現象的發(fā)生。本部分內容共計3課時。

在打印環(huán)節(jié)，學生在操作臺打開切片模型，按照線上虛擬仿真結果設置打印參數。在打印過程中，教師需要提醒學生觀察管道和噴頭的運動情況。由于混凝土材料的性質，需實時控制打印過程中機械臂的移動速率和泵機的混凝土輸送速率（見圖6），以免混凝土中出現空氣導致斷料現象的發(fā)生。圖7展示了“月壺尊”殼體結構3D打印的部分過程。

此外，為了實時監(jiān)控打印過程，支持后續(xù)對打印成果進行三維重構和打印過程優(yōu)化，在打印區(qū)域的四周布設了四個球型攝像頭，構成360°監(jiān)控系統(tǒng)（見圖8）。在“月壺尊”殼體結構混凝土3D打印過程中，啟動攝像頭并開啟錄屏裝置，可以實現全方位的視覺檢測。學生在教師的引導下，分析3D打印過程中的影像，并與3D打印的虛擬仿真結果進行對比，分析導致虛擬和實體打印差異的原因與對策，例如材料配比、工藝流程和人員操作等。本部分內容共計6課時。

在收尾環(huán)節(jié)，學生在教師指導下對設備進行清洗、歸位。學生需要掌握如下操作流程：將噴頭移開打印區(qū)域，清除管道和噴頭中剩余的混凝土，并在泵機排空混凝土后加水，防止泵機空轉損壞；在各機械設備清洗干凈后，使用高壓水槍清洗地面，將各個工具擺放至規(guī)定位置。教師在收尾工作完成后進一步引導學生分析虛擬仿真打印對實際3D打印的支持作用。本部分內容共計3課時，至此整個建筑3D打印課程結束。

四、學生反饋與教學創(chuàng)新點

針對傳統(tǒng)教學方式在開展建筑3D打印等智能建造技術教學中存在的不足，線上線下混合教學模式對教學方式及內容進行了優(yōu)化，獲得了學生的積極反饋。超過80%的學生認為，虛擬打印仿真環(huán)節(jié)為其提供了充足的學習和探索空間，而線下真實打印環(huán)節(jié)在標準化流程和電子版指導手冊的引導下，使其能夠全面掌握科學的操作流程。此外，學生在學習過程中還接觸了機器人控制、視覺檢測等相關知識，激發(fā)了其創(chuàng)新精神。根據學生的反饋，為了更好地總結實踐過程中的操作技巧，可在收尾環(huán)節(jié)結束后引入課堂討論，讓不同小組分享彼此的操作經驗，還可考慮將實驗過程制作成視頻材料，供學生課后復習，以強化認知，進一步提高其對建筑3D打印的理解和應用能力。本線上線下混合教學模式的創(chuàng)新點總結如下。

（一） 多學科交叉創(chuàng)新實驗

建筑3D打印實驗涉及多種軟硬件的操作，是智能建造專業(yè)與計算機科學與技術、電子信息及機械設計制造等多學科的交叉拓展。采用虛實結合的實驗教學模式能夠有效激發(fā)學生的學習興趣，有助于引導學生帶著問題開展實驗，通過實際操作、觀察和總結，深入探索答案，從而奠定扎實的知識基礎，并培養(yǎng)其科學探索精神。

（二） 科研成果快速反哺教學

目前，建筑3D打印技術尚處于初級階段，需在打印設備、材料及工藝等方面進一步改進［11］。本教學模式充分利用建筑3D打印虛擬仿真系統(tǒng)在實驗教學和科研方面的一致性及其基本相似的構成要素，通過建立虛擬仿真系統(tǒng)迅速整理建筑3D打印構件庫，將科研項目的階段性成果及時轉化為教學資源，從而推動研學轉化。

（三） 多功能開放式教學平臺

建筑3D打印線上線下混合教學模式秉承以學生為中心的教育理念，普及建筑3D打印、虛擬仿真等智能建造技術的重要知識，鼓勵技術學習與分享交流。相關軟硬件設施設備既支持驗證性實驗，又可以進行更為復雜的綜合性實驗，匯聚學生的創(chuàng)新智慧，引導其在材料優(yōu)化、工藝改良、硬軟件性能提升等多方面探索高成形質量的3D打印成果。

五、總結

為滿足智能建造專業(yè)人才的知識需求，眾多高校相繼開設了建筑3D打印等課程，對學生在理論與實踐方面的學習提出了新的要求，因此有必要采用創(chuàng)新的教學模式。本研究詳細介紹了華中科技大學智能建造專業(yè)中建筑3D打印課程所采用的線上線下混合教學模式。該模式設計旨在滿足專業(yè)人才培養(yǎng)的“三個一”要求，使學生能夠借助建筑3D打印虛擬仿真系統(tǒng)分析理論打印效果，優(yōu)化參數配置，并在此基礎上進行實際的3D打印實驗。通過線上線下協同和虛實結合的方式，幫助學生深刻理解打印模型構造、混凝土材料配比、打印機械設備、混凝土攪拌和運輸工藝、打印方法等關鍵知識。

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（責任編輯 梁遠華）

基金項目：湖北省高等教育學會共同體建設項目重點課題（2022XD83）