高職教育中基于3D打印技術(shù)的教學(xué)實(shí)踐與研究

陳方婧 徐姍姍

摘 要：被稱為第三次工業(yè)革命標(biāo)志性生產(chǎn)工具的3D打印技術(shù)，由于其生產(chǎn)、運(yùn)用領(lǐng)域的廣泛性，隨之帶來(lái)的生產(chǎn)方式的變革性，引入高校教育教學(xué)的必然性，已逐步替代傳統(tǒng)制造技術(shù)，成為行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。在《中國(guó)制造2025》規(guī)劃中明確提到，3D打印將成為實(shí)現(xiàn)智能化制造的重要手段。因此，將高職教育的鮮明特色與3D打印技術(shù)教學(xué)的科學(xué)結(jié)合實(shí)為高職教育發(fā)展的大勢(shì)所趨，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)教學(xué)中引入3D打印實(shí)踐技術(shù)是改革創(chuàng)新的必然結(jié)果，在產(chǎn)品藝術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)中有著現(xiàn)實(shí)需求及重要意義。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù);產(chǎn)品藝術(shù)設(shè)計(jì);高職教育

本文以3D打印技術(shù)引入實(shí)踐性教學(xué)為研究對(duì)象，從武漢交通職業(yè)學(xué)院藝術(shù)學(xué)院的實(shí)際情況出發(fā)，對(duì)高職教育中基于3D打印技術(shù)的實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行探討與研究，從而構(gòu)建合理的教學(xué)體系，建立科學(xué)的教學(xué)模式，完善相關(guān)的課程規(guī)范，將現(xiàn)有的教學(xué)系統(tǒng)、教學(xué)資源與人才培養(yǎng)計(jì)劃科學(xué)對(duì)接，將教學(xué)目標(biāo)明確化、設(shè)置安排合理化、教學(xué)實(shí)施多元化、教學(xué)效果最優(yōu)化，從而培養(yǎng)高職教育體系下的高素質(zhì)、高技能的應(yīng)用型人才。促使教師在教學(xué)中不斷更新設(shè)計(jì)工具，完善設(shè)計(jì)流程，尋求校企合作的機(jī)會(huì)，聘用企業(yè)專家指導(dǎo)，講授更多緊扣時(shí)代及市場(chǎng)需求相關(guān)知識(shí)的同時(shí)，提供給學(xué)生更多實(shí)習(xí)就業(yè)機(jī)會(huì)。在教學(xué)設(shè)施方面，學(xué)院引進(jìn)最新的電子手繪屏、3D打印機(jī)器，積極完善3D打印實(shí)訓(xùn)室、實(shí)訓(xùn)機(jī)房及陶藝模型實(shí)訓(xùn)室的建設(shè)，不斷更新設(shè)備的配置，讓學(xué)生有更多的實(shí)際操作場(chǎng)所，去實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目，提升三維建模能力、產(chǎn)品造型能力、動(dòng)手實(shí)操能力。

一、3D打印技術(shù)現(xiàn)狀與人才需求分析

近年來(lái)，被廣泛運(yùn)用的3D打印技術(shù)逐步走下神壇，進(jìn)入到建筑、醫(yī)療、航空航天、汽車、工程施工、珠寶設(shè)計(jì)、餐飲及教育等領(lǐng)域。3D打印技術(shù)又名“增材制造技術(shù)”，因其運(yùn)用逐層疊加的方式打印生產(chǎn)而得名，3D打印技術(shù)將三維模型經(jīng)由切片軟件的處理，使用特定的3D打印材料將產(chǎn)品打印出來(lái)。根據(jù)其技術(shù)原理不同又可分為FDM、SLA、3DP、SLS等。因打印原理的不同，導(dǎo)致打印材料、打印精度、制作成本都不盡相同。武漢交通職業(yè)學(xué)院3D打印實(shí)訓(xùn)室的五臺(tái)3D打印設(shè)備為四臺(tái)FDM絲材熔融擠壓成型技術(shù)設(shè)備和一臺(tái)SLA光固化成型技術(shù)設(shè)備。因其桌面型設(shè)備體積小巧，材料經(jīng)濟(jì)，成型快速，安全無(wú)毒，成為我們3D打印技術(shù)課程的主要操作設(shè)備。

通過大量的資料收集與分析，市場(chǎng)調(diào)研與走訪，筆者發(fā)現(xiàn)因?yàn)檎麄€(gè)3D打印行業(yè)處在起步階段，所以行業(yè)對(duì)人才的需求沒有一個(gè)較明確的劃分，大致可分為三類：技術(shù)研究及材料開發(fā)的企業(yè)，需要能熟悉3D打印技術(shù)的機(jī)械類人才，能運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件開發(fā)核心技術(shù)的人才及精通三維數(shù)據(jù)建模的人才;設(shè)備研發(fā)機(jī)構(gòu)及工業(yè)設(shè)計(jì)部門，需要的是熟悉機(jī)械制造且掌握3D打印技術(shù)，具備一定產(chǎn)品設(shè)計(jì)能力的人才;3D打印設(shè)備的零售營(yíng)銷企業(yè)，需要的是能夠熟悉3D打印工作原理，具備一定營(yíng)銷溝通能力，能夠?yàn)榭蛻籼峁┡涮追?wù)的人才，包括能夠?yàn)榭蛻籼峁┬麄?、咨詢、培?xùn)、售后等服務(wù)的人才。了解市場(chǎng)對(duì)3D打印技術(shù)相關(guān)人才的需求之后，我們?cè)谥贫ㄈ瞬排囵B(yǎng)方案及教育教學(xué)過程中，能有的放矢地將人才培養(yǎng)與企業(yè)、社會(huì)的需求掛鉤，不斷完善課程目標(biāo)、課程設(shè)計(jì)及教學(xué)實(shí)施。

二、教學(xué)實(shí)踐方案與研究

（一）教學(xué)方面

3D打印課程在實(shí)際教學(xué)中與創(chuàng)意思維課程結(jié)合，采用項(xiàng)目制的教學(xué)方法，作為產(chǎn)品藝術(shù)設(shè)計(jì)專業(yè)學(xué)生大一下學(xué)期的考查課程。該門課程要求學(xué)生在結(jié)合創(chuàng)意思維去設(shè)計(jì)產(chǎn)品的同時(shí)，理解并掌握3D打印技術(shù)的理論知識(shí)，運(yùn)用三維軟件進(jìn)行建模，學(xué)會(huì)安裝及使用3D打印設(shè)備附帶的模型分層軟件，并且能將分層處理后的模型用3D打印設(shè)備打印出來(lái)，做好模型后期的修復(fù)及處理打磨、噴涂工作，進(jìn)而滿足基于3D打印技術(shù)的設(shè)備使用、設(shè)備調(diào)試、設(shè)備維護(hù)要求。將該門技術(shù)與創(chuàng)意思維課程結(jié)合，以項(xiàng)目式教學(xué)為方式，目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維能力、動(dòng)腦動(dòng)手能力、獨(dú)立完成完整設(shè)計(jì)流程的能力，激發(fā)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的初學(xué)者們的學(xué)習(xí)興趣，養(yǎng)成開闊創(chuàng)新的思維能力，培養(yǎng)正確科學(xué)的設(shè)計(jì)思路與流程，快速將“所想”變?yōu)椤皩?shí)現(xiàn)”，為學(xué)生的后續(xù)學(xué)習(xí)提供理論知識(shí)與技術(shù)保障。

（二）實(shí)踐方面

實(shí)踐安排如表1，在實(shí)踐方面需要以小組分組的方式完成課程任務(wù)，并且需要把工作量及具體責(zé)任落實(shí)到人，以保證每位同學(xué)的學(xué)習(xí)效果。以“先學(xué)帶后學(xué)”的方式，讓思維更活躍、掌握知識(shí)更快的同學(xué)幫助稍慢的同學(xué)，既能提高學(xué)生們的學(xué)習(xí)熱情與興趣，深化同學(xué)友誼，也能提高學(xué)生們的溝通表達(dá)能力。實(shí)施分組時(shí)應(yīng)當(dāng)每組都能安排兩位態(tài)度認(rèn)真、細(xì)心的女生，能夠幫助其他組員的學(xué)習(xí);分組時(shí)也應(yīng)當(dāng)安排有良好學(xué)習(xí)習(xí)慣的男生，能夠改善整個(gè)組的學(xué)習(xí)氛圍，并且男生可以操作需要體力才能完成的工作;分組時(shí)也應(yīng)當(dāng)將不同性格的學(xué)生安排到一起，提升他們的適應(yīng)能力及溝通能力。在實(shí)踐中也應(yīng)當(dāng)因材施教，不斷從學(xué)生的反饋中汲取經(jīng)驗(yàn)，不斷調(diào)整教學(xué)方式，以適應(yīng)教學(xué)，使得教學(xué)效果最優(yōu)。

（三）考核及成果方面

根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研與走訪得出的人才需求結(jié)論，來(lái)調(diào)整我們的考核方式。將明晰生產(chǎn)流程、了解安全生產(chǎn)要求、熟知操作規(guī)范及實(shí)訓(xùn)室規(guī)章制度、合理科學(xué)的使用設(shè)備，也納入課程考核中去，因?yàn)檫@些也是企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)中所重視的。除完成主導(dǎo)項(xiàng)目外，將能夠自主自發(fā)地完成拓展項(xiàng)目，也納入課程考核中，作為加分項(xiàng)來(lái)鼓勵(lì)學(xué)生?？己说淖罱K落腳點(diǎn)在于強(qiáng)調(diào)學(xué)生的綜合能力及平衡發(fā)展。結(jié)合課堂表現(xiàn)、考勤、團(tuán)隊(duì)協(xié)作表現(xiàn)、平時(shí)作業(yè)，最終作品等綜合評(píng)估的結(jié)果才是課程的最終考核結(jié)果。成果方面將會(huì)辦課程展覽、出版學(xué)生作品集、建設(shè)精品在線課程。

三、課程整體設(shè)計(jì)

（一）課程預(yù)期目的

1.知識(shí)目標(biāo)

希望通過3D打印技術(shù)的教學(xué)，使學(xué)生掌握相關(guān)理論知識(shí)，熟知3D打印技術(shù)的應(yīng)用背景與現(xiàn)狀，熟悉打印材料，能熟練操作、調(diào)試、維護(hù)設(shè)備。課程與創(chuàng)意思維知識(shí)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維能力，希望學(xué)生能較好地完成思維的“發(fā)散”與“甄選”過程，能掌握三維軟件的基本操作方法，能將所學(xué)知識(shí)進(jìn)行全面的分析與比較，完成課程任務(wù)。

2.能力目標(biāo)

要求學(xué)生們能根據(jù)項(xiàng)目方案的要求，進(jìn)行項(xiàng)目資料的收集與分析;帶著問題去聽課程，在課程中能根據(jù)所看所學(xué)，舉一反三，不斷拓展思路，較好完成自己的創(chuàng)意點(diǎn)子;能運(yùn)用繪畫工具完成創(chuàng)意草圖的繪制，運(yùn)用Rhino等三維軟件進(jìn)行簡(jiǎn)單模型的制作與修改;能有自主學(xué)習(xí)的能力，通過互聯(lián)網(wǎng)搜索、給教師提問、同學(xué)互助等方式完善自己的知識(shí)體系，豐富知識(shí)儲(chǔ)備。

3.素質(zhì)目標(biāo)

要求學(xué)生們能較好的對(duì)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品進(jìn)行闡述說(shuō)明，提升表達(dá)溝通能力;在分組練習(xí)的情況下，既能獨(dú)立思考，又善于學(xué)習(xí)別人的經(jīng)驗(yàn);在項(xiàng)目進(jìn)行的過程中，能發(fā)揚(yáng)團(tuán)隊(duì)精神，培養(yǎng)組織協(xié)作能力，解決問題的能力，創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的能力;在操作設(shè)備的過程中，牢記安全第一，嚴(yán)苛遵守實(shí)訓(xùn)室規(guī)則，培養(yǎng)經(jīng)濟(jì)成本、時(shí)間管理、規(guī)范操作的意識(shí)。

（二）課程設(shè)計(jì)

課程流程：用游戲?qū)胝n程—講授課程計(jì)劃及考核要求（讓學(xué)生們帶著目的去聽課）—?jiǎng)?chuàng)意思維理論概述—聯(lián)想練習(xí)及設(shè)計(jì)賞析—3D打印理論概述—rhino軟件工具的講解—解讀紅星獎(jiǎng)（或課程展要求）—根據(jù)大賽要求跟所學(xué)知識(shí)設(shè)計(jì)一款書寫類工具—rhino建?！?D模型打印及后期—提交大賽作品（或布置課程展）—項(xiàng)目匯報(bào)，自評(píng)、互評(píng)—課程總結(jié)。

課程背景：隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，在滿足了人類的基本需求后，我們對(duì)文化及精神層面的需求達(dá)到了一個(gè)新的高點(diǎn)。文創(chuàng)產(chǎn)業(yè)是在經(jīng)濟(jì)全球化背景下出現(xiàn)的以創(chuàng)造創(chuàng)新為主要驅(qū)動(dòng)力的產(chǎn)業(yè)。筆者曾經(jīng)就職于一家已經(jīng)上市多年的中國(guó)著名文具創(chuàng)意產(chǎn)品公司，擔(dān)任產(chǎn)品中級(jí)設(shè)計(jì)師的職務(wù)，對(duì)書寫類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與研發(fā)有著企業(yè)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，也有著自己的理解。故在此門課程中，希望以書寫類工具設(shè)計(jì)為課程項(xiàng)目，強(qiáng)調(diào)學(xué)生主體發(fā)現(xiàn)美、升華美的能力，將文化因素融入作品，通過設(shè)計(jì)及3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)意。

課程項(xiàng)目：設(shè)計(jì)一款書寫類工具。

課程對(duì)象：武漢交通職業(yè)學(xué)院藝術(shù)學(xué)院產(chǎn)品藝術(shù)設(shè)計(jì)專業(yè)大一學(xué)生。

（三）教學(xué)方法

教學(xué)中以項(xiàng)目式教學(xué)方法貫穿始終，要求學(xué)生完成一款書寫類工具的設(shè)計(jì)。運(yùn)用講解法，用信息化技術(shù)進(jìn)行演示并進(jìn)行適當(dāng)板書，講授理論知識(shí);講授多個(gè)實(shí)際設(shè)計(jì)案例，讓學(xué)生們對(duì)此案例進(jìn)行討論，運(yùn)用研討法的教學(xué)方式，加固學(xué)生對(duì)案例的理解，通過討論拓展思維，去蕪存精。教師動(dòng)手制作定格動(dòng)畫，用逐幀講解的方式給學(xué)生講解3D打印技術(shù)的原理;演示法的方式給學(xué)生們演示如何正確安全的操作3D打印設(shè)備。在整個(gè)教學(xué)活動(dòng)中，將講授與討論結(jié)合，理論與游戲結(jié)合，以期望到達(dá)最好的教學(xué)效果。

（四）項(xiàng)目授課過程

第一階段：任務(wù)的布置、理論課程的講授

在第一階段有兩個(gè)理論體系，即“創(chuàng)意思維概述”及“3D打印技術(shù)概述”需要講授，在此特別需要注意的是在講清楚每個(gè)理論體系內(nèi)容的前提下，將兩個(gè)理論體系聯(lián)系起來(lái)，更好地安排課程，注重講授的邏輯性與科學(xué)性。

在十分了解學(xué)生已經(jīng)掌握的知識(shí)及學(xué)生的興趣點(diǎn)后，教師用游戲來(lái)活躍課堂，用“碎片重組練習(xí)”、“一筆畫成”、奧數(shù)題“母雞下蛋”來(lái)導(dǎo)入課程，大大增加了學(xué)生的參與感，提升了學(xué)習(xí)興趣，并且補(bǔ)充知識(shí)點(diǎn)——5W1H分析法，幫助學(xué)生利用科學(xué)性邏輯性強(qiáng)的思維方式去剖析項(xiàng)目命題。接下來(lái)將設(shè)計(jì)任務(wù)提前布置下去，讓學(xué)生們清楚了解這門課該學(xué)習(xí)些什么？課程結(jié)束考核時(shí)要做些什么？讓學(xué)生們帶著問題去聽接下來(lái)的課程，每一個(gè)講授的案例及知識(shí)點(diǎn)都將成為靈感迸發(fā)的源泉。將知識(shí)體系中涉及到的知識(shí)點(diǎn)、重難點(diǎn)給學(xué)生們著重講解，實(shí)時(shí)互動(dòng)，密切關(guān)注學(xué)生們的聽課反饋，根據(jù)反饋實(shí)時(shí)調(diào)整教師的授課方式及授課節(jié)奏。

第二階段：解讀紅星獎(jiǎng)

將課程與設(shè)計(jì)大賽進(jìn)行對(duì)接，將賽事的效用發(fā)展到課堂，是培養(yǎng)具備鮮明特色的高素質(zhì)高技能人才的方式。本課程將與紅星獎(jiǎng)進(jìn)行對(duì)接，紅星獎(jiǎng)的作品征集時(shí)間約為每年的3月15日至6月30日，而本門課程的授課時(shí)間為大一下學(xué)期末，約為每年的5月18日至6月8日。這樣的授課時(shí)間正好能與大賽對(duì)接，學(xué)生們可以在老師的指導(dǎo)下完成課程項(xiàng)目，并且將項(xiàng)目作品投稿參與設(shè)計(jì)比賽。在這樣的課程安排中，教師的指導(dǎo)與引導(dǎo)尤為重要，故將大賽的解讀專門列為課程安排中的一個(gè)課時(shí)，可以給學(xué)生們解讀大賽背景，賽事要求，解析獲獎(jiǎng)作品。讓學(xué)生了解大賽要求的同時(shí)，可以作為一個(gè)案例分析，讓大家學(xué)習(xí)的同時(shí)，汲取經(jīng)驗(yàn)，豐富自己的設(shè)計(jì)。

第三階段：草圖、溝通

在教師的指導(dǎo)下完成頭腦風(fēng)暴思維的拓展訓(xùn)練后，學(xué)生們可以根據(jù)自己的意愿設(shè)計(jì)產(chǎn)品，繪制草圖。在繪制草圖的過程中，要考慮產(chǎn)品的色彩、結(jié)構(gòu)、工藝及后期效果，盡量思慮周全。在繪制的過程中多與教師溝通交流，確定草圖方案。教師可以將較好的設(shè)計(jì)方案展示給全班同學(xué)，既能表?yè)P(yáng)態(tài)度認(rèn)真、思維活躍的學(xué)生，使他們起到一個(gè)表率作用，也能激發(fā)其他同學(xué)的好勝心，更加努力地去做自己的設(shè)計(jì)方案。課堂上方案的交流跟展示能激發(fā)碰撞出更多的設(shè)計(jì)靈感。

第四階段：建模、修改

在草圖繪制完成，方案最終確定后，很重要的一步便是三維模型的制作與修改。電腦輔助設(shè)計(jì)是草圖設(shè)計(jì)完成后不可避免的過程，是設(shè)計(jì)概念的數(shù)字化呈現(xiàn)方式。雖然這個(gè)呈現(xiàn)方式對(duì)于大一新生來(lái)說(shuō)存在一定難度，但也是可以通過科學(xué)的教學(xué)方式、專業(yè)的課程講授及同學(xué)們的耐心專研來(lái)攻克的。在這個(gè)階段，教師將講解Rhino軟件的基本操作，帶領(lǐng)學(xué)生們制作軟件模型，答疑解惑，也需要學(xué)生們互相學(xué)習(xí)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作。

第五階段：分層、3D打印、模型后期

3D打印模型前，需要對(duì)三維模型進(jìn)行一些處理，需要使用打印設(shè)備專門配備的分層軟件進(jìn)行分層。這里將講授分層軟件的安裝與使用，3D打印設(shè)備的使用、材料的更換、設(shè)備調(diào)試與保養(yǎng)，要求學(xué)生們嚴(yán)格遵守實(shí)訓(xùn)室規(guī)范進(jìn)行操作。這里還要注意時(shí)間的合理安排，因?yàn)槲覀兪褂玫?D打印設(shè)備打印一支自動(dòng)鉛筆的模型需要1.5至2小時(shí)，全為單色打印。不同的小組在打印時(shí)要合理安排時(shí)間，考慮不同顏色材料的更換問題。這時(shí)候需要組長(zhǎng)與組員密切配合，共同完成工作。模型打印完成后，需要進(jìn)行后期的打磨、噴漆、粘合。

第六階段：參賽作品整理、匯報(bào)、評(píng)價(jià)、總結(jié)

課程的最后一個(gè)階段，需要大家將設(shè)計(jì)好的模型拍照整理，投稿紅星獎(jiǎng)比賽。在完成大賽作品提交后，要求以小組為單位，匯報(bào)本組設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，從設(shè)計(jì)概念的甄選到最后模型完成的整個(gè)設(shè)計(jì)流程。課程結(jié)尾時(shí)，請(qǐng)大家自評(píng)、互評(píng)作品，教師給予課程總結(jié)。

四、結(jié)語(yǔ)

3D打印技術(shù)在產(chǎn)品藝術(shù)設(shè)計(jì)專業(yè)的教學(xué)中占有重要地位，產(chǎn)品藝術(shù)設(shè)計(jì)作為一門位于時(shí)代前沿，緊扣科學(xué)技術(shù)的實(shí)踐型學(xué)科門類，對(duì)從業(yè)者的審美與技術(shù)能力有著極高的要求。從創(chuàng)意概念的迸發(fā)與甄選到傳統(tǒng)手繪工具與手繪板的運(yùn)用，草圖的技術(shù)性表現(xiàn)，三維模型的制作與效果圖渲染，再到實(shí)體模具的制作與后期，這些流程清晰、階段銜接緊密的設(shè)計(jì)過程，都對(duì)該專業(yè)學(xué)生提出了極高的要求。本門課程的設(shè)置對(duì)該專業(yè)學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)能力的提高大有助益，課程結(jié)束后的成果豐碩，學(xué)生可以大量投稿大賽。課程結(jié)束后會(huì)有課程展覽展示學(xué)生作品，有助于設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，并將學(xué)生作品集結(jié)成作品集。相關(guān)課程的精品在線課程也正在籌備與建設(shè)中，預(yù)計(jì)2019年建設(shè)完成。

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作者單位：

武漢交通職業(yè)學(xué)院藝術(shù)學(xué)院