3D打印創(chuàng)客教育實(shí)踐教學(xué)研究

令紫娟

（甘肅工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院<測(cè)繪學(xué)院>，甘肅 天水741025）

0 引言

從2011年開(kāi)始，全球逐漸掀起3D打印的高潮。當(dāng)前，3D打印在航空航天、汽車(chē)、醫(yī)療健康等領(lǐng)域的市場(chǎng)應(yīng)用已經(jīng)取得積極的進(jìn)展，我國(guó)3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展至今，呈現(xiàn)出不斷深化、不斷擴(kuò)大應(yīng)用的態(tài)勢(shì)。習(xí)近平總書(shū)記提出：隨著3D打印技術(shù)規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，傳統(tǒng)的工藝流程、生產(chǎn)線、工廠模式、產(chǎn)業(yè)鏈組合都將面臨深度調(diào)整。我們必須高度重視、密切跟蹤、迎頭趕上。李克強(qiáng)總理提到：既要瞄準(zhǔn)世界產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展前沿，加強(qiáng)3D打印核心技術(shù)和原創(chuàng)技術(shù)研發(fā)，又要加快成果推廣運(yùn)用和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程[1]。3D打印不僅是一項(xiàng)前沿性的制造技術(shù)，更是一項(xiàng)國(guó)家戰(zhàn)略。為推動(dòng)我國(guó)增材制造（3D打?。┊a(chǎn)業(yè)快速、持續(xù)健康發(fā)展，從國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略層面，出臺(tái)了系列文件和通知，如工信部等十二部門(mén)聯(lián)合發(fā)布的《增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（2017-2020年）》（工信部聯(lián)裝〔2017〕311號(hào)）、《中國(guó)制造2025甘肅行動(dòng)綱要》（甘政發(fā)〔2015〕90號(hào)）等文件。

在“大眾創(chuàng)業(yè)，萬(wàn)眾創(chuàng)新”時(shí)代背景下，3D打印成為大學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的重要輔助工具，也是創(chuàng)客進(jìn)行創(chuàng)造的重要技術(shù)途徑。各大院校實(shí)施增材制造技術(shù)普及工程，進(jìn)一步促進(jìn)3D打印技術(shù)在學(xué)校教育領(lǐng)域的推廣。通過(guò)開(kāi)設(shè)3D打印培訓(xùn)課程、建立相關(guān)實(shí)驗(yàn)室，參與各類3D打印比賽活動(dòng)，激發(fā)和培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)的興趣與愛(ài)好。針對(duì)“3D打印+創(chuàng)客教育”需求，結(jié)合甘肅工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院專業(yè)設(shè)置及教學(xué)情況，通過(guò)開(kāi)發(fā)有趣的實(shí)踐項(xiàng)目，激發(fā)學(xué)生自主探究的意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生勇于創(chuàng)新的精神，提高學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力，從而促進(jìn)實(shí)踐教學(xué)的改革與創(chuàng)新。

1 教學(xué)手段改革

1.1 興趣驅(qū)動(dòng)的課堂教學(xué)改革

以3D打印為興趣驅(qū)動(dòng)的課堂教學(xué)模式，讓學(xué)生有參與感、設(shè)計(jì)感以及成就感，使其樂(lè)在其中，并享受自己動(dòng)手的制作過(guò)程。不僅達(dá)到了教學(xué)目的，對(duì)教學(xué)過(guò)程也起到催化劑的作用。而且對(duì)教學(xué)質(zhì)量的提高起到積極的推動(dòng)作用。在課堂教學(xué)中，從學(xué)生的興趣愛(ài)好出發(fā)，以課程項(xiàng)目為核心，設(shè)計(jì)項(xiàng)目制教學(xué)的實(shí)施環(huán)節(jié)，通過(guò)：（1）組建團(tuán)隊(duì)、研討計(jì)劃；（2）溝通計(jì)劃、設(shè)計(jì)方案；（3）組織實(shí)施、檢查控制；（4）實(shí)際運(yùn)行、反饋改進(jìn)；（5）獲取信息、構(gòu)思項(xiàng)目，構(gòu)成閉合環(huán)路，形成完整的實(shí)踐周期。通過(guò)實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、創(chuàng)新能力以及跨學(xué)科解決問(wèn)題的能力。一方面可以提高學(xué)生的想象力，另一方面還可以活躍學(xué)生的思維，構(gòu)造一種高效有趣的教學(xué)模式。

1.2 開(kāi)發(fā)多學(xué)科交叉、多層次的3D打印實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目

開(kāi)發(fā)多學(xué)科交叉的3D打印實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目，往往需要多個(gè)學(xué)科知識(shí)技能支撐，將多學(xué)科交叉融合的創(chuàng)新性思維融入人才培養(yǎng)的全過(guò)程。由于3D打印技術(shù)與學(xué)科教學(xué)深度融合的優(yōu)勢(shì)，將3D打印技術(shù)引入跨學(xué)科工程項(xiàng)目的科技創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)中，設(shè)置不同難度的教學(xué)目標(biāo)，從簡(jiǎn)單的演示型實(shí)驗(yàn)，到復(fù)雜的綜合型實(shí)驗(yàn)以及自主創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)，通過(guò)由易到難逐層遞進(jìn)的實(shí)踐練習(xí)，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)3D打印技術(shù)的理解。打通創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)的各環(huán)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)了多個(gè)學(xué)科知識(shí)技能的有機(jī)融合，培養(yǎng)學(xué)生在各專業(yè)領(lǐng)域的交叉學(xué)習(xí)，提高學(xué)生綜合技能。使其就業(yè)方向更加廣闊，應(yīng)聘競(jìng)爭(zhēng)力更強(qiáng)。

1.3 創(chuàng)立3D打印創(chuàng)客空間

為加強(qiáng)對(duì)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的培養(yǎng)，在原有3D打印創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)室的基礎(chǔ)上，依托創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)孵化園、測(cè)繪學(xué)院師資隊(duì)伍、電子信息協(xié)會(huì)等組織機(jī)構(gòu)，建立3D打印創(chuàng)客空間，開(kāi)展3D打印、逆向設(shè)計(jì)、數(shù)字化設(shè)計(jì)與智能制造相關(guān)的課外教學(xué)、應(yīng)用型技術(shù)人才培養(yǎng)及創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)工作。對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的文化創(chuàng)意、3D設(shè)計(jì)等提供了先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)條件，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神、創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力，為學(xué)生全面發(fā)展提供了良好的實(shí)踐平臺(tái)，結(jié)合所學(xué)專業(yè)知識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生從創(chuàng)意到產(chǎn)品并將其轉(zhuǎn)化成具有商業(yè)價(jià)值的創(chuàng)客項(xiàng)目。

2 教學(xué)實(shí)例

按照“面向全體、分類施教、結(jié)合專業(yè)、強(qiáng)化實(shí)踐”的原則，基于3D打印技術(shù)開(kāi)展實(shí)踐訓(xùn)練項(xiàng)目，通過(guò)創(chuàng)新設(shè)計(jì)、軟件建模、打印制造等環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力。以3D打印無(wú)人機(jī)為例，以學(xué)生為主體組建團(tuán)隊(duì)，采用小組討論分工協(xié)作的形式研討計(jì)劃、查閱資料、設(shè)計(jì)方案，學(xué)生從被動(dòng)接受轉(zhuǎn)換成主動(dòng)創(chuàng)造，進(jìn)一步提升學(xué)生的發(fā)散思維、溝通意識(shí)和協(xié)作意識(shí)。

其具體過(guò)程主要包括以下五個(gè)步驟：

（1）三維數(shù)據(jù)采集，應(yīng)用三維掃描儀對(duì)現(xiàn)有無(wú)人機(jī)進(jìn)行三維掃描，獲取空間數(shù)據(jù)，然后對(duì)點(diǎn)云處理，通過(guò)逆向工程進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

（2）產(chǎn)品外觀設(shè)計(jì)，利用建模軟件，學(xué)生可以進(jìn)行創(chuàng)作加工處理，自主創(chuàng)作無(wú)人機(jī)產(chǎn)品。

（3）3D打印軟件切片，創(chuàng)建的無(wú)人機(jī)模型經(jīng)過(guò)切片處理，才能將數(shù)據(jù)輸入到3D打印機(jī)中。即將設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換為一組3D打印機(jī)打印所需的移動(dòng)指令，需要調(diào)節(jié)切片的層高、放置角度、熔融溫度、噴嘴移動(dòng)速度等參數(shù)，在軟件中預(yù)覽輸出結(jié)果，掌握噴嘴的行走軌跡、模型結(jié)構(gòu)，及時(shí)做出調(diào)整和改進(jìn)。

（4）打印模型，將切片處理的模型導(dǎo)入打印機(jī)，通過(guò)控制噴頭的移動(dòng)，一層一層地打印出產(chǎn)品。注意進(jìn)絲、調(diào)平等操作設(shè)置，等待設(shè)備預(yù)熱完成后，便開(kāi)始逐層排列耗材以進(jìn)行3D模型的實(shí)體打印。

（5）無(wú)人機(jī)調(diào)試飛行，對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行飛控電路設(shè)計(jì)、飛控焊接組裝、重力感應(yīng)或遙控器無(wú)線控制等調(diào)試后，最后進(jìn)行無(wú)人機(jī)飛行演練。

3D打印在無(wú)人機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)踐項(xiàng)目，是3D打印技術(shù)與無(wú)人機(jī)制造的完美融合。一是使學(xué)生理解3D打印“設(shè)計(jì)即生產(chǎn)”的特性，拋棄了夾具、模具、工具的束縛，運(yùn)用軟件設(shè)計(jì)3D模型，全程數(shù)字化靈活實(shí)現(xiàn)定制生產(chǎn)。二是將課堂學(xué)習(xí)的理論知識(shí)進(jìn)行實(shí)踐運(yùn)用，提高學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力和三維軟件的實(shí)踐操作能力。三是通過(guò)無(wú)人機(jī)的組裝調(diào)試飛行，不僅提高了學(xué)生的動(dòng)手能力，更能通過(guò)實(shí)踐項(xiàng)目使學(xué)生了解無(wú)人機(jī)的原理，進(jìn)一步提升學(xué)生的自身技能。這種多學(xué)科交叉的實(shí)踐項(xiàng)目，極大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了教學(xué)效果。

3 結(jié)語(yǔ)

3D打印作為一種數(shù)字化的直接制造技術(shù)，優(yōu)化了傳統(tǒng)的制作工藝，讓“創(chuàng)物、創(chuàng)材、創(chuàng)意”變得無(wú)限制、無(wú)邊界。多學(xué)科交叉、多層次實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目結(jié)合，通過(guò)由易到難逐層遞進(jìn)的實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生圍繞趣味主題進(jìn)行設(shè)計(jì)與制作，形成多學(xué)科交叉的典型、實(shí)用、難度階梯化的3D打印教學(xué)模式。通過(guò)創(chuàng)立3D打印創(chuàng)客空間，為學(xué)生提供自主創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)機(jī)會(huì)，結(jié)合所學(xué)專業(yè)知識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生從創(chuàng)意到產(chǎn)品并將其轉(zhuǎn)化成具有商業(yè)價(jià)值的創(chuàng)客項(xiàng)目。