VR與3D打印在通用技術(shù)課程中的應(yīng)用

李巖

【摘 要】高中通用技術(shù)學(xué)科強(qiáng)調(diào)學(xué)生通過(guò)解決現(xiàn)實(shí)生活中的問(wèn)題來(lái)形成物化能力?！澳Ｐ突蛟偷闹谱鳌币还?jié)課是培養(yǎng)學(xué)生通用技術(shù)核心素養(yǎng)中“物化能力”的重要章節(jié)。本文介紹了學(xué)生借助VR與3D打印技術(shù)，通過(guò)自主探究和實(shí)踐完成國(guó)產(chǎn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)模型的設(shè)計(jì)與制造的全過(guò)程，對(duì)全面提升學(xué)生核心素養(yǎng)進(jìn)行了新的探索。

【關(guān)鍵詞】 VR與3D打印;通用技術(shù);模型制作

【中圖分類(lèi)號(hào)】G434? 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【論文編號(hào)】1671-7384（2021）09-059-03

“模型或原型的制作”是高中通用技術(shù)必修“技術(shù)與設(shè)計(jì)1”中第六章的內(nèi)容，本單元是培養(yǎng)學(xué)生通用技術(shù)核心素養(yǎng)中“物化能力”的重要章節(jié)。全章圍繞“模型或原型的制作”主題，設(shè)計(jì)了“模型的特性與作用”“材料的性能與規(guī)劃”“工藝的類(lèi)別與選擇”和“制作臺(tái)燈模型”四節(jié)內(nèi)容，每一節(jié)均以真實(shí)情境中的問(wèn)題為線(xiàn)索、以任務(wù)為引領(lǐng)，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)“做中學(xué)”和“學(xué)中做”構(gòu)建知識(shí)、習(xí)得技能、獲得素養(yǎng)。讓學(xué)生學(xué)習(xí)和體驗(yàn)設(shè)計(jì)方案物化的具體步驟與方法，對(duì)于幫助學(xué)生了解設(shè)計(jì)的完整過(guò)程，掌握設(shè)計(jì)方案“物化”的關(guān)鍵技能，領(lǐng)悟統(tǒng)籌、規(guī)劃、權(quán)衡的設(shè)計(jì)思想，務(wù)實(shí)嚴(yán)謹(jǐn)、認(rèn)真細(xì)致的良好品質(zhì)具有重要作用。

為了更好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，鼓勵(lì)學(xué)生以小組為單位自主選擇模型設(shè)計(jì)的主題和加工工藝完成模型的制作。本文介紹的是學(xué)生借助VR和3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)和制作的國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)C919的航空發(fā)動(dòng)機(jī)模型。

模型設(shè)計(jì)思路

模型是根據(jù)實(shí)物、設(shè)計(jì)圖樣或構(gòu)思，按比例制成的與實(shí)物相似的一種物體。模型制作的過(guò)程不僅是設(shè)計(jì)思想體現(xiàn)的過(guò)程，也是發(fā)展構(gòu)思的創(chuàng)造性過(guò)程。學(xué)生設(shè)計(jì)的這款發(fā)動(dòng)機(jī)模型是以最新裝配我國(guó)C919大飛機(jī)的“CJ1000A”發(fā)動(dòng)機(jī)為原型設(shè)計(jì)的，發(fā)動(dòng)機(jī)整體包括進(jìn)氣道、風(fēng)扇、低壓壓氣機(jī)、低壓渦輪和調(diào)節(jié)系統(tǒng)等部分，如圖1所示。

考慮到模型制作的仿真特性和使用材料的加工工藝，學(xué)生選擇了運(yùn)用3D打印技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)和制作發(fā)動(dòng)機(jī)模型。為了高度還原發(fā)動(dòng)機(jī)的復(fù)雜構(gòu)造，學(xué)生將組成發(fā)動(dòng)機(jī)的外殼、風(fēng)扇、壓氣機(jī)和尾噴口等主要零部件進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)和制作，并在后期進(jìn)行噴漆和組裝。

1.VR體驗(yàn)

與國(guó)外的航空發(fā)動(dòng)機(jī)相比，我國(guó)自主研發(fā)航空發(fā)動(dòng)機(jī)尚處于起步階段，因此可以參考和借鑒的資料非常有限，特別是國(guó)產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部構(gòu)成的分解圖更是少之又少。因此，我們借助學(xué)校VR平臺(tái)中的案例來(lái)觀(guān)察和體驗(yàn)國(guó)產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)。通過(guò)VR案例，學(xué)生可以觀(guān)察發(fā)動(dòng)機(jī)的整體構(gòu)造，對(duì)國(guó)產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的外觀(guān)特征有了初步的了解;之后，VR中的零件拆分功能讓學(xué)生能夠?qū)Πl(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行拆解，逐一觀(guān)察構(gòu)成發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣道、風(fēng)扇、低壓壓氣機(jī)、低壓渦輪和調(diào)節(jié)系統(tǒng)等部分。如圖2所示。VR設(shè)備身臨其境的沉浸感給學(xué)生帶來(lái)了良好的體驗(yàn)效果，不僅極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還為下一環(huán)節(jié)的三維設(shè)計(jì)建模提供了數(shù)據(jù)支持。完成VR體驗(yàn)后，學(xué)生在了解國(guó)產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)成的基礎(chǔ)上還可以通過(guò)自主探究來(lái)明確各個(gè)零件部分的功能和作用，從而實(shí)現(xiàn)知識(shí)的深度學(xué)習(xí)。

2.三維設(shè)計(jì)與3D打印

在進(jìn)行分小組討論時(shí)，學(xué)生提出傳統(tǒng)模型的制作工藝并不適合發(fā)動(dòng)機(jī)模型的設(shè)計(jì)與制作，因此，他們選擇了使用3D打印技術(shù)。三維設(shè)計(jì)建模是3D打印的前提和基礎(chǔ)，學(xué)生根據(jù)中國(guó)航空相關(guān)權(quán)威網(wǎng)站提供的有限數(shù)據(jù)和之前VR案例中觀(guān)察到的虛擬情境，通過(guò)繪制草圖和標(biāo)尺標(biāo)注，確定了發(fā)動(dòng)機(jī)三維建模的外部尺寸和比例關(guān)系，并使用中望3D軟件進(jìn)行三維建模，如圖3所示。

在三維建模的過(guò)程中，學(xué)生遇到了一些困難。例如，發(fā)動(dòng)機(jī)曲面的構(gòu)建和低壓排氣槽的設(shè)計(jì)，特別是進(jìn)氣風(fēng)扇的設(shè)計(jì)需要所有的扇葉一體成型，這也是目前我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造工藝所面臨的現(xiàn)實(shí)困難。教師針對(duì)學(xué)生遇到的這些技術(shù)困難做了相應(yīng)的指導(dǎo)和幫助，使用三維設(shè)計(jì)軟件中的曲面構(gòu)建、實(shí)體鏤空和環(huán)形陣列等功能實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

完成三維建模后，學(xué)生使用學(xué)校的3D打印機(jī)進(jìn)行打印。3D打印是將耗材加熱后逐層堆疊成型的，打印作品的表面會(huì)有規(guī)則的打印紋路，打印精度越高則打印的紋路越淺。受限于3D打印機(jī)的打印尺寸，學(xué)生將發(fā)動(dòng)機(jī)的各個(gè)零部件進(jìn)行拆分，獨(dú)立打印。由于打印之后需要在模型表面噴漆，因此，需要使用較高的打印精度來(lái)保證模型的精細(xì)程度。

3.打磨噴漆與組裝

零部件打印完成后，先對(duì)其進(jìn)行預(yù)組裝。由于各個(gè)零部件是獨(dú)立設(shè)計(jì)、分開(kāi)打印的，因此可能會(huì)產(chǎn)生誤差，從而造成組裝困難。在此，先將模型的各個(gè)零部件進(jìn)行初步的安裝，觀(guān)察模型各部分的比例關(guān)系和打印尺寸是否符合之前的設(shè)計(jì)要求，并將誤差較大和不匹配的地方加以標(biāo)注，為下一步打磨和調(diào)整做準(zhǔn)備。

打印完成的模型表面會(huì)有一些毛刺，還會(huì)有一些比較鋒利的邊緣，此時(shí)就需要用砂紙進(jìn)行打磨。先使用800—1000目的砂紙進(jìn)行初磨，去除毛刺和鋒利的邊緣。之后，使用銼刀針對(duì)誤差較大的地方進(jìn)行精細(xì)挫削。打磨完畢，在各部件的表面噴一層水補(bǔ)土以使表面光滑平整。

打磨完成后，使用噴筆、噴泵對(duì)模型的各個(gè)零件進(jìn)行噴涂上色，以提高模型的仿真程度。待漆面晾干之后，完成發(fā)動(dòng)機(jī)模型的最終裝配。如圖4所示。

當(dāng)一個(gè)完整的航空發(fā)動(dòng)機(jī)模型呈現(xiàn)在學(xué)生面前時(shí)，如圖5所示，學(xué)生們的激動(dòng)程度是無(wú)法想象的。此時(shí)，本章課程也接近尾聲。制作小組的同學(xué)們滔滔不絕地向其他同學(xué)介紹他們的設(shè)計(jì)靈感、制作過(guò)程以及遇到的困難。他們介紹完畢后，教師和其他同學(xué)對(duì)他們的模型給予了很高的評(píng)價(jià)，也提出了一些問(wèn)題和建議。縱覽全過(guò)程，通過(guò)VR體驗(yàn)，學(xué)生們構(gòu)思了模型的設(shè)計(jì)創(chuàng)意;通過(guò)自主探究，學(xué)生們掌握了航空發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)知識(shí);通過(guò)動(dòng)手實(shí)踐，學(xué)生們感受了模型設(shè)計(jì)與制作的全過(guò)程;通過(guò)交流評(píng)價(jià)，學(xué)生們展示了自己、收獲了建議。

本單元要求學(xué)生能夠根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇合適的材料與工具，了解常用材料的屬性及加工方法;在實(shí)施設(shè)計(jì)方案的過(guò)程中，能從經(jīng)濟(jì)、質(zhì)量和美學(xué)等方面考慮材料的使用，掌握基本的工具使用方法。針對(duì)課程標(biāo)準(zhǔn)所提出的要求，教師要求學(xué)生以小組為單位自主選擇模型主題，在學(xué)習(xí)內(nèi)容和活動(dòng)的設(shè)計(jì)上充分體現(xiàn)了以學(xué)生為主體的教學(xué)思想。教師按照“情境導(dǎo)入→自主探究→實(shí)踐體驗(yàn)→交流評(píng)價(jià)”的思路進(jìn)行教學(xué)，符合高中生的認(rèn)知，且有利于教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成。學(xué)生借助VR技術(shù)進(jìn)入學(xué)習(xí)情境，并構(gòu)建自己的思維邏輯。之后，通過(guò)自主探究學(xué)習(xí)和積累技術(shù)技能，特別是在選擇制作材料和加工工藝時(shí)，學(xué)生根據(jù)模型的設(shè)計(jì)特點(diǎn)和要求放棄了傳統(tǒng)的木工和金工工藝，而使用3D打印技術(shù)，不僅很好地實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)，更是對(duì)模型制作的技術(shù)手段進(jìn)行了新的嘗試和探索。

學(xué)生在“國(guó)產(chǎn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)”模型的設(shè)計(jì)與制作過(guò)程中從真實(shí)的任務(wù)入手，了解了模型的概念和作用、學(xué)會(huì)了材料的選擇與規(guī)劃、掌握了三維設(shè)計(jì)和3D打印機(jī)的功能和應(yīng)用，最終完成了發(fā)動(dòng)機(jī)模型的制作。與此同時(shí)，在交流與評(píng)價(jià)的過(guò)程中，學(xué)生通過(guò)對(duì)解決實(shí)際問(wèn)題全過(guò)程的介紹，進(jìn)一步理解了“工匠精神”的基本內(nèi)涵和重要意義，從而實(shí)現(xiàn)了學(xué)科核心素養(yǎng)和實(shí)踐技能的全面提升。

注：本文系北京市教育科學(xué)規(guī)劃課題“使用VR技術(shù)提升中學(xué)生學(xué)習(xí)投入的實(shí)踐研究”（課題編號(hào)：CHDB19396）的研究成果

參考文獻(xiàn)

李翔. 民航航空發(fā)動(dòng)機(jī)分類(lèi)與原理[J]. 飛行世界，2020（3）： 34-41.

張霖曦. 現(xiàn)代模型的設(shè)計(jì)與制作[J]. 模型愛(ài)好者，2019（7）： 77-93.

翟金忠. 模型的結(jié)構(gòu)與構(gòu)思[M]. 北京：商務(wù)印書(shū)館，1988：88.

作者單位：北京市第六十五中學(xué)