3D打印實踐課程課堂教學設(shè)計

劉文鋒 孫靜 彭文靜

中圖分類號：G633.67DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2205-5640-3613

基金項目：2020年湖南省普通高等學校教學研究改革項目（項目名稱：新工科視域下現(xiàn)代工程訓練教育的改革與實踐，項目編號：HNJG-2020-0768）;2018年湖南工程學院教改項目（項目名稱：面向“中國制造2025”的金工訓練教學改革與實踐，項目編號：2018JG0029）。

作者簡介：劉文鋒（1990—），男，碩士，助教，主要從事3D打印課程教學、先進制造技術(shù)的研究.

通信作者簡介：孫靜（1984—），女，博士，副教授，主要從事先進信息材料與器件方向的研究。E-mail：jsun1206@163.com。

摘要：基于3D打印實踐教學優(yōu)勢，本文探討了黨史教育融入3D打印技術(shù)實踐教學，以及PBL模式的教學法在產(chǎn)品設(shè)計專業(yè)的實施過程，并結(jié)合情景教學法，闡述了3D打印實踐課程課堂教學設(shè)計，包括課程導入、3D打印技術(shù)概述、相關(guān)場景的選擇、場景還原方案的可行性驗證、模型的制作、設(shè)備日常維護等內(nèi)容，全過程融入思政元素，使學生掌握3D打印技術(shù)原理與工藝，并回顧解放戰(zhàn)爭的歷史，最后對課堂效果進行了問卷調(diào)查，對結(jié)果進行分析和總結(jié)。課程實踐結(jié)果表明，針對產(chǎn)品設(shè)計專業(yè)所開展的教學活動，充分展現(xiàn)了學生美術(shù)專業(yè)背景的優(yōu)勢，同時，教師隱形地將工科理論和實踐知識傳導給了學生，激發(fā)了每個組員的積極性，開放式的課堂使得學生既有選擇主題的權(quán)利，又不偏離教師基本的教學內(nèi)容，使得學生學習興趣空前濃烈，提高了學生的三維設(shè)計能力、科學思辨能力、學科綜合能力，實踐課程的可適應度得到提高，對同類課程有一定參考意義。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù) ?PBL ?情景教學法 ?產(chǎn)品設(shè)計 ?課堂教學

中圖分類號：G642.0?文獻標志碼：A

Classroom?Teaching Design?of 3D Printing Practice Course

——Taking the 3D Printing Comprehensive Training of Product Design Major of Hunan Institute of Engineering as an Example

LIU?Wenfeng1??SUN?Jing2??PENG?Wenjing1

（1. Engineering Training Center， Hunan Institute of Engineering，?Xiangtan，?Hunan Province，?411101 China; 2. College of Electrical and Information Engineering， Hunan Institute of Engineering， Xiangtan， Hunan Province 411104?China）

Abstract：Based on the advantage?of?3D?printing practice teaching， this paper discusses the history of the party education into the 3D?printing technology practice teaching， teaching method and PBL model in the implementation process?of Product Design major.?Combined with?the situational teaching method.?it?expounds ?classroom teaching design?of?3D?Printing?Practice?course，?including the introduction of the course， the overview of 3D printing technology， the selection of relevant scenes， the feasibility verification of the scene restoration scheme， the production of models， the daily maintenance of equipment， etc. the whole process integrates ideological and political elements， so that students can master the principle and process of 3D printing technology， review the history of the war of liberation， and finally conduct a questionnaire survey on the classroom effect， analyze and summarize the results. The course practice results show that the teaching activities carried out for the Product Design major fully show the advantages of the students' art professional background. At the same time， the teachers secretly transmit the engineering theory and practical knowledge to the students， which stimulates the enthusiasm of each team member. The open class makes the students have the right to choose the theme without deviating from the basic teaching content of the teachers， which makes the students' interest in learning unprecedented.?It improves students' 3D?design ability， scientific thinking ability and subject comprehensive ability， and improves the adaptability of practical courses， which has a certain reference significance for similar courses

Key?Words：3D printing technology;?PBL;?Situational teaching method;?Product?design;?Course teaching

3D打印作為快速成型技術(shù)領(lǐng)域的一種新興技術(shù)，正成為高校工程訓練中不可或缺的一部分?？焖俪尚图夹g(shù)（Rapid Prototyping簡稱RP）是先進制造技術(shù)的一種，發(fā)展于20世紀80年代中期，在經(jīng)歷近40年的發(fā)展后該技術(shù)日趨完善，近年來針對RP新工藝、新裝備的研究依舊火熱^[1]。RP是以三維模型為基礎(chǔ)，通過軟件分層離散和數(shù)控成型系統(tǒng)，用激光束或其他方法將材料堆積而形成實體零件。由于它是逐層累積成型，因而可以在沒有模具的情況下生成復雜的零部件，縮短了生產(chǎn)時間^[2]。這種技術(shù)可以直接、高效、精確地將設(shè)計思想轉(zhuǎn)變?yōu)閷嶓w模型或直接制造零件^[3]，多應用于產(chǎn)品的前期驗證。在高校工程訓練中引入RP不僅可使學生學到三維建模知識、計算機輔助制造技術(shù)，而且能進一步學習利用現(xiàn)代科技進行工程設(shè)計的概念^[4]。在工程訓練開設(shè)有關(guān)3D打印技術(shù)的實訓項目，不僅可以豐富工程訓練項目類別，也是為了適應新工科的發(fā)展需要。國內(nèi)西安交通大學將3D打印劃入金工實訓課程，并分層次教學，河北工大也開設(shè)了3D打印實驗室^[5]。作為一門實踐類課程，通過在3D打印實訓項目中融合場景教學可以更好地實現(xiàn)實踐育人的目標。在以往的3D打印教學實踐中，制作模型是基本要求。工程訓練包含許多實訓項目，將3D打印加入工程訓練的課程體系的時間并不長。盡管3D打印實踐課程與PBL模式結(jié)合取得了較好的教學效果，但是實踐項目主題的選擇需要經(jīng)過教研室教師大量討論，項目主題一旦在某個實訓項目中確定，則會執(zhí)行很長一段時間，當面向全校各個專業(yè)的學生時，項目可選擇性方面欠佳，往往不具備針對性，影響了教學效果。工程訓練的教師大多具備較強的實踐能力，但在針對不同專業(yè)該如何育人等方面缺乏系統(tǒng)的培訓。針對以上存在的問題，對3D打印實踐環(huán)節(jié)進行課程課堂教學設(shè)計尤為必要。

作為課程建設(shè)的基本載體之一，實踐類課程是高校育人體系不可或缺的一環(huán)。教學設(shè)計是運用系統(tǒng)方法分析教學問題和確定教學目標、建立解決教學問題的策略方案、試行解決方案、評價試行結(jié)果和對方案進行修改的過程^[6]。教學設(shè)計有很深的內(nèi)涵。根據(jù)系統(tǒng)論的觀點，教學設(shè)計可依照其涉及的范疇大小分為以下層次，即教學系統(tǒng)設(shè)計、課程教學設(shè)計、課堂教學設(shè)計、教學媒體設(shè)計^[7]。作為教學設(shè)計系統(tǒng)中的一個層次，課堂教學設(shè)計是指教師在上課之前，系統(tǒng)整理教學步驟和各個環(huán)節(jié)，以便于包含所有知識點和保證課程的順利進行，其涵蓋了教師針對某堂課的全部教學活動的計劃，也對教師的實際授課有一定幫助^[8]。本文所提出的課堂教學方案設(shè)計，是面向產(chǎn)品設(shè)計專業(yè)開展的3D打印實踐課程課堂教學設(shè)計，因而具有其特殊性。

1 教學內(nèi)容

湖南工程學院工程訓練中心以黨史學習教育為契機，探索創(chuàng)新實踐育人新模式，寓黨史、融思政，將“3D打印+三大戰(zhàn)役”以多種形式推進黨史學習教育進課堂^[9]。課堂教學的內(nèi)容為利用3D打印技術(shù)對解放戰(zhàn)爭中著名的遼沈戰(zhàn)役進行場景還原。

2 教學目標

（1）課程教學目標1：掌握3D打印的基本原理與工藝流程，培養(yǎng)學生具有3D設(shè)計軟件與切片軟件應用能力，正確使用3D打印相關(guān)設(shè)備、工夾量具、材料，以及遵循加工工藝、質(zhì)量要求和安全技術(shù)等方面標準的能力.

（2）課程教學目標2：使學生對產(chǎn)品具有選擇加工方法及材料和工藝分析的能力，具有獨立完成簡單制造的實踐能力，培養(yǎng)學生3D打印設(shè)備操作與維護，工業(yè)產(chǎn)品造型的能力。

（3）課程教學目標3：使學生對3D打印材料的打印溫度、力學性能、機械特性及化學穩(wěn)定性有一個基本的認識，會綜合考慮配合緊密性、韌度、環(huán)境耐受性。

3 課程教學內(nèi)容

（1）查閱遼沈戰(zhàn)役發(fā)生的歷史背景，尤其是幾次關(guān)鍵的會戰(zhàn)，例如錦州會戰(zhàn)、黑山狙擊戰(zhàn)等歷史資料。

1948年9月12日遼沈戰(zhàn)役率先打響，同年11月2日結(jié)束，前后歷時52天^[10]。前線將士堅定信念，英勇作戰(zhàn)，中國人民解放軍取得了最終的勝利，解放了東北全境。通過分析這段歷史，引導學生深刻認識樹立遠大理想、堅定理想信念的必要性和重要性^[11]。

（2）關(guān)鍵人物、場景的塑造。

第一，查閱東北野戰(zhàn)軍司令部主要成員林彪、羅榮桓等的人物特點，通過Solidworks、3DMax或者犀牛等建模軟件對人物模型進行建模。

第二，查閱山海關(guān)、錦州等地理知識，建立按照比例縮小的模型。

第三，查閱解放戰(zhàn)爭時期共產(chǎn)黨和國民黨當時的軍用裝備情況，選擇有代表性地進行打印加工。

（3）模型制作過程。

第一，各部分模型要在大小為80cm×80cm×1cm的底板上統(tǒng)籌規(guī)劃，調(diào)整相應的戰(zhàn)車、武器裝備的尺寸，引導學生思考整體與局部的辯證關(guān)系，同時學會如何規(guī)劃現(xiàn)有的3D打印耗材的使用及顏色的搭配，加入“全生命周期”^[12]的理念，模型在同等尺寸的情況下，綜合考慮強度性能，力求用較少的材料，保證高水平的模型質(zhì)量，加強工匠精神教育。

第二，人物模型的設(shè)計需要有美術(shù)功底和軟件繪圖能力，產(chǎn)品設(shè)計專業(yè)大二學生已經(jīng)具備一定的專業(yè)素養(yǎng)，但對綜合性的模型制作缺乏經(jīng)驗，教學過程中除了傳授實踐經(jīng)驗以外，要注意培養(yǎng)他們的責任意識，進一步提高專業(yè)水平，抓住國家實力快速上升的機遇，讓個人才華和價值兌現(xiàn)，提升學生樹立遠大理想信念的可行性^[11]。

第三，3D打印利用了離散堆積原理，加工的過程是一種聚少成多，從量變到質(zhì)變的過程。此外，目前學生在3D打印綜合訓練中所使用的都是桌面式的3D打印機，加工的速度較慢，在加工的時候需要學生堅持守在3D打印設(shè)備旁，及時地發(fā)現(xiàn)故障并解決問題，著重培養(yǎng)學生的職業(yè)道德。

第四，學生需要完成對歷史人物模型的搜索，包括面部表情和容貌特征。在沒有現(xiàn)有立體模型做參考，也不借助掃描技術(shù)的情況下，考驗了學生的制圖能力。

第五，在設(shè)計制作槍、炮、坦克等其他武器裝備的時候，以北京太爾時代科技有限公司所開發(fā)的UP Plus2型3D打印機為例，其加工范圍（140mm×140mm×135mm），綜合考慮模型成品的視覺效果，合理設(shè)計連接方式，設(shè)計裝配體三維模型，采取分塊打印且裝配成整體模型的方式，完成更大的作品制作。在制作的過程中，融入事物是普遍聯(lián)系的哲學思想，調(diào)動學生的主觀能動性。

4 教學方法與舉措

（1）線上提供豐富的教學資源，包括部分歷史資料、三維設(shè)計軟件、3D打印軟件、3D打印課程實錄，激起學生學習興趣。

（2）課端檢測，促使學生主動學習，檢測結(jié)果也有助于教師更有針對性地進行實訓教學設(shè)計。

（3）每大組都進行開放式討論，組員陳述各自的想法，邊討論邊分析，細化每組要做的作品，培養(yǎng)學生分析問題的能力。

（4）實訓課程收尾階段，每小組派出一個代表進行本組作品的創(chuàng)新點、創(chuàng)作思路及3D打印過程的總結(jié)，兩個大組的學生相互點評，最后教師做點評。

5 教學實施過程

5.1 課前準備

（1）提前兩天發(fā)布實訓課程公告，明確本次3D打印綜合訓練的學習主題是“利用3D打印技術(shù)對遼沈戰(zhàn)役進行場景還原”，要求學生提前查閱相關(guān)歷史資料，找出關(guān)鍵人物、關(guān)鍵地點線索，圍繞這些元素進行拓展。通過微信或QQ向班級學習委員提供畫圖軟件Solidworks2016和3D打印軟件安裝包的網(wǎng)盤鏈接，以及部分歷史資料——《東北解放戰(zhàn)爭紀實》。與班干部在線溝通可以提高教學活動前期的效率，讓班級同學提前進入學習狀態(tài)。

（2）與班干部預先溝通，提前準備熱熔膠槍、模型的底板、繪圖用的紙張等素材。

（3）提前自學3D打印軟件UP Studio，通過51頭條號中公布的網(wǎng)絡(luò)課程進行相關(guān)軟件的使用方法預習。

5.2 課端檢測收心

為了檢驗學習的效果，通過學習通發(fā)布檢測。學習通上發(fā)布的情況見圖1、圖2。

5.3 課中能力提升

5.3.1 課前問題導入

問題導入：3D打印的原理是什么？主要應用在哪些方面？

5.3.2 課中提升設(shè)計能力與思辨能力

在設(shè)計具體模型時，以幾位建模能力強的學生為核心，每位學生都需參與一種，共同完成模型的設(shè)計。在有些關(guān)鍵場景的設(shè)計上，教師與學生進行深入討論，促進學生思辨能力的提升，見圖3。

（1）介紹在三維模型設(shè)計過程中將要用到的幾個“特征”，以及選擇基準面的原則。在實際建模過程中，對于同一個方向的“特征”，若是參數(shù)不一致，一定不能將多個閉環(huán)放置在一個草圖中，這樣容易形成多層嵌套。此外，除了Solidworks系統(tǒng)自帶的3個基準面以外，可以選擇模型的任意平整表面作為新的設(shè)計基準面。如果不合適，可以選擇新建一個參考平面，按照所選（建）的基準面要與將要建立的特征必須有關(guān)聯(lián)的地方，特征在所選擇基準面上的投影須符合設(shè)計要求的原則來做。

（2）在設(shè)計復雜模型時，綜合考慮加工難度，要將山海關(guān)、武器裝備等這一類的模型分割成小的單元來打印，以提高作品制作的成功率，也可以更好地調(diào)動整組同學的積極性，詳見圖4。

（3）3D打印機關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置。噴嘴高度測試不是一蹴而就的，需要根據(jù)模型打印的第一層絲材的“壓平”程度來調(diào)整。例如，第一層絲壓得特別扁平，說明噴嘴與平臺的間距偏小，可以視情況將噴嘴與平臺的間距調(diào)大一點，即在UP Studio軟件中的“噴嘴高度”值調(diào)小一點，反之，應將該值調(diào)大一點，見圖5。另外，合理利用“底座”這一參數(shù)，如果模型在成型過程中，沒有脫離底板，可以選擇“無底座”，加設(shè)“底座”主要目的是讓模型與底板粘得更加結(jié)實。

（4）加工過程注重培養(yǎng)項目管理的意識。打印開始前，應重點關(guān)注打印的預計時間和耗材量，在加工過程中，引導學生思考如何在更短的時間內(nèi)將預定功能的組合件制作出來。

（5）加工過程中常見故障的處理。堵絲的時候首先應先觀察打印溫度是否設(shè)置得合適，若打印溫度低了，應該調(diào)高至恰當?shù)拇蛴囟?，對于初學者而言，尤其要注意FDM類型的3D打印設(shè)備所設(shè)置的成型溫度要與所使用的線材相匹配;其次，打印過程中突然不出絲，應該暫停打印，并將絲材“撤回”，剪斷最前端那段不規(guī)則的絲，重新“擠出”絲材。若是發(fā)生嚴重翹曲的情況，應該停止打印，重新調(diào)平打印平臺或者更換打印絲材等。通過3D打印綜合訓練，學生基本具備了對設(shè)備的維護能力，見圖6。設(shè)備維護完成后，繼續(xù)加工出來的成品如圖7所示。

5.3.4 全過程育人，過程監(jiān)督

“先進制造技術(shù)實習”是一門實踐性很強的技術(shù)基礎(chǔ)課，是高等院校工科學生完成工程基本訓練的重要必修課。它不僅可以讓學生獲得產(chǎn)品制造的基礎(chǔ)知識，而且可以提升理論聯(lián)系實際的水平，增強工程實踐能力，培養(yǎng)工程素質(zhì)。在所有項目開展之前，將一個班級的學生分成兩個大組。具體在執(zhí)行時，每個大組又在內(nèi)部劃分成6個小組，分別完成查歷史資料并選定戰(zhàn)役場景，設(shè)計三維模型，寫文案和創(chuàng)作底板，實際布景，制作創(chuàng)作過程視頻，模型打印和組裝這項任務(wù)，任務(wù)分解見圖8。在制作過程中，教師要肯定學生的優(yōu)點，指出不當之處，強化安全意識。分小組進行相關(guān)學習任務(wù)是對項目的分解，也是對分組教學順利進行的重要步驟，可以將不同學生的優(yōu)勢充分發(fā)揮出來。

5.3.5 課中探究研討（1）打印過程中，整體模型打印與拆分模型打印這兩種加工方式哪種更好？理由是什么？