創客時代3D打印在高校課程開發的應用研究

韓榮雷, 孫雪冬

(沈陽師范大學 教育技術學院, 沈陽 110034)

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創客時代3D打印在高校課程開發的應用研究

韓榮雷, 孫雪冬

(沈陽師范大學 教育技術學院, 沈陽 110034)

隨著社會科技的不斷發展以及創客時代的到來,3D打印技術以一種流行的技術形勢在國內外飛速發展與流行,是最近幾年內非常熱門并且具有可持續發展的一項快速成型技術,備受投資界和工業界的青睞。以多元智能理論為理論依據,結合創客思想,采用行動研究的方法將3D打印技術與高校3Dmax課程進行整合,探索3D打印技術在高校課程(以3Dmax課程為例)開發中的應用問題;以母校為實踐探索基地,分析基本現狀,結合教學目標設計教案,促進教學,豐富課堂文化氛圍;從教育理念方面促進高等教育教學與現代教育方法深層變革。

3DP; 創客; 快速成型; 課程設計; 多元智能

創客是當今社會比較流行的詞語,創客,一次源于“Maker”,創客指人們出于某種興趣愛好,針對某種事物賦予創新的想象與設計,最后通努力將這些創意的設計變成實物的過程,它的核心在于創新,是一個從無到有的過程。以創客的思想,在多元智能理論支持下,將3D打印應用到高等教學中去,為激發學生創新思維及想象力提供可能。自多元智能理論從國外引進以來,許多研究者把多元智能理論和我國的高等教育實踐進行了許多有益的探索和研究,對于高等教育的改革和發展具有非常重要的應用價值,取得了大量的研究成果。對于高等教育的改革和發展具有非常重要的應用價值,多元智能理論是促進高等教育的一種策略或手段,在某種意義上構建了一個新的智能內涵,不僅拓寬了高等教育中的教育教學目標與內容,而且對于學生創新精神與實踐能力的培養有著不可替代的意義,倡導參與,重視過程性評價,幫助學生發現適合其智能特點的職業培養出更多的社會需要的高層次人才。在多元智能理論支持下,3D打印技術的加盟使得高等教育在培養人們多元智能發展可謂是錦上添花。

1 3D打印基本概述

1.1 3D打印基本技術原理

我們日常生活中使用的普通打印機可以通過電腦進行設計構思并將設計成果以二維的形式打印出來,所謂的3D打印與普通打印的基本原理是相同的,區別在于兩者使用的材料有所不同,直接的說,3D打印就是使用特殊的材料,例如塑料、尼龍、陶瓷、金屬等,通過電腦將打印材料一層一層的疊加起來,最后形成形成想要的實物的一個過程,目前主要的3D打印技術類型有:熔融沉積成型技術(FDM)、數字光學處理技術(DLP)、立體光固化成型技術(SLA)、選擇性激光燒結技術(SLS),分層實體制造技術(LOM)等。其中熔融沉積成型技術在市面上最為常見。

1.2 3D打印應用領域

目前3D打印技術正在飛速發展,無論在我們生活中的小飾品實用物品還是各個領域中的零件都可以通過3D打印來實現,不管是塑料還是金屬材質的同樣可以通過3D打印完成。總而言之3D打印將在人們生活中扮演一個非常重要而流行的角色,在醫學、電子、建筑、食品、文物修復、航空航天等領域,在不久的將來,3D打印行業將無所不能,只有你想不到沒有3D打印做不到。

2 3D打印在高校課程開發的意義

2.1 培養學生數字、圖形感知能力

毫無否認,當今社會正是信息化高速發展的時代,數字化在社會中同樣占據著不可替代的作用,所謂的數字化, 數字化就是將許多復雜多變的信息轉變為可以度量的數據,于此同時將這些數據建立成適當的數字模型,把它們轉變為一系列計算機可以識別、計算的二進制代碼,引入計算機內部,進行統一計算的過程,在3D打印過程中,學生通過數字模型設計并連接3D打印機打印出來,在模型建造過程中,在3D模型制作軟件中通過對參數的調整,得到不同模型規格,與此同時激發了學生們的數字感知能力,由想象到圖形設計再到打印出實物,強烈的感知刺激使學生具有較強的圖形感知力。

2.2 激發學生創造思維能力

如何提高學生的創造性思維一直是在教育行業以及學生家長關注的熱點問題,隨著教育信息化的不斷發展,國內外一直在探索著新穎的、有效的教學策略,各個國家各個領域也有不同的觀點,例如美國加州理工大學的多林·尼爾森以教學理念為基礎,搭建逆向思維模型,他認為:基于設計的學習模式中,教師挑戰學生去常見實物來反映主題,概念和標準,有了這些實物,學生在互動中促進信息的回憶和重用。而3D打印不僅在理論上給學生充電,最終的增加了學生接觸空間模型的機會,學生可以通過小組協作等方式,相對獨立的完成設計過程,通過設計身邊感興趣的實體化的東西來驗證自己的設計是否符合要求,在實踐中不斷的完善自己,最終獲得成功,從而就是激發學生創造思維能力的一個途徑。

3 3D打印在我校的基本現狀分析

3.1 我校硬件分析

為了貫徹落實創新教育的有利實施,在教育領域培養學生的創新意識、創新精神和創新能力的問題,在初期建設中,設計開發基于3D打印的學生創造性思維訓練課程,在此基礎上,通過校領導的大力支持,我校創設了學生創新教育實驗室,實驗室占地面積約80平米,設有5臺3D打印機、3D掃描儀及輔助設備、計算機等設備,本著以學生為本的原則,將實驗帶入課堂,為學生的實踐提供可能。

3.2 教師學生的3D打印知識水平分析

3D打印對我校的全體師生完全是一個新生事物,我校與沈陽市巨子產業公司合作,學生經常在老師的帶領下,定期分批量的去巨子公司進行實地參觀察、學習,在參觀學習過程中,不僅欣賞了實踐基地的創新作品,而且實踐基地工作人員給我們詳細講解了從基礎建模到模型切片到連接3D打印機到打印實物成品,每一個環節我們都有充分體驗的時間和機會,對于3D打印的基本常識已經了解一二,參觀考察過程中在學生中的表現可以看出對3D打印有很高的興趣,并且通過簡單的調查之后得出,師生們都非常期待3D打印走進大學的課堂,通過3D打印技術來實現自己想要的東西,培養學生課堂創造性能力,提高課堂參與率。與實踐基地聯合,提供了方便的條件的同時也給老師和學生增加了信心,雖然3D打印在教育領域中并沒有較為廣泛的應用,無論是對于老師還是學生都是一個全新事物,甚至是個挑戰,我校老師表示:“這都不是問題,我們有很強的信心將課程辦好,在學習中共進步,共成長”。

4 探索我校3D打印課程設計----案例分析

3D打印分為3D打印機打印與3D打印筆兩種打印形式,所謂的3D打印筆是具有3d打印功能的筆。利用PLA、ABS塑料,3D打印筆可以在任何表面“書寫”,甚至可以直接在空氣中作畫。操作它無需電腦或電腦軟件支持。通電后,就可以開始你的奇妙創作。基于3d打印,擠出熱融的塑料,然后在空氣中迅速冷卻,最后固化成穩定的狀態。賦予了我們無盡的創造力。只要幾個小時的練習,你便能夠描畫出驚人的絢爛。但是3D打印筆課程在大學課程開發中并不是占據主要地位,占主體地位的因該是通過建模的3D打印機課程設計。

4.1 3D打印機案例分析----以葫蘆為主題的案例分析

3D打印首先需要3D軟件建模,3D打印是逐層打印的,所以在打印之前進行模型切片,最后連接到3D打印機上進行模型打印。在課程設計上將與3Dmax課程進行整合。同學分可以借助3D打印平臺設計創造性作品,參加技能大賽。給學生的學習增添樂趣和色彩。

4.1.1 教學目標分析

新課改的實施,師生關系的不斷變革,課堂文化的日益更新,各個高校在目標確立上目前已達成共識等,將課程目標總體上分為3個方面,分別是知識與技能,過程與方法以及情感態度價值觀,結合大學課程,在知識與技能方面,掌握3D建模軟件;擴大學生的知識面,開闊視野;培養學生獨立思考的能力;培養學生的發散思維。在過程與方法方面,通過學生課前搜集資料,師生課堂共同介紹了解3D打印技術,學生進行講解和展示,培養學生獨立學習思考的能力,通過對3D打印技術立場的討論,培養學生的發散思維。情感態度方面,培養學生對3D打印的興趣,創新作品,與當下創客時代完美接軌。

4.1.2 教學過程

明確一點,課堂中老師以主題的形式(多個主題),在交流中向學生提出挑戰性的問題,當然這些問題是基于3D打印設計的問題,提出問題后,建立一套完整的評估標準,以便考核學生設計成果,接下來就是學生動手實踐的環節,通過創造性的設計,學生可以是以小組的形式或者單獨設計均可,最后將設計出的成果在課堂上與同學們交流討論,提出可塑性建議,最后學生再次通過模型設計軟件進行修改,并且反復與老師同學交流,得到完美作品。具體過程如圖1所示。

圖1 教學過程的整體思路

3D打印的核心技術就是數字建模,當然數字模型的來源可以是通過網絡上下載、3D掃描儀掃描以及通過3Dmax軟件進行建模,模型通過切片后進行逐層打印,最后形成實物,之所以選擇將3D打印技術與高校3Dmax課程結合,因為網絡上下載的模型,存在著甚至大多數模型不能被3D打印識別,因為3D打印的模型是有要求的,比如模型未封閉,模型的方向不正確等;而通過3D掃描儀掃描的模型有的時候顯示不完整,或者是掃描模糊影響后期打印;通過3Dmax以數字的形式建立的模型,在打印過程中遇到不符合要求的地方可以進行修改,這不僅培養了學生軟件的操作能力,而且對開發學生想象力以及創新思維有著非常重要的作用,既符合創客思想,又體現了學生多元智能發展的重要性。

通過上學期我們對于3Dmax的學習,對于3Dmax軟件的基本功能已經掌握,課堂中討論后,隨機想出一個主題----葫蘆,老師確定以葫蘆為主題,將學生分成4組,每組4人,主題確定之后,提出發揮自己的想象,分組做以葫蘆為主題的模型設計,建模過程中部分截圖,如圖2所示。

數字模型的建立已經告一段落,緊接著在老師的帶領下,將數字模型連接到3D打印機中,有的小組模型在打印時無法打印,通過后期對模型的調整后已經查找到在模型建立時出現的錯誤,而且當改變參數設置時模型會有所變化,以實物輸出的形式前后進行比較,整個過程從無到實物,從模型的設計、建立、修改、到實物對照,不僅以創客的思想創造出自己心目中的葫蘆實物模型,而且在整個過程中實現了由原來僅有抽象虛擬的數字模型實物輸出,想象中與實物進行對照,抽象實物具體化,虛擬模型可視化,培養了學生對實物的正確認知,提高了學生想象力,培養了創新思維,是當今社會多元智能的發展趨勢。

圖2 3D打印建模截圖

5 結 論

3D打印技術數字化現代信息技術滿足了高等教育教學改革的多種需要,不僅從教學方式上,而且從教育教學理念方面,不斷促進高等教育教學模式與現代教育方法的深層次變革,構建新型教學環境,激發學生的學習興趣,優化教育結構。另外3D打印是一個新生事物,仍然處于建設初期,只有經歷一個漫長的過程,不斷完善,不斷的創新改進,才可以實現真正意義上的突破。隨著技術的不斷更新以及制造功能的不斷成熟,3D打印將被推向更高的層面,同時也需要各個學校需要高度重視,注重交流合作,資源共享,為學生提供一個良好的學習氛圍。為學校打造一門真正意義上的創新課程。高等教育教學改革需要向科技化和人文化邁進,在高等教育教學中,將3D打印技術引入高等教育教學實踐,進一步挖掘3D打印技術的潛力,培養實踐探索精神和勇氣,有效促進學前教育教學改革。

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Research on application of 3D printing technology in university curriculum development

HANRonglei,SUNXuedong

(Educational Technical College, Shenyang Normal University, Shenyang 110034, China)

With the continuous development of social science and technology, 3D printing technology is developing and popular in China and abroad. It is popular in recent years. It has been widely used in many fields. Based on the theory of multiple intelligences, combined with creative thinking, adopt the method of Action Research ,3D printing technology and University 3Dmax courses are integrated to explore the application of 3D printing technology in university courses (taking 3Dmax courses as an example), the application of the research, to the school as a practice exploration base, analysis of the basic present situation, combined with teaching objectives design teaching, promote teaching, enrich the classroom culture.on the aspect of the education theory,it will bring deep reform and revolution in the mode of higher education and contemporary education approach.

3DP; maker; rapid prototyping; curriculum design; multiple intelligence

2016-01-06。

遼寧省教育廳科學研究一般項目(w2014138); 遼寧省教育科學“十二五”規劃一般課題(JG13DB056)。

韓榮雷(1990-),男,遼寧葫蘆島人,沈陽師范大學教師,碩士。

1673-5862(2016)01-0113-04

G436

A

10.3969/ j.issn.1673-5862.2016.01.026