計算機軟件建模結合3D打印技術教學探索與感悟

陳 悅

一、傳統(tǒng)計算機設計類專業(yè)及課程教學的不足之處

目前，我國大部分中職院校計算機設計類專業(yè)及課程仍舊采用傳統(tǒng)的教學方式，即教師以課堂講授的方式對設計類軟件進行講述，然后按照例題步驟機械地演示，學生通過上機操作來練習鞏固。這種傳統(tǒng)的教學模式形式單一，培養(yǎng)出來的學生如同機械人一般程式化，創(chuàng)新能力普遍不足，特別在機械零件制圖課程的教學中，一些較復雜的零件組合圖形，抽象的二維投影視圖對學生的空間想象力要求較高，僅憑中職學生的學習能力是很難脫離現(xiàn)實進行空間想象的。

二、3D打印技術在教學中的角色和作用

2014年，國務院推出“3D打印創(chuàng)新教育播種”計劃，旨在為學生的創(chuàng)新創(chuàng)造能力培養(yǎng)提供良好的氛圍和平臺；2015年國家工業(yè)和信息化部出臺《國家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進計劃（2015— 2016年）》，旨在推動3D 打印深入教學實踐，進而創(chuàng)新教學方式，充分調(diào)動學生的學習興趣，激發(fā)學生的創(chuàng)新創(chuàng)造能力。

如今，國內(nèi)3D 打印技術在教學中應用的步伐正在加快，但是由于這門技術對絕大多數(shù)職校來說還是處于摸索階段，因此缺乏一定的理論指導和實踐經(jīng)驗，所以我們得先從根本上對其在教學過程中所扮演的角色及作用進行認識和分析。

（一）3D打印技術是連接多門學科的紐帶

3D打印技術可以廣泛地在多門學科的教學中運用，能夠豐富教學內(nèi)容并促進跨學科知識的融合。3D打印技術可作為一個平臺，促使計算機應用、軟件設計技術、工程技術等方面的知識進行交匯貫通，通過相關的教學活動，連接學生的認知結構，使其更加立體，并轉化為新的知識結構，促進多方面知識的豐富和技能的提高。

（二）3D打印技術使教學方法由單一走向多樣化

傳統(tǒng)教學方法為單純的“教與學”，形式單一且被動，無法充分調(diào)動學生的學習興趣和積極性，而3D打印技術其本身就自帶科技的神奇屬性，容易引起學生的興趣，讓學生腦洞大開，把想象變成現(xiàn)實。將其應用于教學中，不但對學生個性化的良性發(fā)展有很大幫助，而且將促使教學方法也朝著多樣化發(fā)展。目前大致有如下三種基于3D打印技術進行創(chuàng)新的教學方法：

學生通過軟件在進行設計建模

1.項目教學法：圍繞項目來開展學習活動，在教學過程中，讓學生分組組隊，參與到模型的設計與繪制、3D打印成形等環(huán)節(jié)，幫助學生將抽象內(nèi)容具象化，并通過觀察、評價、改進等教學活動來幫助學生更好地理解知識、解決問題。

2.任務驅動教學法：學生在教師的引導下利用3D打印技術完成具體的設計和制作任務，從中學習并掌握新技能。學生在運用3D打印技術完成任務的過程中，可以將一些抽象或難以理解的內(nèi)容形象化，并加深理解，在完成任務的同時，提高自身的知識能力和技能水平。

3.破冰教學法：萬事開頭難，所謂的破冰教學法是讓學生帶著學習過程中最首要解決的問題去思考、去分析、去學習，尋找學習的突破口，從而達到破冰的目的。利用3D 打印技術可以幫助學生打印出形象、生動的物件，并用之來輔助理解和分析問題，使得學生的學習從被動接受到主動創(chuàng)造。

三、3D打印技術在計算機設計類專業(yè)及課程中的應用

3D打印技術因其自身的特點以及在教學中能夠扮演的角色和作用，可以輔助計算機實體設計、機械類等專業(yè)及課程的教學。現(xiàn)筆者就結合所在學校近幾年在3D打印技術應用于教學及學生興趣小組方面的實踐經(jīng)驗，以《3D設計建模及打印》課程為例，談談如何將3D打印技術融入計算機設計類專業(yè)或課程中，讓軟件建模結合3D打印技術，來激發(fā)學生的創(chuàng)新創(chuàng)造能力。

（一）建模軟件的選用

建模軟件是設計并制作一切產(chǎn)品的前提，通過軟件進行產(chǎn)品設計并建模，是隨后通過3D打印技術制作實物的重要環(huán)節(jié)。目前市面上較流行的建模軟件有Autodesk 123D和3D ONE PLUS。

1.Autodesk 123D：該系列軟件為用戶提供多種方式生成3D模型：用最簡單直接的拖拽3D模型并進行編輯的方式進行建模，或者直接將拍攝好的數(shù)碼照片在云端處理為3D模型。123D系列軟件同樣為愛動手的用戶提供了多種方式來發(fā)揮自己的創(chuàng)造力，不需要復雜的專業(yè)知識，任何人都可以輕松使用。

2.3D ONE PLUS：是專為中小學教育開發(fā)打造的3D設計軟件，致力于學生思維能力的提高，實現(xiàn)創(chuàng)新素質(zhì)教育的發(fā)展。3D ONE PLUS具備簡單易用的程序環(huán)境，支持專業(yè)級的涂鴉式平面草圖繪制，可進行豐富實用的3D實體設計，提供多種多樣的顯示控制。3D ONE PLUS同樣不需要具備一定的專業(yè)基礎，就可以輕易上手。

（二）課題設置

課題一：建模和打印操作軟件的基本操作

主要內(nèi)容：

1.認識3D打印機結構及設備連接；

2.掌握建模基本操作方法，如：拉伸、旋轉、掃描、混合等；

3.掌握打印操作軟件的基本操作方法：如：打印機的操作，參數(shù)設置等。

課題二：制作校徽

主要內(nèi)容：

1.學習建模軟件中造型跟蹤草繪的技巧，進行建模；

2.打印一件校徽，并能夠更換線材，實現(xiàn)雙色打印。

課題三：設計班牌

主要內(nèi)容：

1.分組討論，根據(jù)自己所在班級的專業(yè)名稱及專業(yè)特點，設計班牌樣式，要求設計中包含本專業(yè)元素；

2.通過建模軟件進行三維建模，并打印成型，要求控制尺寸，節(jié)約線材。

課題四：生活用品設計

主要內(nèi)容：

1.設計個性手機架，要求結構合理，小巧輕便；

2.設計書簽，并在模型上設計個性符號或專屬名稱。

課題五：專業(yè)化產(chǎn)品制作

主要內(nèi)容：

1.根據(jù)各班級專業(yè)特點，上網(wǎng)下載或自行設計一款與專業(yè)相關的模型。

2.要求打印完成后進行后續(xù)加工處理，清除模型毛刺、表面打磨，有條件的專業(yè)對模型進行上色處理。

以上課題設置并非固定不變的，僅為建議，在實際教學中，更應提倡讓學生結合學習目標和要求，從興趣點和創(chuàng)意出發(fā)，制定學習課題。

（三）教學計劃安排

以較短時間內(nèi)讓學生迅速上手為目的，可結合學習周數(shù)（以八周為例）對教學過程進行簡單的規(guī)劃及安排，如下表：

《3D設計建模及打印》教學計劃安排表

（四）教學實施過程

1.分組學習，作品設計：先讓學生根據(jù)自由組合的原則進行分組，每組3-4人。教師給每個小組下發(fā)課題任務書，小組成員分工，進行作品的設計。

2.實物測繪，軟件建模：由于3D打印是以數(shù)字模型為基礎，因此學生首先要做的就是利用繪圖建模軟件（3D ONE PLUS軟件或Autodesk 123D）繪制出作品模型。在這個環(huán)節(jié)，中級工層次學生只需要將看到的實物或設計草圖通過軟件繪制成數(shù)字模型即可，視實際教學情況可適當提高要求；高級工層次的學生應根據(jù)所制作的對象，比如手機支架組合件或其它一些運動軸系裝置等，掌握它們的機械設計構造及運動原理，此舉的目的是要求他們能夠在繪制實物模型圖的基礎上進行不同造型的變換，從而最大限度地開發(fā)他們的想象力和創(chuàng)意思維。

3.傳輸數(shù)據(jù)，模型打印。將繪制好的數(shù)字模型文件根據(jù)3D打印機的要求進行格式轉換后，傳輸?shù)?D打印機進行打印。由于之前的測繪工作均由學生獨立完成，因此在精度上可能不夠規(guī)范，會產(chǎn)生格式轉換后三維數(shù)據(jù)不夠準確的問題，比如方向反轉、多余幾何形狀、縫隙明顯、壁厚增加、重復面片等。針對這些問題，教師可以為學生進行詳細的分析和講解，進一步向學生強調(diào)繪圖精確的作用和意義，通過問題讓學生進行反思、學習、提高。

4.胚模修整，后期加工。由于3D打印機的參數(shù)和性能不盡相同，因此打印出來的胚模也存在著差異，需要進一步修整，修整后的胚模，還可通過更精細的手工打磨，噴漆上色等操作，提升其品質(zhì)，美化外觀。

5.分組點評，交流提高。在所有課題任務完成后，學生以小組為單位，展示自己的作品并接受老師及其它小組的評價，在互評和交流的過程中，發(fā)現(xiàn)自己的不足以及別人的長處，互相學習，互相促進。

3D打印成品只是結果，重要的是創(chuàng)意及設計的過程。學生通過自主設計、分工配合、軟件測繪、成形打印等步驟，將自己的創(chuàng)意想法最終變成實物，極大提高了學習效率及動手動腦的積極性。這種教學模式最大限度地激發(fā)了學生的創(chuàng)造性思維，刺激了創(chuàng)意靈感，為學生創(chuàng)新創(chuàng)造能力的養(yǎng)成及發(fā)揮提供了舞臺。

學生通過3D打印技術制作的作品

四、開展3D打印教學的體會與思考

筆者經(jīng)過近幾年的3D打印方面的教學，有以下幾方面的體會：一是需要培養(yǎng)更多更專業(yè)的師資。只有具備好的師資，才能充分發(fā)揮已有的軟硬件水平，教出更專的學生；二是要加強校企合作，與企業(yè)共同開發(fā)3D打印項目教學案例，豐富教學資源庫，同時為學生創(chuàng)造更大的展現(xiàn)自我的平臺；三是要進一步發(fā)揮3D打印技術在各個學科教學上的作用，加強學生通過計算機軟件進行設計建模的能力，讓更多的學生掌握這門技術，從而更好地幫助他們完成專業(yè)的學習；四是要充分發(fā)揮3D打印制造技術在“雙創(chuàng)”教育上的優(yōu)勢，充分調(diào)動學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的積極性，通過產(chǎn)品開發(fā)與制作，培養(yǎng)學生的創(chuàng)業(yè)能力。

如今3D打印技術已經(jīng)被廣泛引入到學校及科研機構中，在中小學層次的基礎教育領域也以興趣班等形式出現(xiàn)。此外，一些3D打印教育的商業(yè)模式涌現(xiàn)，豐富了3D打印在教育領域的應用。3D打印技術服務下的創(chuàng)客教育符合學生的學習天性，促進學生以集體為單位協(xié)作學習。3D打印技術實現(xiàn)了多學科的知識融合，將創(chuàng)意變成實物，這將是未來教育模式中一個嶄新的發(fā)展方向。