3D打印觸摸教具設計與研究

賀晨媛

摘?要：根據《第二期特殊教育提升計劃（2017-2020年）》中的要求：“支持特殊教育學校建立特殊教育資源中心”，全國特殊學校、接納盲童的普通學校都需要更多形式、種類豐富的無障礙教具，觸摸教具的市場潛力巨大。結合盲人實際教學需求，采用3D打印技術進行觸摸教具的研究是必要且有實際應用價值的，本次研究著重在于需求分析、建模設計、打印成型等方面的探索與實踐。

關鍵詞：信息;設計;聾人教育

一、研究背景

據調查，目前關于盲教育存在著教學資源不夠豐富、同質化嚴重、實用性不強的現象，特殊教育資源需求缺口大并且急需精細化開發。根據浙江特殊教育職業學院的盲人推拿專業教師、盲人學生的反饋，盲人兒童及成年人的信息接收主要靠盲文出版物、有聲讀物、電子圖書來獲取，但在實際教學中依然缺少個性化定制的教具。市場上現有的觸摸感知教具則多為積木、微浮雕地圖等，大小、尺寸受限制，不能根據盲教育師生的需求靈活定制，在盲教育中影響教師傳遞精細的知識。

隨著3D打印技術的發展，應用于文物建筑修復、醫療、航空航天、制造業等領域的現象也正在普及，也可以作用在盲教具的定制。3D打印由三維建模、打印材料、打印參數管理、后處理工藝、3D掃描、逆向建模等方面的技術組成，三維建模方便完全可以滿足各類盲教具的設計，并通過3D打印機打印成模具。

據走訪的大型3D打印公司來看，如先臨三維科技股份有限公司，承接的主要為建筑、機械類模型的打印，但對于小型、內容靈活的模型訂單，屬于按需求定制但是流程比較復雜，成本較高;小型的3D打印定制工作室，如“張飛打印”，多為小型禮品、器皿，不熟悉盲文，也沒有提供音頻結合的教具定制服務。

市場上現有的觸摸感知教具則多為積木、微浮雕地圖等，大小、尺寸受限制，并且不能與聲音、盲文有機的結合成一個整體，不能根據盲教育師生的需求靈活定制，在盲教育中影響教師傳遞精細的知識。因特殊教育的行業需求以及社會上對盲教具設計的關注較少，熟悉盲人需求和熟悉盲教育內容、能靈活根據盲教育的需求設計、定制教具的組織機構較少。

二、設計與研究過程

根據現今盲人推拿與按摩專業中的教學需求，針對人體結構中的血管、血栓等精細的位置的變化過程，需要觸摸實物教具進行感知，模具的設計需要以下流程：

（一）模型設計階段

在設計教具的模型草圖時，要根據教學內容對難點部位進行圖像化，一個動態變化可按四個步驟進行繪制，后期可以每個步驟單獨建模。考慮到盲人的觸摸感知時，不能識別平滑教具中每個區域、細節，所以要對模型的部位分組、分區，特別是需要對每一部位進行紋理區分，紋理設計需要考慮后期建模和打印是否清晰的呈現出細節，用不同的顆粒、肌理來表現。比如大顆粒和小顆粒結合、同一部位、不同變化過程可以用不同寬度的同一類顆粒表示;不同部位的紋理可以用不同的顆粒表現。

分開的模型草圖繪制完畢后，還應考慮模型之間的排列組合、收納形式，設計的便于收納，并且從排列上也能通過觸摸識別從哪邊的模型開始。模型的排列設計上需要根據盲人觸摸慣用的方向來定，經與盲人的溝通得知，盲人觸摸和人眼看書的順序一樣是從左往后，所以模型的排列設計也從左開始。每個模型之間需要串聯，否則容易因多人觸摸，在混亂中掉落。串聯可以與底座的設計相結合，用一根扁平帶子串聯起四個模型。

考慮到盲人教學中，針對教具需要具備觸摸發聲的功能，在底座內要考慮觸摸發聲裝置的配備，以及觸摸感應芯片的嵌入還有每個模具上需要盲文標號。在底座的設計中要有盲文的位置、嵌入芯片的位置以及底座要有凹槽可放入裝置的空間。這些都需要建模時根據設備裝置確定底座的尺寸、凹槽厚度等。

（二）3D建模研究

3D建模的軟件有很多，本次研究使用3DMAX建模，并輸出.stl和.obj格式文件用于后期打印。在草圖設計中，整體模型的動態變化過程分解成4個逐漸變化的模型，此階段需要分開建模，并注意每個模型的大小、輪廓保持局部一致，從外形上能體現是同一個模型。建模的重點是表面顆粒的區分，主要用線形、圓球形對大的塊面進行區分、針對重點講解部位的顆粒凹凸的高等、密度也有相應的區別。其次是立體盲文的大小、間距、位置，因每個模型都需要標上盲文數字代表序列，盲文的顆粒間距可按國際標準參賽確定，但序號和數字之間的間距要大于數字本身的盲文間距，才能區分序號和數字。

在模型的底座建模時，要多次修改模型底座的凹槽厚度和表面開孔大小，來確定觸摸感應器的放置位置。在對每一個模型的感應芯片的數量研究中，因配合教師的講授，在集體授課環境下，每一個模型不需要多個觸摸發聲的部位，以免引起多個學生觸摸時教室里聲音太亂、太雜，發聲的音量也不需要太大。

（三）觸摸發聲裝置及打印后處理研究

因模具上需要簡短的解說語音，在這方面采用米思奇編程和電子組件配套完成。在對嵌入觸摸芯片的位置和電路的位置的設計中需要考慮模型大小、面積，進行調整。根據盲人觸摸的習慣和認知特效，芯片放置在模型上，會破壞輪廓外觀的整體性，不利于盲人以外的觀眾學習，限制了受眾面，所以芯片要放置在盲文旁邊比較合適。模型下面的底座包含了電路裝置，不能線路過長，因模型面積有限，也不能放置太多零件。

現今3D打印材料種類豐富，很多材料都適合用于觸摸教具，如工程塑料PLA、ABS;柔性材料TPE、TPU;木質感材料、金屬質感材料、碳纖維等。因觸摸教具需要一定硬度，不需要透明或特別的視覺質感，用可降解的PLA材料就可以實現觸摸教具的硬度和密度，而且PLA材料無毒，冷卻收縮程度小，普遍適用于教學或家庭使用。

在打印后處理方便，考慮到盲人實際使用時不需要很多色彩外觀，但觸摸教具也需要一定的普及性，按部位分解均勻涂上不同的色彩，也可用于各類青少年益智類科普機構。在涂色時需手工上色，并注意色彩過渡邊界清晰，色彩組合可靈活多變。

（四）外觀拓展設計

在完成針對盲人教學的3D打印觸摸教具設計后，還應考慮正常觀眾的視覺感受，在色調上應進行美化，以及對各區域進行區分。采用后處理工藝中的手工涂色可適用于少量的、個別化的教學需求，但限制了后期批量化生產的需求，在拓展設計時要考慮批量生產的難度。3D打印技術制造的觸摸教具，更多的屬性是作為樣品測試、為批量化生產做準備。在面對盲人學生、普通觀眾時，外觀的拓展設計就要從配色和材質上美化，使之具有一定的美感。在此次研究的模型中，外觀要呈現逐步變化的過程，保證一眼看到是同一個物體的不同狀態，所以設計主體時可選一個色系，用深淺的變化來代表逐步變化的狀態。

在對嵌入的盲文設計中，要研究盲文是否需要醒目突出的展示。在對教具使用者—專任教師的走訪中了解，盲文因自身具有一定的凸凹感，已經能引起盲人的注意，不需要額外的色彩區分;因為盲文并不普及，正常觀眾的注意力也應放在教具本身而不是盲文的色彩、外形上。要讓盲文與教具整體和諧、融為一體，與模具相同色調即可。

（五）教學與市場化的應用研究

在對盲人的教學場景中，教具的作用是將難以理解的教學內容具象化、并且讓盲人學生通過觸摸這組教具理解抽象理論。教師在組織學生使用教具時，要對整個環節進行設計，是在講授中人手一份的探索、發現還是集中排隊觸摸、討論？這些都涉及到教具的數量分配。作為定制設計的3D打印教具，可以根據教學內容、教學難點不斷的設計、制作出新的觸摸教具，但要將這些教具應用、推廣到更大的市場，讓更多的盲生或正常學生使用，則需要工廠加工以及推廣銷售環節。這中間缺少最重要的一環，就是相應的研發、銷售機構。目前并沒有專門服務盲教育的3D打印機構，出品盲人教具的機構也鮮有3D模型設計和3D打印平臺的技術團隊。所以，擁有盲教育的特殊教育院校能作為主體，與社會相關機構組建一個擁有3D模型設計、3D打印、成品推廣的團隊，就能彌補教學與市場化應用的空缺，形成一個集研發、推廣、銷售的產業鏈，既豐富了盲教育的教學模式，也為大眾科普了相關醫學知識，能對成果進行最大化的合理利用。

三、總結與展望

本次研究與設計的觸摸教具具有以下特點：

（一）多維立體：以將書本重點知識內容用三維模型觸覺教具的形式再現，并根據盲人的需求加上盲文和解說音頻，進行形象、聲音、盲文的融合，綜合地展示了教學內容的難點，具像直觀，易于盲人觸摸和理解。

（二）注重體驗感：安排盲人大學生體驗觸摸教具，從實際需求出發對設計細節進行修改，真正做到以用戶為中心的研發設計，在修改中熟悉盲人的觸摸習慣、盲文的密度、大小等。

（三）具有兼容性：觸摸教具類產品本身屬于無障礙設計，開發的產品即可用作盲人群體，也可以作為正常的兒童青少年以及自閉癥、智力障礙兒童等多類群體啟智使用，適用于實物教學的各類學生。

（四）可延伸性：此次研究豐富了盲人教具中關于3D打印觸摸教具的內容，并且積累了一定經驗后，可根據不同的內容繼續拓展一系列的教具教輔產品，滿足盲人教育中教學內容多樣化的需求。

隨著3D打印技術的普及、打印設備的升級，未來將出現更多個性化的3D定制服務機構，3D打印產品也更加精細化，在此階段就需要更多的3D定制機構著眼于對社會各類人群的人文關懷，特別是將此技術流程與各類特殊教育院校進行對接，以課題形式或社會服務性質進行合作去開發適用于盲人的教輔用品“特供版”，滿足特殊教育人群的教育需要，也可在外觀材質上進行提升和美化進階為“科普版”，滿足廣大青少年啟智、科普需要，讓3D打印技術真正的走進普通大眾的生活。

參考文獻

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