高职教育中基于3D打印技术的教学实践与研究

陈方婧 徐姗姗

摘 要：被称为第三次工业革命标志性生产工具的3D打印技术，由于其生产、运用领域的广泛性，随之带来的生产方式的变革性，引入高校教育教学的必然性，已逐步替代传统制造技术，成为行业关注的焦点。在《中国制造2025》规划中明确提到，3D打印将成为实现智能化制造的重要手段。因此，将高职教育的鲜明特色与3D打印技术教学的科学结合实为高职教育发展的大势所趋，在产品设计教学中引入3D打印实践技术是改革创新的必然结果，在产品艺术设计实践教学中有着现实需求及重要意义。

关键词：3D打印技术;产品艺术设计;高职教育

本文以3D打印技术引入实践性教学为研究对象，从武汉交通职业学院艺术学院的实际情况出发，对高职教育中基于3D打印技术的实践教学进行探讨与研究，从而构建合理的教学体系，建立科学的教学模式，完善相關的课程规范，将现有的教学系统、教学资源与人才培养计划科学对接，将教学目标明确化、设置安排合理化、教学实施多元化、教学效果最优化，从而培养高职教育体系下的高素质、高技能的应用型人才。促使教师在教学中不断更新设计工具，完善设计流程，寻求校企合作的机会，聘用企业专家指导，讲授更多紧扣时代及市场需求相关知识的同时，提供给学生更多实习就业机会。在教学设施方面，学院引进最新的电子手绘屏、3D打印机器，积极完善3D打印实训室、实训机房及陶艺模型实训室的建设，不断更新设备的配置，让学生有更多的实际操作场所，去实践教学项目，提升三维建模能力、产品造型能力、动手实操能力。

一、3D打印技术现状与人才需求分析

近年来，被广泛运用的3D打印技术逐步走下神坛，进入到建筑、医疗、航空航天、汽车、工程施工、珠宝设计、餐饮及教育等领域。3D打印技术又名“增材制造技术”，因其运用逐层叠加的方式打印生产而得名，3D打印技术将三维模型经由切片软件的处理，使用特定的3D打印材料将产品打印出来。根据其技术原理不同又可分为FDM、SLA、3DP、SLS等。因打印原理的不同，导致打印材料、打印精度、制作成本都不尽相同。武汉交通职业学院3D打印实训室的五台3D打印设备为四台FDM丝材熔融挤压成型技术设备和一台SLA光固化成型技术设备。因其桌面型设备体积小巧，材料经济，成型快速，安全无毒，成为我们3D打印技术课程的主要操作设备。

通过大量的资料收集与分析，市场调研与走访，笔者发现因为整个3D打印行业处在起步阶段，所以行业对人才的需求没有一个较明确的划分，大致可分为三类：技术研究及材料开发的企业，需要能熟悉3D打印技术的机械类人才，能运用计算机软件开发核心技术的人才及精通三维数据建模的人才;设备研发机构及工业设计部门，需要的是熟悉机械制造且掌握3D打印技术，具备一定产品设计能力的人才;3D打印设备的零售营销企业，需要的是能够熟悉3D打印工作原理，具备一定营销沟通能力，能够为客户提供配套服务的人才，包括能够为客户提供宣传、咨询、培训、售后等服务的人才。了解市场对3D打印技术相关人才的需求之后，我们在制定人才培养方案及教育教学过程中，能有的放矢地将人才培养与企业、社会的需求挂钩，不断完善课程目标、课程设计及教学实施。

二、教学实践方案与研究

（一）教学方面

3D打印课程在实际教学中与创意思维课程结合，采用项目制的教学方法，作为产品艺术设计专业学生大一下学期的考查课程。该门课程要求学生在结合创意思维去设计产品的同时，理解并掌握3D打印技术的理论知识，运用三维软件进行建模，学会安装及使用3D打印设备附带的模型分层软件，并且能将分层处理后的模型用3D打印设备打印出来，做好模型后期的修复及处理打磨、喷涂工作，进而满足基于3D打印技术的设备使用、设备调试、设备维护要求。将该门技术与创意思维课程结合，以项目式教学为方式，目标是培养学生的发散思维能力、动脑动手能力、独立完成完整设计流程的能力，激发产品设计的初学者们的学习兴趣，养成开阔创新的思维能力，培养正确科学的设计思路与流程，快速将“所想”变为“实现”，为学生的后续学习提供理论知识与技术保障。

（二）实践方面

实践安排如表1，在实践方面需要以小组分组的方式完成课程任务，并且需要把工作量及具体责任落实到人，以保证每位同学的学习效果。以“先学带后学”的方式，让思维更活跃、掌握知识更快的同学帮助稍慢的同学，既能提高学生们的学习热情与兴趣，深化同学友谊，也能提高学生们的沟通表达能力。实施分组时应当每组都能安排两位态度认真、细心的女生，能够帮助其他组员的学习;分组时也应当安排有良好学习习惯的男生，能够改善整个组的学习氛围，并且男生可以操作需要体力才能完成的工作;分组时也应当将不同性格的学生安排到一起，提升他们的适应能力及沟通能力。在实践中也应当因材施教，不断从学生的反馈中汲取经验，不断调整教学方式，以适应教学，使得教学效果最优。

（三）考核及成果方面

根据市场调研与走访得出的人才需求结论，来调整我们的考核方式。将明晰生产流程、了解安全生产要求、熟知操作规范及实训室规章制度、合理科学的使用设备，也纳入课程考核中去，因为这些也是企业实际生产中所重视的。除完成主导项目外，将能够自主自发地完成拓展项目，也纳入课程考核中，作为加分项来鼓励学生。考核的最终落脚点在于强调学生的综合能力及平衡发展。结合课堂表现、考勤、团队协作表现、平时作业，最终作品等综合评估的结果才是课程的最终考核结果。成果方面将会办课程展览、出版学生作品集、建设精品在线课程。

三、课程整体设计

（一）课程预期目的

1.知识目标

希望通过3D打印技术的教学，使学生掌握相关理论知识，熟知3D打印技术的应用背景与现状，熟悉打印材料，能熟练操作、调试、维护设备。课程与创意思维知识点结合起来，培养学生的发散思维能力，希望学生能较好地完成思维的“发散”与“甄选”过程，能掌握三维软件的基本操作方法，能将所学知识进行全面的分析与比较，完成课程任务。

2.能力目标

要求学生们能根据项目方案的要求，进行项目资料的收集与分析;带着问题去听课程，在课程中能根据所看所学，举一反三，不断拓展思路，较好完成自己的创意点子;能运用绘画工具完成创意草图的绘制，运用Rhino等三维软件进行简单模型的制作与修改;能有自主学习的能力，通过互联网搜索、给教师提问、同学互助等方式完善自己的知识体系，丰富知识储备。

3.素质目标

要求学生们能较好的对设计的产品进行阐述说明，提升表达沟通能力;在分组练习的情况下，既能独立思考，又善于学习别人的经验;在项目进行的过程中，能发扬团队精神，培养组织协作能力，解决问题的能力，创新创业的能力;在操作设备的过程中，牢记安全第一，严苛遵守实训室规则，培养经济成本、时间管理、规范操作的意识。

（二）课程设计

课程流程：用游戏导入课程—讲授课程计划及考核要求（让学生们带着目的去听课）—创意思维理论概述—联想练习及设计赏析—3D打印理论概述—rhino软件工具的讲解—解读红星奖（或课程展要求）—根据大赛要求跟所学知识设计一款书写类工具—rhino建模—3D模型打印及后期—提交大赛作品（或布置课程展）—项目汇报，自评、互评—课程总结。

课程背景：随着经济的发展，在满足了人类的基本需求后，我们对文化及精神层面的需求达到了一个新的高点。文创产业是在经济全球化背景下出现的以创造创新为主要驱动力的产业。笔者曾经就职于一家已经上市多年的中国著名文具创意产品公司，担任产品中级设计师的职务，对书写类产品的设计与研发有着企业实践经验，也有着自己的理解。故在此门课程中，希望以书写类工具设计为课程项目，强调学生主体发现美、升华美的能力，将文化因素融入作品，通过设计及3D打印技术实现创意。

课程项目：设计一款书写类工具。

课程对象：武汉交通职业学院艺术学院产品艺术设计专业大一学生。

（三）教学方法

教学中以项目式教学方法贯穿始终，要求学生完成一款书写类工具的设计。运用讲解法，用信息化技术进行演示并进行适当板书，讲授理论知识;讲授多个实际设计案例，让学生们对此案例进行讨论，运用研讨法的教学方式，加固学生对案例的理解，通过讨论拓展思维，去芜存精。教师动手制作定格动画，用逐帧讲解的方式给学生讲解3D打印技术的原理;演示法的方式给学生们演示如何正确安全的操作3D打印设备。在整个教学活动中，将讲授与讨论结合，理论与游戏结合，以期望到达最好的教学效果。

（四）项目授课过程

第一阶段：任务的布置、理论课程的讲授

在第一阶段有两个理论体系，即“创意思维概述”及“3D打印技术概述”需要讲授，在此特别需要注意的是在讲清楚每个理论体系内容的前提下，将两个理论体系联系起来，更好地安排课程，注重讲授的逻辑性与科学性。

在十分了解学生已经掌握的知识及学生的兴趣点后，教师用游戏来活跃课堂，用“碎片重组练习”、“一笔画成”、奥数题“母鸡下蛋”来导入课程，大大增加了学生的参与感，提升了学习兴趣，并且补充知识点——5W1H分析法，帮助学生利用科学性逻辑性强的思维方式去剖析项目命题。接下来将设计任务提前布置下去，让学生们清楚了解这门课该学习些什么？课程结束考核时要做些什么？让学生们带着问题去听接下来的课程，每一个讲授的案例及知识点都将成为灵感迸发的源泉。将知识体系中涉及到的知识点、重难点给学生们着重讲解，实时互动，密切关注学生们的听课反馈，根据反馈实时调整教师的授课方式及授课节奏。

第二阶段：解读红星奖

将课程与设计大赛进行对接，将赛事的效用发展到课堂，是培养具备鲜明特色的高素质高技能人才的方式。本课程将与红星奖进行对接，红星奖的作品征集时间约为每年的3月15日至6月30日，而本门课程的授课时间为大一下学期末，约为每年的5月18日至6月8日。这样的授课时间正好能与大赛对接，学生们可以在老师的指导下完成课程项目，并且将项目作品投稿参与设计比赛。在这样的课程安排中，教师的指导与引导尤为重要，故将大赛的解读专门列为课程安排中的一个课时，可以给学生们解读大赛背景，赛事要求，解析获奖作品。让学生了解大赛要求的同时，可以作为一个案例分析，让大家学习的同时，汲取经验，丰富自己的设计。

第三阶段：草图、沟通

在教师的指导下完成头脑风暴思维的拓展训练后，学生们可以根据自己的意愿设计产品，绘制草图。在绘制草图的过程中，要考虑产品的色彩、结构、工艺及后期效果，尽量思虑周全。在绘制的过程中多与教师沟通交流，确定草图方案。教师可以将较好的设计方案展示给全班同学，既能表扬态度认真、思维活跃的学生，使他们起到一个表率作用，也能激发其他同学的好胜心，更加努力地去做自己的设计方案。课堂上方案的交流跟展示能激发碰撞出更多的设计灵感。

第四阶段：建模、修改

在草图绘制完成，方案最终确定后，很重要的一步便是三维模型的制作与修改。电脑辅助设计是草图设计完成后不可避免的过程，是设计概念的数字化呈现方式。虽然这个呈现方式对于大一新生来说存在一定难度，但也是可以通过科学的教学方式、专业的课程讲授及同学们的耐心专研来攻克的。在这个阶段，教师将讲解Rhino软件的基本操作，带领学生们制作软件模型，答疑解惑，也需要学生们互相学习、团队协作。

第五阶段：分层、3D打印、模型后期

3D打印模型前，需要对三维模型进行一些处理，需要使用打印设备专门配备的分层软件进行分层。这里将讲授分层软件的安装与使用，3D打印设备的使用、材料的更换、设备调试与保养，要求学生们严格遵守实训室规范进行操作。这里还要注意时间的合理安排，因为我们使用的3D打印设备打印一支自动铅笔的模型需要1.5至2小时，全为单色打印。不同的小组在打印时要合理安排时间，考虑不同颜色材料的更换问题。这时候需要组长与组员密切配合，共同完成工作。模型打印完成后，需要进行后期的打磨、喷漆、粘合。

第六阶段：参赛作品整理、汇报、评价、总结

课程的最后一个阶段，需要大家将設计好的模型拍照整理，投稿红星奖比赛。在完成大赛作品提交后，要求以小组为单位，汇报本组设计的产品，从设计概念的甄选到最后模型完成的整个设计流程。课程结尾时，请大家自评、互评作品，教师给予课程总结。

四、结语

3D打印技术在产品艺术设计专业的教学中占有重要地位，产品艺术设计作为一门位于时代前沿，紧扣科学技术的实践型学科门类，对从业者的审美与技术能力有着极高的要求。从创意概念的迸发与甄选到传统手绘工具与手绘板的运用，草图的技术性表现，三维模型的制作与效果图渲染，再到实体模具的制作与后期，这些流程清晰、阶段衔接紧密的设计过程，都对该专业学生提出了极高的要求。本门课程的设置对该专业学生的综合设计能力的提高大有助益，课程结束后的成果丰硕，学生可以大量投稿大赛。课程结束后会有课程展览展示学生作品，有助于设计经验的总结，并将学生作品集结成作品集。相关课程的精品在线课程也正在筹备与建设中，预计2019年建设完成。

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作者单位：

武汉交通职业学院艺术学院