3D打印在船舶结构与制图实践课中的应用研究

代帅 王维

摘 要 从3D打印技术概念、3D打印过程等内容介绍出发，结合船舶结构与制图实践课特点，尝试将3D打印技术应用到船舶结构与制图实践课中，根据基于项目的学习的具体操作程序，对教学过程进行设计和实施。通过对学生学习效果调查问卷数据的分析，详细阐述以3D打印技术为手段，基于项目的学习在船舶结构与制图实践课中的应用价值。

关键词 3D打印技术；船舶结构与制图；基于项目的学习；三维模型

中图分类号：G652 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2018）08-0039-03

1 前言

3D打印技术作为一种被迅速推广的快速成型技术，应用领域越来越广泛，这其中就包括3D打印技术和教育的融合。这不仅是技术工具的运用，也是创新教育模式的有益尝试，必将对现有教学产生深刻影响[1]。目前，在基础教育中，更多的学校开设了3D打印技术课程，以学生了解3D打印技术、体验打印过程为主。在高等教育中，部分高校开放了3D打印实验室，以学生设计、制作3D打印作品为主。与此同时，教育工作者正在探究如何将3D打印技术与课程结合，从而创造新颖的教学内容，改善教学方法，营造愉快的学习体验[2]。

因此，本研究尝试将3D打印技术融入高等教育船舶结构与制图课堂教学中，为学生学习船舶结构知识带来新的体验。通过引入3D打印技术打印船舶结构实物模型来激发学生的学习兴趣，使书本上抽象的船舶结构知识直观化，加深学生对船舶结构知识的理解，提高课堂的参与度，减少因为知识内容接受相对困难，造成学生消极学习现象的产生，在重视学生对船舶学科知识掌握的同时，更加关注对能力的培养。

2 3D打印技术概述

3D打印（3D printing，又称三维打印）是一种快速成型技术，它以数字化模型为基础，运用粉末状金属或塑料等可黏合材料，通过逐层打印的方式构造物体[1]。具体来讲，就是利用三维模型制作软件制作出三维模型，使用与3D打印机配套的切片软件完成切片过程，连接到3D打印设备即可实现打印过程，即三维建模、格式转换、切片、打印四个阶段。3D打印制作流程如图1所示。

三维软件建模 常见的三维模型建模软件有很多，包括3ds MAX、AutoCAD、犀牛等软件。以3ds MAX为例，其常用操作包括创建标准基本体、样条线、修改器列表、选择并移动、选择并旋转、捕捉等操作指令，通过对这些基本指令的操作，即可实现三维模型的制作。

转换STL文件 使用的三维建模软件不同，建模完成后导出的格式也不同。3D打印机能够识别的标准格式是.STL格式，如果使用的三维建模软件的导出格式不包括.STL格式，可将三维模型先导入3ds MAX三维软件中，再将其转换为.STL格式。

切片软件切片 将满足.STL格式的三维模型文件导入到切片软件中，完成切片过程，最终生成.gcode格式文件。切片的过程就是对三维模型设置参数的过程，相关参数包括如层高0.2 mm、打印温度200 ℃、热床温度60 ℃的设置，是否添加支撑、支撑添加比例、机器宽深高的设置等。切片完成后点击保存，注意选择.gcode格式，并以英文字母、数字命名。

3D打印机参数设置，完成打印过程 将.gcode格式的文件通过储存卡导入3D打印机中，设置3D打印机参数，或通过切片软件设置参数后，3D打印机自动识别切片软件中设置好的参数。粘贴3D打印机专用打印纸，检查设备是否完备，材料是否齐全，3D打印机出丝是否顺畅，喷嘴是否堵塞等常见问题，做好打印前准备。打印过程中，根据实际情况调节打印速度，速度越慢，打印质量越好，但耗时越长，所以设置合适的打印速度即可。打印过程中可以暂停、恢复打印；切勿在打印过程中切断电源，导致打印无法继续完成，再次通电后只能重新开始打印。打印完成后，使用小铲子取下打印完成的作品，添加支撑的位置须小心去除添加材料，去除支撑后不光滑处要用砂纸打磨光顺。

3 3D打印技术在船舶结构与制图实践课中应用的实施过程

船舶结构与制图是船舶工程技术专业的核心课程，授课形式包括船舶结构理论知识的学习和巩固船舶结构知识的实践课环节。培养目标侧重于学生对船舶结构知识的理解、掌握和综合运用，使学生具备船舶工程技术专业基本知识和基本职业技能[3]。本研究结合船舶结构与制图实践课特点，以3D打印技术为手段，按照基于项目的学习的操作程序，即选定项目、制订计划、活动探究、作品制作、成果交流、评价反思等六个步骤，设计和实施过程如下。

3D打印技术引入 在船舶结构与制图实践课开始阶段，为学生呈现3D打印完成的实物模型作品，充分调动学生好奇心，使学生对3D打印技术产生浓厚的兴趣。并以此为契机，向学生详细介绍3D打印技术的相关知识内容，包括3D打印技术的概念、原理，3D打印技术使用的材料，3D打印的操作流程，3D打印技术的优势，等等。

观察、模仿3D打印过程 学生认真观察学习3D打印具体流程和3D打印机的使用方法，并在教师的指导和帮助下，能够独立完成3D打印过程，包括对切片软件参数的设置、3D打印机的具体操作、如何更换打印材料等。

選定项目，分析船舶结构 教师带领学生积极思考是否能将3D打印技术与船舶结构结合，选取来自于实际船舶建造工艺的船舶结构，通过对船舶结构的分析，使学生理解船舶结构中涉及的知识点。学生尝试根据给定的船舶结构图纸设计、制作出船舶结构实物模型。

制订计划 为了完成船舶结构实物模型的制作，对学生进行异质分组，在小组长的带领下通过讨论对任务进行总体规划，确定具体实施方案，对小组成员进行分工、明确任务。

活动探究 活动探究是船舶结构与制图实践课中最重要的一个环节，学生根据已经掌握的船舶结构知识，尝试设计、制作船舶结构三维模型。学生在不断学习、相互帮助的过程中，逐步完成船舶结构模型的制作。在活动探究环节，学生不仅巩固了船舶结构学科知识，各方面的能力也得到提高。

作品制作 作品制作是检验学生学习成果，对学生做出评价的依据。学生以整体或者按结构完成船舶结构的3D打印。通过完成的作品，可以反映出学生对船舶学科知识的掌握情况，也会使学生更有成就感，对学好船舶学科知识更加自信。学生完成的3D打印船舶结构如图2所示。

成果交流 船舶结构实物模型设计、制作完成后，学生通过分享过程中遇到的问题和解决方法，加深对船舶学科知识的理解，优化使用三维建模软件的方法和技巧。分享的过程也是总结的过程，分享者能够更好地梳理船舶结构模型的设计、制作过程，被分享者也能从分享过程中发现不足，提出更加高效的方法和策略。

评价反思 根据学生在设计、制作船舶结构实物模型过程中的表现和最终呈现的船舶结构实物模型作品，完成教师评价和学生自评。无论是船舶学科知识，还是船舶结构设计、制作方法技巧，学生能够通过反思发现不足，并在教师或同学的帮助下得到巩固和提高。

4 学生学习效果问卷调查数据分析

课后，对学生进行学习效果问卷调查，问卷包括调查学生是否对这种上课方式感兴趣，是否对学生学习船舶学科知识有帮助，是否使学生各方面能力得到提高等内容。参与本次实践课的学生共10人，问卷发放10份，共回收10份，回收率为100%。

通过对数据进行分析，50%的学生对此种上课方式十分感兴趣，另外50%的学生选择对此种上课方式比较感兴趣。学生表示，第一次接触3D打印技术特别好奇，很想学一学。对学习船舶结构知识是否有帮助方面，60%的学生选择帮助很大，40%的学生选择有些帮助，没帮助和起反作用选项的选择率为0。学生普遍认为在船舶结构与制图课程学习过程中，船舶结构比较抽象，学习起来有一定困难，而在设计、制作船舶结构三维模型过程中，可以很好地巩固之前学习到的船舶结构知识和学习到很多新知识。在对船舶结构图纸的识读能力是否有提高方面，50%的学生选择提高很多，50%的学生选择提高一些，没有提高选项的选择率为0；在绘制船舶结构平面图形的能力是否有提高方面，50%的学生选择提高很多，50%的学生选择提高一些，没有提高选项的选择率为0。在能力培养方面，学生大多数都在动手能力、沟通表达能力、解决问题能力、小组协作能力等选项中选择提高很多和提高一些，他们普遍认为以3D打印技术为手段的基于项目的学习在船舶结构与制图实践课的应用，使各方面的能力都得到提高。

5 以3D打印技术为手段的基于项目的学习在船舶结构与制图实践课中的应用价值分析

船舶学科知识方面

1）船舶结构知识。实践课选取的船舶结构来自于实际船舶建造工艺，该船舶结构涉及的部分内容学生学习过，还有一部分内容对学生来说是新知识。通过教师讲授，学生能够学习到新的船舶结构知识，而且能够巩固先前学习到的知识。对于在先前学习过程中没有对船舶结构知识充分理解的学生来说，通过3D打印船舶结构实物模型，使他们对船舶结构有了更加直观的认识，接受起来会更加容易，更好理解。

2）识读和绘制船舶结构图纸的知识。在实际船舶建造工艺中，船舶结构图纸的识读和绘制对于船舶行业从业人员来说是最重要的基本技能。在实践课中，学生能够接触到实际船舶建造工艺的图纸，了解船舶结构图纸的标准、规范等内容，逐渐掌握识读、绘制船舶结构图纸的方法和技巧。图纸绘制的是船舶结构的二维图形，通过观察3D打印的船舶结构的实物模型，能够更好地理解船舶结构图纸。

能力培养方面 在设计、制作船舶结构实物模型过程中，学生不仅收获了知识，而且各方面的能力也得到提高。如从对图纸的观察到设计、制作船舶结构实物模型，再根据实物模型学习船舶结构图纸，由抽象到具体、再由具体到抽象的过程，培养了学生的空间想象能力。在活动探究过程中，学生使用到AutoCAD软件、3ds MAX建模软件、Cura切片软件等应用软件，操作软件能力得到培养。

学生在设计、制作过程中会不断发现问题、解决问题。解决问题的方法包括查询资料或向教师、同学寻求帮助。解决问题的过程就是培养能力的过程，正如加涅认为的：

“教育课程的最终目标就是教学生解决问题。”[4]在小组活动期间，需要小组成员之间交流、讨论以确定方案或解决问题。过程中难免会产生不同的想法和意见，如何进行有效协商，使活动的各个环节得以继续下去，都会使学生的沟通交流能力得到提高。操作3D打印设备、更换打印材料、3D打印机故障处理的过程，是对学生动手能力的培养。

将3D打印技术应用到船舶结构与制图实践课中是一种开放式的交互活动，不仅有趣，而且能够培养学生的合作精神和协作能力。通过小组协作，学生能够更好更快地完成任务，还能够取长补短、相互帮助，共同成长进步。学生在充分掌握船舶结构知识的基础上，在满足实际船舶建造工艺规范的情况下，可以尝试设计不同的船舶结构，通过3D打印机打印出来，在课堂上与教师和同学进行分享、讨论，使设计创新能力得到培养。对能力培养的应用价值分析如图3所示。

6 结语

在课堂教学应用过程中，3D打印技术本身并不是课程的重点，其主要目标是采用基于项目的学习，将抽象的概念变成有趣问题的解决，进而帮助学生掌握抽象概念[5]。以3D打印技术为手段的基于项目的学习在船舶结构与制图实践课中的应用，是船舶结构知识，识读、绘制船舶结构图纸的知识等多种学科知识的综合应用，不仅为学生学习船舶学科知识带来新的体验，使学生进一步巩固和掌握了船舶学科知识，更重要的是學生在获取知识的同时，空间想象能力、软件操作能力、解决问题能力、沟通表达能力、动手能力、小组协作能力、设计创新能力等各方面的能力都得到培养，而这恰好是教育工作者不断追求的教学目标。

参考文献

[1]童宇阳.3D打印技术在中小学教学中的应用研究[J].现代教育技术，2013（12）：16-19.

[2]李青，王青.3D打印：一种新兴的学习技术[J].远程教育杂志，2013（4）：29-35.

[3]王英第.《船舶结构与制图》课程教学改革的探索[J].科技视界，2014（21）：179.

[4]陈琦，刘儒德.当代教育心理学[M].北京：北京师范大学出版社，2007.

[5]利普森，库曼.3D打印：从想象到现实[M].北京：中信出版社，2013.