计算机软件建模结合3D打印技术教学探索与感悟

陈 悦

一、传统计算机设计类专业及课程教学的不足之处

目前，我国大部分中职院校计算机设计类专业及课程仍旧采用传统的教学方式，即教师以课堂讲授的方式对设计类软件进行讲述，然后按照例题步骤机械地演示，学生通过上机操作来练习巩固。这种传统的教学模式形式单一，培养出来的学生如同机械人一般程式化，创新能力普遍不足，特别在机械零件制图课程的教学中，一些较复杂的零件组合图形，抽象的二维投影视图对学生的空间想象力要求较高，仅凭中职学生的学习能力是很难脱离现实进行空间想象的。

二、3D打印技术在教学中的角色和作用

2014年，国务院推出“3D打印创新教育播种”计划，旨在为学生的创新创造能力培养提供良好的氛围和平台；2015年国家工业和信息化部出台《国家增材制造产业发展推进计划（2015— 2016年）》，旨在推动3D 打印深入教学实践，进而创新教学方式，充分调动学生的学习兴趣，激发学生的创新创造能力。

如今，国内3D 打印技术在教学中应用的步伐正在加快，但是由于这门技术对绝大多数职校来说还是处于摸索阶段，因此缺乏一定的理论指导和实践经验，所以我们得先从根本上对其在教学过程中所扮演的角色及作用进行认识和分析。

（一）3D打印技术是连接多门学科的纽带

3D打印技术可以广泛地在多门学科的教学中运用，能够丰富教学内容并促进跨学科知识的融合。3D打印技术可作为一个平台，促使计算机应用、软件设计技术、工程技术等方面的知识进行交汇贯通，通过相关的教学活动，连接学生的认知结构，使其更加立体，并转化为新的知识结构，促进多方面知识的丰富和技能的提高。

（二）3D打印技术使教学方法由单一走向多样化

传统教学方法为单纯的“教与学”，形式单一且被动，无法充分调动学生的学习兴趣和积极性，而3D打印技术其本身就自带科技的神奇属性，容易引起学生的兴趣，让学生脑洞大开，把想象变成现实。将其应用于教学中，不但对学生个性化的良性发展有很大帮助，而且将促使教学方法也朝着多样化发展。目前大致有如下三种基于3D打印技术进行创新的教学方法：

学生通过软件在进行设计建模

1.项目教学法：围绕项目来开展学习活动，在教学过程中，让学生分组组队，参与到模型的设计与绘制、3D打印成形等环节，帮助学生将抽象内容具象化，并通过观察、评价、改进等教学活动来帮助学生更好地理解知识、解决问题。

2.任务驱动教学法：学生在教师的引导下利用3D打印技术完成具体的设计和制作任务，从中学习并掌握新技能。学生在运用3D打印技术完成任务的过程中，可以将一些抽象或难以理解的内容形象化，并加深理解，在完成任务的同时，提高自身的知识能力和技能水平。

3.破冰教学法：万事开头难，所谓的破冰教学法是让学生带着学习过程中最首要解决的问题去思考、去分析、去学习，寻找学习的突破口，从而达到破冰的目的。利用3D 打印技术可以帮助学生打印出形象、生动的物件，并用之来辅助理解和分析问题，使得学生的学习从被动接受到主动创造。

三、3D打印技术在计算机设计类专业及课程中的应用

3D打印技术因其自身的特点以及在教学中能够扮演的角色和作用，可以辅助计算机实体设计、机械类等专业及课程的教学。现笔者就结合所在学校近几年在3D打印技术应用于教学及学生兴趣小组方面的实践经验，以《3D设计建模及打印》课程为例，谈谈如何将3D打印技术融入计算机设计类专业或课程中，让软件建模结合3D打印技术，来激发学生的创新创造能力。

（一）建模软件的选用

建模软件是设计并制作一切产品的前提，通过软件进行产品设计并建模，是随后通过3D打印技术制作实物的重要环节。目前市面上较流行的建模软件有Autodesk 123D和3D ONE PLUS。

1.Autodesk 123D：该系列软件为用户提供多种方式生成3D模型：用最简单直接的拖拽3D模型并进行编辑的方式进行建模，或者直接将拍摄好的数码照片在云端处理为3D模型。123D系列软件同样为爱动手的用户提供了多种方式来发挥自己的创造力，不需要复杂的专业知识，任何人都可以轻松使用。

2.3D ONE PLUS：是专为中小学教育开发打造的3D设计软件，致力于学生思维能力的提高，实现创新素质教育的发展。3D ONE PLUS具备简单易用的程序环境，支持专业级的涂鸦式平面草图绘制，可进行丰富实用的3D实体设计，提供多种多样的显示控制。3D ONE PLUS同样不需要具备一定的专业基础，就可以轻易上手。

（二）课题设置

课题一：建模和打印操作软件的基本操作

主要内容：

1.认识3D打印机结构及设备连接；

2.掌握建模基本操作方法，如：拉伸、旋转、扫描、混合等；

3.掌握打印操作软件的基本操作方法：如：打印机的操作，参数设置等。

课题二：制作校徽

主要内容：

1.学习建模软件中造型跟踪草绘的技巧，进行建模；

2.打印一件校徽，并能够更换线材，实现双色打印。

课题三：设计班牌

主要内容：

1.分组讨论，根据自己所在班级的专业名称及专业特点，设计班牌样式，要求设计中包含本专业元素；

2.通过建模软件进行三维建模，并打印成型，要求控制尺寸，节约线材。

课题四：生活用品设计

主要内容：

1.设计个性手机架，要求结构合理，小巧轻便；

2.设计书签，并在模型上设计个性符号或专属名称。

课题五：专业化产品制作

主要内容：

1.根据各班级专业特点，上网下载或自行设计一款与专业相关的模型。

2.要求打印完成后进行后续加工处理，清除模型毛刺、表面打磨，有条件的专业对模型进行上色处理。

以上课题设置并非固定不变的，仅为建议，在实际教学中，更应提倡让学生结合学习目标和要求，从兴趣点和创意出发，制定学习课题。

（三）教学计划安排

以较短时间内让学生迅速上手为目的，可结合学习周数（以八周为例）对教学过程进行简单的规划及安排，如下表：

《3D设计建模及打印》教学计划安排表

（四）教学实施过程

1.分组学习，作品设计：先让学生根据自由组合的原则进行分组，每组3-4人。教师给每个小组下发课题任务书，小组成员分工，进行作品的设计。

2.实物测绘，软件建模：由于3D打印是以数字模型为基础，因此学生首先要做的就是利用绘图建模软件（3D ONE PLUS软件或Autodesk 123D）绘制出作品模型。在这个环节，中级工层次学生只需要将看到的实物或设计草图通过软件绘制成数字模型即可，视实际教学情况可适当提高要求；高级工层次的学生应根据所制作的对象，比如手机支架组合件或其它一些运动轴系装置等，掌握它们的机械设计构造及运动原理，此举的目的是要求他们能够在绘制实物模型图的基础上进行不同造型的变换，从而最大限度地开发他们的想象力和创意思维。

3.传输数据，模型打印。将绘制好的数字模型文件根据3D打印机的要求进行格式转换后，传输到3D打印机进行打印。由于之前的测绘工作均由学生独立完成，因此在精度上可能不够规范，会产生格式转换后三维数据不够准确的问题，比如方向反转、多余几何形状、缝隙明显、壁厚增加、重复面片等。针对这些问题，教师可以为学生进行详细的分析和讲解，进一步向学生强调绘图精确的作用和意义，通过问题让学生进行反思、学习、提高。

4.胚模修整，后期加工。由于3D打印机的参数和性能不尽相同，因此打印出来的胚模也存在着差异，需要进一步修整，修整后的胚模，还可通过更精细的手工打磨，喷漆上色等操作，提升其品质，美化外观。

5.分组点评，交流提高。在所有课题任务完成后，学生以小组为单位，展示自己的作品并接受老师及其它小组的评价，在互评和交流的过程中，发现自己的不足以及别人的长处，互相学习，互相促进。

3D打印成品只是结果，重要的是创意及设计的过程。学生通过自主设计、分工配合、软件测绘、成形打印等步骤，将自己的创意想法最终变成实物，极大提高了学习效率及动手动脑的积极性。这种教学模式最大限度地激发了学生的创造性思维，刺激了创意灵感，为学生创新创造能力的养成及发挥提供了舞台。

学生通过3D打印技术制作的作品

四、开展3D打印教学的体会与思考

笔者经过近几年的3D打印方面的教学，有以下几方面的体会：一是需要培养更多更专业的师资。只有具备好的师资，才能充分发挥已有的软硬件水平，教出更专的学生；二是要加强校企合作，与企业共同开发3D打印项目教学案例，丰富教学资源库，同时为学生创造更大的展现自我的平台；三是要进一步发挥3D打印技术在各个学科教学上的作用，加强学生通过计算机软件进行设计建模的能力，让更多的学生掌握这门技术，从而更好地帮助他们完成专业的学习；四是要充分发挥3D打印制造技术在“双创”教育上的优势，充分调动学生创新创业的积极性，通过产品开发与制作，培养学生的创业能力。

如今3D打印技术已经被广泛引入到学校及科研机构中，在中小学层次的基础教育领域也以兴趣班等形式出现。此外，一些3D打印教育的商业模式涌现，丰富了3D打印在教育领域的应用。3D打印技术服务下的创客教育符合学生的学习天性，促进学生以集体为单位协作学习。3D打印技术实现了多学科的知识融合，将创意变成实物，这将是未来教育模式中一个崭新的发展方向。