3D打印实践课程课堂教学设计

刘文锋 孙静 彭文静

中图分类号：G633.67DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2205-5640-3613

基金项目：2020年湖南省普通高等学校教学研究改革项目（项目名称：新工科视域下现代工程训练教育的改革与实践，项目编号：HNJG-2020-0768）;2018年湖南工程学院教改项目（项目名称：面向“中国制造2025”的金工训练教学改革与实践，项目编号：2018JG0029）。

作者简介：刘文锋（1990—），男，硕士，助教，主要从事3D打印课程教学、先进制造技术的研究.

通信作者简介：孙静（1984—），女，博士，副教授，主要从事先进信息材料与器件方向的研究。E-mail：jsun1206@163.com。

摘要：基于3D打印實践教学优势，本文探讨了党史教育融入3D打印技术实践教学，以及PBL模式的教学法在产品设计专业的实施过程，并结合情景教学法，阐述了3D打印实践课程课堂教学设计，包括课程导入、3D打印技术概述、相关场景的选择、场景还原方案的可行性验证、模型的制作、设备日常维护等内容，全过程融入思政元素，使学生掌握3D打印技术原理与工艺，并回顾解放战争的历史，最后对课堂效果进行了问卷调查，对结果进行分析和总结。课程实践结果表明，针对产品设计专业所开展的教学活动，充分展现了学生美术专业背景的优势，同时，教师隐形地将工科理论和实践知识传导给了学生，激发了每个组员的积极性，开放式的课堂使得学生既有选择主题的权利，又不偏离教师基本的教学内容，使得学生学习兴趣空前浓烈，提高了学生的三维设计能力、科学思辨能力、学科综合能力，实践课程的可适应度得到提高，对同类课程有一定参考意义。

关键词：3D打印技术  PBL  情景教学法  产品设计  课堂教学

中图分类号：G642.0 文献标志码：A

Classroom Teaching Design of 3D Printing Practice Course

——Taking the 3D Printing Comprehensive Training of Product Design Major of Hunan Institute of Engineering as an Example

LIU Wenfeng1  SUN Jing2  PENG Wenjing1

（1. Engineering Training Center， Hunan Institute of Engineering， Xiangtan， Hunan Province， 411101 China; 2. College of Electrical and Information Engineering， Hunan Institute of Engineering， Xiangtan， Hunan Province 411104 China）

Abstract：Based on the advantage of 3D printing practice teaching， this paper discusses the history of the party education into the 3D printing technology practice teaching， teaching method and PBL model in the implementation process of Product Design major. Combined with the situational teaching method. it expounds  classroom teaching design of 3D Printing Practice course， including the introduction of the course， the overview of 3D printing technology， the selection of relevant scenes， the feasibility verification of the scene restoration scheme， the production of models， the daily maintenance of equipment， etc. the whole process integrates ideological and political elements， so that students can master the principle and process of 3D printing technology， review the history of the war of liberation， and finally conduct a questionnaire survey on the classroom effect， analyze and summarize the results. The course practice results show that the teaching activities carried out for the Product Design major fully show the advantages of the students' art professional background. At the same time， the teachers secretly transmit the engineering theory and practical knowledge to the students， which stimulates the enthusiasm of each team member. The open class makes the students have the right to choose the theme without deviating from the basic teaching content of the teachers， which makes the students' interest in learning unprecedented. It improves students' 3D design ability， scientific thinking ability and subject comprehensive ability， and improves the adaptability of practical courses， which has a certain reference significance for similar courses

Key Words：3D printing technology; PBL; Situational teaching method; Product design; Course teaching

3D打印作为快速成型技术领域的一种新兴技术，正成为高校工程训练中不可或缺的一部分。快速成型技术（Rapid Prototyping简称RP）是先进制造技术的一种，发展于20世纪80年代中期，在经历近40年的发展后该技术日趋完善，近年来针对RP新工艺、新装备的研究依旧火热^[1]。RP是以三维模型为基础，通过软件分层离散和数控成型系统，用激光束或其他方法将材料堆积而形成实体零件。由于它是逐层累积成型，因而可以在没有模具的情况下生成复杂的零部件，缩短了生产时间^[2]。这种技术可以直接、高效、精确地将设计思想转变为实体模型或直接制造零件^[3]，多应用于产品的前期验证。在高校工程训练中引入RP不仅可使学生学到三维建模知识、计算机辅助制造技术，而且能进一步学习利用现代科技进行工程设计的概念^[4]。在工程训练开设有关3D打印技术的实训项目，不仅可以丰富工程训练项目类别，也是为了适应新工科的发展需要。国内西安交通大学将3D打印划入金工实训课程，并分层次教学，河北工大也开设了3D打印实验室^[5]。作为一门实践类课程，通过在3D打印实训项目中融合场景教学可以更好地实现实践育人的目标。在以往的3D打印教学实践中，制作模型是基本要求。工程训练包含许多实训项目，将3D打印加入工程训练的课程体系的时间并不长。尽管3D打印实践课程与PBL模式结合取得了较好的教学效果，但是实践项目主题的选择需要经过教研室教师大量讨论，项目主题一旦在某个实训项目中确定，则会执行很長一段时间，当面向全校各个专业的学生时，项目可选择性方面欠佳，往往不具备针对性，影响了教学效果。工程训练的教师大多具备较强的实践能力，但在针对不同专业该如何育人等方面缺乏系统的培训。针对以上存在的问题，对3D打印实践环节进行课程课堂教学设计尤为必要。

作为课程建设的基本载体之一，实践类课程是高校育人体系不可或缺的一环。教学设计是运用系统方法分析教学问题和确定教学目标、建立解决教学问题的策略方案、试行解决方案、评价试行结果和对方案进行修改的过程^[6]。教学设计有很深的内涵。根据系统论的观点，教学设计可依照其涉及的范畴大小分为以下层次，即教学系统设计、课程教学设计、课堂教学设计、教学媒体设计^[7]。作为教学设计系统中的一个层次，课堂教学设计是指教师在上课之前，系统整理教学步骤和各个环节，以便于包含所有知识点和保证课程的顺利进行，其涵盖了教师针对某堂课的全部教学活动的计划，也对教师的实际授课有一定帮助^[8]。本文所提出的课堂教学方案设计，是面向产品设计专业开展的3D打印实践课程课堂教学设计，因而具有其特殊性。

1 教学内容

湖南工程学院工程训练中心以党史学习教育为契机，探索创新实践育人新模式，寓党史、融思政，将“3D打印+三大战役”以多种形式推进党史学习教育进课堂^[9]。课堂教学的内容为利用3D打印技术对解放战争中著名的辽沈战役进行场景还原。

2 教学目标

（1）课程教学目标1：掌握3D打印的基本原理与工艺流程，培养学生具有3D设计软件与切片软件应用能力，正确使用3D打印相关设备、工夹量具、材料，以及遵循加工工艺、质量要求和安全技术等方面标准的能力.

（2）课程教学目标2：使学生对产品具有选择加工方法及材料和工艺分析的能力，具有独立完成简单制造的实践能力，培养学生3D打印设备操作与维护，工业产品造型的能力。

（3）课程教学目标3：使学生对3D打印材料的打印温度、力学性能、机械特性及化学稳定性有一个基本的认识，会综合考虑配合紧密性、韧度、环境耐受性。

3 课程教学内容

（1）查阅辽沈战役发生的历史背景，尤其是几次关键的会战，例如锦州会战、黑山狙击战等历史资料。

1948年9月12日辽沈战役率先打响，同年11月2日结束，前后历时52天^[10]。前线将士坚定信念，英勇作战，中国人民解放军取得了最终的胜利，解放了东北全境。通过分析这段历史，引导学生深刻认识树立远大理想、坚定理想信念的必要性和重要性^[11]。

（2）关键人物、场景的塑造。

第一，查阅东北野战军司令部主要成员林彪、罗荣桓等的人物特点，通过Solidworks、3DMax或者犀牛等建模软件对人物模型进行建模。

第二，查阅山海关、锦州等地理知识，建立按照比例缩小的模型。

第三，查阅解放战争时期共产党和国民党当时的军用装备情况，选择有代表性地进行打印加工。

（3）模型制作过程。

第一，各部分模型要在大小为80cm×80cm×1cm的底板上统筹规划，调整相应的战车、武器装备的尺寸，引导学生思考整体与局部的辩证关系，同时学会如何规划现有的3D打印耗材的使用及颜色的搭配，加入“全生命周期”^[12]的理念，模型在同等尺寸的情况下，综合考虑强度性能，力求用较少的材料，保证高水平的模型质量，加强工匠精神教育。

第二，人物模型的设计需要有美术功底和软件绘图能力，产品设计专业大二学生已经具备一定的专业素养，但对综合性的模型制作缺乏经验，教学过程中除了传授实践经验以外，要注意培养他们的责任意识，进一步提高专业水平，抓住国家实力快速上升的机遇，让个人才华和价值兑现，提升学生树立远大理想信念的可行性^[11]。

第三，3D打印利用了离散堆积原理，加工的过程是一种聚少成多，从量变到质变的过程。此外，目前学生在3D打印综合训练中所使用的都是桌面式的3D打印机，加工的速度较慢，在加工的时候需要学生坚持守在3D打印设备旁，及时地发现故障并解决问题，着重培养学生的职业道德。

第四，学生需要完成对历史人物模型的搜索，包括面部表情和容貌特征。在没有现有立体模型做参考，也不借助扫描技术的情况下，考验了学生的制图能力。

第五，在设计制作枪、炮、坦克等其他武器装备的时候，以北京太尔时代科技有限公司所开发的UP Plus2型3D打印机为例，其加工范围（140mm×140mm×135mm），综合考虑模型成品的视觉效果，合理设计连接方式，设计装配体三维模型，采取分块打印且装配成整体模型的方式，完成更大的作品制作。在制作的过程中，融入事物是普遍联系的哲学思想，调动学生的主观能动性。

4 教学方法与举措

（1）线上提供丰富的教学资源，包括部分历史资料、三维设计软件、3D打印软件、3D打印课程实录，激起学生学习兴趣。

（2）课端检测，促使学生主动学习，检测结果也有助于教师更有针对性地进行实训教学设计。

（3）每大组都进行开放式讨论，组员陈述各自的想法，边讨论边分析，细化每组要做的作品，培养学生分析问题的能力。

（4）实训课程收尾阶段，每小组派出一个代表进行本组作品的创新点、创作思路及3D打印过程的总结，两个大组的学生相互点评，最后教师做点评。

5 教学实施过程

5.1 课前准备

（1）提前两天发布实训课程公告，明确本次3D打印综合训练的学习主题是“利用3D打印技术对辽沈战役进行场景还原”，要求学生提前查阅相关历史资料，找出关键人物、关键地点线索，围绕这些元素进行拓展。通过微信或QQ向班级学习委员提供画图软件Solidworks2016和3D打印软件安装包的网盘链接，以及部分历史资料——《东北解放戰争纪实》。与班干部在线沟通可以提高教学活动前期的效率，让班级同学提前进入学习状态。

（2）与班干部预先沟通，提前准备热熔胶枪、模型的底板、绘图用的纸张等素材。

（3）提前自学3D打印软件UP Studio，通过51头条号中公布的网络课程进行相关软件的使用方法预习。

5.2 课端检测收心

为了检验学习的效果，通过学习通发布检测。学习通上发布的情况见图1、图2。

5.3 课中能力提升

5.3.1 课前问题导入

问题导入：3D打印的原理是什么？主要应用在哪些方面？

5.3.2 课中提升设计能力与思辨能力

在设计具体模型时，以几位建模能力强的学生为核心，每位学生都需参与一种，共同完成模型的设计。在有些关键场景的设计上，教师与学生进行深入讨论，促进学生思辨能力的提升，见图3。

（1）介绍在三维模型设计过程中将要用到的几个“特征”，以及选择基准面的原则。在实际建模过程中，对于同一个方向的“特征”，若是参数不一致，一定不能将多个闭环放置在一个草图中，这样容易形成多层嵌套。此外，除了Solidworks系统自带的3个基准面以外，可以选择模型的任意平整表面作为新的设计基准面。如果不合适，可以选择新建一个参考平面，按照所选（建）的基准面要与将要建立的特征必须有关联的地方，特征在所选择基准面上的投影须符合设计要求的原则来做。

（2）在设计复杂模型时，综合考虑加工难度，要将山海关、武器装备等这一类的模型分割成小的单元来打印，以提高作品制作的成功率，也可以更好地调动整组同学的积极性，详见图4。

（3）3D打印机关键参数设置。喷嘴高度测试不是一蹴而就的，需要根据模型打印的第一层丝材的“压平”程度来调整。例如，第一层丝压得特别扁平，说明喷嘴与平台的间距偏小，可以视情况将喷嘴与平台的间距调大一点，即在UP Studio软件中的“喷嘴高度”值调小一点，反之，应将该值调大一点，见图5。另外，合理利用“底座”这一参数，如果模型在成型过程中，没有脱离底板，可以选择“无底座”，加设“底座”主要目的是让模型与底板粘得更加结实。

（4）加工过程注重培养项目管理的意识。打印开始前，应重点关注打印的预计时间和耗材量，在加工过程中，引导学生思考如何在更短的时间内将预定功能的组合件制作出来。

（5）加工过程中常见故障的处理。堵丝的时候首先应先观察打印温度是否设置得合适，若打印温度低了，应该调高至恰当的打印温度，对于初学者而言，尤其要注意FDM类型的3D打印设备所设置的成型温度要与所使用的线材相匹配;其次，打印过程中突然不出丝，应该暂停打印，并将丝材“撤回”，剪断最前端那段不规则的丝，重新“挤出”丝材。若是发生严重翘曲的情况，应该停止打印，重新调平打印平台或者更换打印丝材等。通过3D打印综合训练，学生基本具备了对设备的维护能力，见图6。设备维护完成后，继续加工出来的成品如图7所示。

5.3.4 全过程育人，过程监督

“先进制造技术实习”是一门实践性很强的技术基础课，是高等院校工科学生完成工程基本训练的重要必修课。它不仅可以让学生获得产品制造的基础知识，而且可以提升理论联系实际的水平，增强工程实践能力，培养工程素质。在所有项目开展之前，将一个班级的学生分成两个大组。具体在执行时，每个大组又在内部划分成6个小组，分别完成查历史资料并选定战役场景，设计三维模型，写文案和创作底板，实际布景，制作创作过程视频，模型打印和组装这项任务，任务分解见图8。在制作过程中，教师要肯定学生的优点，指出不当之处，强化安全意识。分小组进行相关学习任务是对项目的分解，也是对分组教学顺利进行的重要步骤，可以将不同学生的优势充分发挥出来。

5.3.5 课中探究研讨（1）打印过程中，整体模型打印与拆分模型打印这两种加工方式哪种更好？理由是什么？