涂細(xì)凱 李佳璐 甘暢

摘 要 為了提高工業(yè)設(shè)計專業(yè)學(xué)生解決工程實際問題的能力，引入項目式教學(xué)，將三維設(shè)計軟件與3D打印技術(shù)相結(jié)合，提高學(xué)生的三維建模能力，設(shè)計創(chuàng)新能力。通過實際項目的基礎(chǔ)上，將設(shè)計方案用Rhino軟件或者Solidwork工程軟件進(jìn)行建模，并利用3D打印技術(shù)快速成型，將設(shè)計概念產(chǎn)品化。在實際項目中培養(yǎng)學(xué)生的三維軟件建模能力以及機械裝配相關(guān)知識技能。為培養(yǎng)綜合實踐能力強，富有創(chuàng)新思維的工業(yè)設(shè)計師，提供一定的指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞 項目式教學(xué) 工業(yè)設(shè)計 實際問題

Abstract The robot engineering major is a new application-oriented specialty developed under the background of new engineering. From the perspective of CDID education concept， the initiative of student learning is taken as the starting point， and the needs of robot engineering professionals are analyzed， combined with industry needs and Talent demand， explore the training mode of robot engineering professionals. Under the premise of mastering basic professional knowledge， further promote students' independent learning ability and innovation ability from project practice， and stimulate students' interest in learning， so as to cultivate more competitive industries. Innovative talent.

Keywords robot engineering; new engineering; talent cultivation; CDIO Education Concept

0 引言

工業(yè)設(shè)計專業(yè)屬于多學(xué)科交叉融合的邊緣學(xué)科，對學(xué)生的綜合能力要求比較高，在人才培養(yǎng)中涉及到設(shè)計基礎(chǔ)理論、工程設(shè)計理論、人機工程學(xué)和美學(xué)等方面的知識，[1]是理性思維與感性思維融合碰撞的一門學(xué)科，不僅需要培養(yǎng)學(xué)生擁有較強的設(shè)計創(chuàng)新能力，更要培養(yǎng)學(xué)生的綜合實踐應(yīng)用能力，培養(yǎng)出符合社會需求和行業(yè)需求的人才。

3D打印技術(shù)是近年來在工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域發(fā)展起來的一種新型的、快速加工成型的技術(shù)。主要通過三維設(shè)計軟件進(jìn)行建模，再將模型導(dǎo)入切片軟件進(jìn)行切片分層處理。[2]可將所設(shè)計的任何復(fù)雜造型的三維模型快速成型，可縮短新產(chǎn)品開發(fā)的周期，成本較低，效率高，可最快的實現(xiàn)從設(shè)計到加工制造成型一體化。便于設(shè)計師進(jìn)行后續(xù)的用戶體驗及產(chǎn)品改進(jìn)設(shè)計。從事工業(yè)設(shè)計行業(yè)的學(xué)生，掌握一款三維設(shè)計軟件是必備的技能，可以快速準(zhǔn)確的表達(dá)自己的設(shè)計想法，而且可以提高工作效率，縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期。通過解決實際的項目式教學(xué)，[3]引導(dǎo)學(xué)生運用三維軟件建模并使用實驗室已有的3D打印機將模型制作加工裝配，培養(yǎng)學(xué)生的建模能力，以及實踐動手能力。

1 工業(yè)設(shè)計學(xué)生在實踐中存在的問題

通過一定的調(diào)查了解到目前工業(yè)設(shè)計學(xué)生主要分為兩大類，一是以文科藝術(shù)背景為主，這類學(xué)生有較強的美術(shù)繪畫基礎(chǔ)，在手繪快速表達(dá)創(chuàng)意想法和色彩搭配、審美方面具有一定優(yōu)勢。二是以理科工程背景為主，這類學(xué)生有較強的邏輯理性思維，在機械工程與解決實際問題方面有著較強的實踐能力。[4]大多數(shù)高校的教學(xué)方法和模式偏向于機械輸入型，主要以老師在講臺上講課，學(xué)生完成課堂作業(yè)為主，很多課程作業(yè)與考試的形式也過于呆板，無法有效的引導(dǎo)激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新與創(chuàng)造意識。教學(xué)內(nèi)容無法與當(dāng)前行業(yè)中所需要解決的實際任務(wù)相銜接，導(dǎo)致學(xué)生畢業(yè)比較難找到相關(guān)對口專業(yè)。在專業(yè)課程設(shè)置上，工業(yè)設(shè)計學(xué)院在我國大多數(shù)高校里面屬于工科學(xué)院中，工程類課程與藝術(shù)類課程相互影響，但沒有很好的融合，機械類工程老師教學(xué)方法偏向于理性嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S，藝術(shù)類老師教學(xué)方法更加偏向于感性，創(chuàng)意想法大膽有新意。學(xué)生比較難將兩種課程有效的結(jié)合吸收融會貫通。

2 引入實際項目

本實際項目的引入是基于機器人工程實驗室的上肢外骨骼康復(fù)機器人原型樣機，需要解決的實際問題是：設(shè)計一款上肢外骨骼康復(fù)機器人的人機把手。通過草圖繪制，方案選擇，三維模型，以及運用3D打印技術(shù)快速成型，來完成實物模型的制作。并與已有機械結(jié)構(gòu)進(jìn)行安裝適配，后續(xù)還可繼續(xù)進(jìn)行用戶體驗研究和產(chǎn)品設(shè)計改進(jìn)。將文科藝術(shù)背景的學(xué)生與理科工程的學(xué)生進(jìn)行合理化小組分配，促進(jìn)學(xué)生互相學(xué)習(xí)，共同交流，合作完成實際項目從概念到實物模型的轉(zhuǎn)換。在潛移默化中將藝術(shù)思維與理性邏輯思維交叉融合，通過項目式教學(xué)模式來解決實際問題，可以培養(yǎng)出更加符合行業(yè)需求的人才。

3 運用三維設(shè)計軟件建模

要求學(xué)生設(shè)計一款可以與機械結(jié)構(gòu)合理裝配，并且可通過調(diào)節(jié)長度來適應(yīng)不同人群人體尺寸的人機把手。已知與人機把手相連接的機械結(jié)構(gòu)尺寸，可通過實際測量確定具體尺寸。引導(dǎo)學(xué)生查閱相關(guān)人機工學(xué)資料，確定人體小臂在運動過程中的人機工學(xué)尺寸范圍，可調(diào)節(jié)長度范圍和人機把手的尺寸。在小組內(nèi)通過快速手繪表達(dá)，頭腦風(fēng)暴等確定設(shè)計草圖。根據(jù)設(shè)計草圖運用三維設(shè)計軟件進(jìn)行三維建模，將設(shè)計想法在三維軟件中構(gòu)建。通常使用Rhino三維建模軟件或者solidwork工程類軟件。Rhino軟件的優(yōu)勢是可以將想法通過形體切割等方法快速呈現(xiàn)。solidwork軟件偏向于機械設(shè)計，在需要模型尺寸精確裝配等問題時，solidwork軟件更能發(fā)揮其軟件的優(yōu)勢。培養(yǎng)學(xué)生精通其中一種三維建模軟件，并對另一種建模軟件達(dá)到可以掌握簡單操作和建模思路即可。在學(xué)生解決實際項目問題時更加得心應(yīng)手，通過熟練的運用三維軟件技能既可快速實現(xiàn)設(shè)計想法，也可在完成具體項目落地時進(jìn)行精確建模，加工制作成型。

4 運用3D打印技術(shù)快速成型

學(xué)生可以根據(jù)自己對三維設(shè)計軟件的掌握程度，使用Rhino或者solidwork三維軟件進(jìn)行建模。將最終確定的三維模型另存為.stl 格式導(dǎo)入Cura切片軟件進(jìn)行切片處理。本實驗室提供給學(xué)生使用的打印機型號是極光爾沃3D打印機，成型尺寸為350？50？00mm，使用ABS、PLA塑料材質(zhì)通過加熱逐層疊加的方式來構(gòu)造物體形態(tài)如果三維設(shè)計模型的尺寸超過打印尺寸范圍，需要引導(dǎo)學(xué)生將模型進(jìn)行拆分打印，然后再組合。通過對3D打印機的具體操作，學(xué)習(xí)切片軟件和3D打印機的成型原理，掌握3D打印快速成型的基本技能。提高學(xué)生的綜合實踐能力，并且可以將三維模型中的設(shè)計產(chǎn)品通過3D打印技術(shù)快速成型，縮短設(shè)計周期。學(xué)生通過解決實際項目中遇到的問題和困難，可與導(dǎo)師進(jìn)行交流討論，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣，提高學(xué)習(xí)效率和三維軟件的建模能力，培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊協(xié)作和解決具體實際問題的能力。

由于使用PLA塑料打印出來的實物模型毛刺較多，需要進(jìn)行后期打磨光滑噴漆處理，并與原來機械模型進(jìn)行安裝匹配，如圖1所示。看所制作手柄是否可以進(jìn)行長度調(diào)節(jié)及使用，可通過用戶體驗評價學(xué)生所制作的手柄模型是否滿足用戶使用，可培養(yǎng)學(xué)生制作實物模型的能力。

5 小結(jié)

通過解決工業(yè)設(shè)計中一個實際問題的綜合性教學(xué)項目，可以較好的融合工業(yè)設(shè)計的基礎(chǔ)課程，將手繪快速表達(dá)，三維設(shè)計軟件建模和3D打印技術(shù)相結(jié)合，將理性思維與感性美學(xué)想融合。本項目式教學(xué)的開展，一方面可以鍛煉學(xué)生三維設(shè)計建模能力，并且熟悉掌握Rhino軟件或solidwork工程軟件，培養(yǎng)專業(yè)建模技能;另一方面通過3D打印快速成型技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生從三維設(shè)計軟件到實物成型的整個過程所遇到的各種問題，設(shè)計不再是“紙上談兵”，需要把三維設(shè)計圖紙轉(zhuǎn)變?yōu)閷嶋H使用物品。有助于重點院校工業(yè)設(shè)計類專業(yè)創(chuàng)新實踐的人才培養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)

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