劉文鋒 孫靜 彭文靜

中圖分類號(hào)：G633.67DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2205-5640-3613

基金項(xiàng)目：2020年湖南省普通高等學(xué)校教學(xué)研究改革項(xiàng)目（項(xiàng)目名稱：新工科視域下現(xiàn)代工程訓(xùn)練教育的改革與實(shí)踐，項(xiàng)目編號(hào)：HNJG-2020-0768）;2018年湖南工程學(xué)院教改項(xiàng)目（項(xiàng)目名稱：面向“中國(guó)制造2025”的金工訓(xùn)練教學(xué)改革與實(shí)踐，項(xiàng)目編號(hào)：2018JG0029）。

作者簡(jiǎn)介：劉文鋒（1990—），男，碩士，助教，主要從事3D打印課程教學(xué)、先進(jìn)制造技術(shù)的研究.

通信作者簡(jiǎn)介：孫靜（1984—），女，博士，副教授，主要從事先進(jìn)信息材料與器件方向的研究。E-mail：jsun1206@163.com。

摘要：基于3D打印實(shí)踐教學(xué)優(yōu)勢(shì)，本文探討了黨史教育融入3D打印技術(shù)實(shí)踐教學(xué)，以及PBL模式的教學(xué)法在產(chǎn)品設(shè)計(jì)專業(yè)的實(shí)施過(guò)程，并結(jié)合情景教學(xué)法，闡述了3D打印實(shí)踐課程課堂教學(xué)設(shè)計(jì)，包括課程導(dǎo)入、3D打印技術(shù)概述、相關(guān)場(chǎng)景的選擇、場(chǎng)景還原方案的可行性驗(yàn)證、模型的制作、設(shè)備日常維護(hù)等內(nèi)容，全過(guò)程融入思政元素，使學(xué)生掌握3D打印技術(shù)原理與工藝，并回顧解放戰(zhàn)爭(zhēng)的歷史，最后對(duì)課堂效果進(jìn)行了問(wèn)卷調(diào)查，對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析和總結(jié)。課程實(shí)踐結(jié)果表明，針對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)專業(yè)所開(kāi)展的教學(xué)活動(dòng)，充分展現(xiàn)了學(xué)生美術(shù)專業(yè)背景的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)，教師隱形地將工科理論和實(shí)踐知識(shí)傳導(dǎo)給了學(xué)生，激發(fā)了每個(gè)組員的積極性，開(kāi)放式的課堂使得學(xué)生既有選擇主題的權(quán)利，又不偏離教師基本的教學(xué)內(nèi)容，使得學(xué)生學(xué)習(xí)興趣空前濃烈，提高了學(xué)生的三維設(shè)計(jì)能力、科學(xué)思辨能力、學(xué)科綜合能力，實(shí)踐課程的可適應(yīng)度得到提高，對(duì)同類課程有一定參考意義。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù) ?PBL ?情景教學(xué)法 ?產(chǎn)品設(shè)計(jì) ?課堂教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642.0?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：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打印作為快速成型技術(shù)領(lǐng)域的一種新興技術(shù)，正成為高校工程訓(xùn)練中不可或缺的一部分。快速成型技術(shù)（Rapid Prototyping簡(jiǎn)稱RP）是先進(jìn)制造技術(shù)的一種，發(fā)展于20世紀(jì)80年代中期，在經(jīng)歷近40年的發(fā)展后該技術(shù)日趨完善，近年來(lái)針對(duì)RP新工藝、新裝備的研究依舊火熱^[1]。RP是以三維模型為基礎(chǔ)，通過(guò)軟件分層離散和數(shù)控成型系統(tǒng)，用激光束或其他方法將材料堆積而形成實(shí)體零件。由于它是逐層累積成型，因而可以在沒(méi)有模具的情況下生成復(fù)雜的零部件，縮短了生產(chǎn)時(shí)間^[2]。這種技術(shù)可以直接、高效、精確地將設(shè)計(jì)思想轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)體模型或直接制造零件^[3]，多應(yīng)用于產(chǎn)品的前期驗(yàn)證。在高校工程訓(xùn)練中引入RP不僅可使學(xué)生學(xué)到三維建模知識(shí)、計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)，而且能進(jìn)一步學(xué)習(xí)利用現(xiàn)代科技進(jìn)行工程設(shè)計(jì)的概念^[4]。在工程訓(xùn)練開(kāi)設(shè)有關(guān)3D打印技術(shù)的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，不僅可以豐富工程訓(xùn)練項(xiàng)目類別，也是為了適應(yīng)新工科的發(fā)展需要。國(guó)內(nèi)西安交通大學(xué)將3D打印劃入金工實(shí)訓(xùn)課程，并分層次教學(xué)，河北工大也開(kāi)設(shè)了3D打印實(shí)驗(yàn)室^[5]。作為一門實(shí)踐類課程，通過(guò)在3D打印實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目中融合場(chǎng)景教學(xué)可以更好地實(shí)現(xiàn)實(shí)踐育人的目標(biāo)。在以往的3D打印教學(xué)實(shí)踐中，制作模型是基本要求。工程訓(xùn)練包含許多實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，將3D打印加入工程訓(xùn)練的課程體系的時(shí)間并不長(zhǎng)。盡管3D打印實(shí)踐課程與PBL模式結(jié)合取得了較好的教學(xué)效果，但是實(shí)踐項(xiàng)目主題的選擇需要經(jīng)過(guò)教研室教師大量討論，項(xiàng)目主題一旦在某個(gè)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目中確定，則會(huì)執(zhí)行很長(zhǎng)一段時(shí)間，當(dāng)面向全校各個(gè)專業(yè)的學(xué)生時(shí)，項(xiàng)目可選擇性方面欠佳，往往不具備針對(duì)性，影響了教學(xué)效果。工程訓(xùn)練的教師大多具備較強(qiáng)的實(shí)踐能力，但在針對(duì)不同專業(yè)該如何育人等方面缺乏系統(tǒng)的培訓(xùn)。針對(duì)以上存在的問(wèn)題，對(duì)3D打印實(shí)踐環(huán)節(jié)進(jìn)行課程課堂教學(xué)設(shè)計(jì)尤為必要。

作為課程建設(shè)的基本載體之一，實(shí)踐類課程是高校育人體系不可或缺的一環(huán)。教學(xué)設(shè)計(jì)是運(yùn)用系統(tǒng)方法分析教學(xué)問(wèn)題和確定教學(xué)目標(biāo)、建立解決教學(xué)問(wèn)題的策略方案、試行解決方案、評(píng)價(jià)試行結(jié)果和對(duì)方案進(jìn)行修改的過(guò)程^[6]。教學(xué)設(shè)計(jì)有很深的內(nèi)涵。根據(jù)系統(tǒng)論的觀點(diǎn)，教學(xué)設(shè)計(jì)可依照其涉及的范疇大小分為以下層次，即教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、課程教學(xué)設(shè)計(jì)、課堂教學(xué)設(shè)計(jì)、教學(xué)媒體設(shè)計(jì)^[7]。作為教學(xué)設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的一個(gè)層次，課堂教學(xué)設(shè)計(jì)是指教師在上課之前，系統(tǒng)整理教學(xué)步驟和各個(gè)環(huán)節(jié)，以便于包含所有知識(shí)點(diǎn)和保證課程的順利進(jìn)行，其涵蓋了教師針對(duì)某堂課的全部教學(xué)活動(dòng)的計(jì)劃，也對(duì)教師的實(shí)際授課有一定幫助^[8]。本文所提出的課堂教學(xué)方案設(shè)計(jì)，是面向產(chǎn)品設(shè)計(jì)專業(yè)開(kāi)展的3D打印實(shí)踐課程課堂教學(xué)設(shè)計(jì)，因而具有其特殊性。

1 教學(xué)內(nèi)容

湖南工程學(xué)院工程訓(xùn)練中心以黨史學(xué)習(xí)教育為契機(jī)，探索創(chuàng)新實(shí)踐育人新模式，寓黨史、融思政，將“3D打印+三大戰(zhàn)役”以多種形式推進(jìn)黨史學(xué)習(xí)教育進(jìn)課堂^[9]。課堂教學(xué)的內(nèi)容為利用3D打印技術(shù)對(duì)解放戰(zhàn)爭(zhēng)中著名的遼沈戰(zhàn)役進(jìn)行場(chǎng)景還原。

2 教學(xué)目標(biāo)

（1）課程教學(xué)目標(biāo)1：掌握3D打印的基本原理與工藝流程，培養(yǎng)學(xué)生具有3D設(shè)計(jì)軟件與切片軟件應(yīng)用能力，正確使用3D打印相關(guān)設(shè)備、工夾量具、材料，以及遵循加工工藝、質(zhì)量要求和安全技術(shù)等方面標(biāo)準(zhǔn)的能力.

（2）課程教學(xué)目標(biāo)2：使學(xué)生對(duì)產(chǎn)品具有選擇加工方法及材料和工藝分析的能力，具有獨(dú)立完成簡(jiǎn)單制造的實(shí)踐能力，培養(yǎng)學(xué)生3D打印設(shè)備操作與維護(hù)，工業(yè)產(chǎn)品造型的能力。

（3）課程教學(xué)目標(biāo)3：使學(xué)生對(duì)3D打印材料的打印溫度、力學(xué)性能、機(jī)械特性及化學(xué)穩(wěn)定性有一個(gè)基本的認(rèn)識(shí)，會(huì)綜合考慮配合緊密性、韌度、環(huán)境耐受性。

3 課程教學(xué)內(nèi)容

（1）查閱遼沈戰(zhàn)役發(fā)生的歷史背景，尤其是幾次關(guān)鍵的會(huì)戰(zhàn)，例如錦州會(huì)戰(zhàn)、黑山狙擊戰(zhàn)等歷史資料。

1948年9月12日遼沈戰(zhàn)役率先打響，同年11月2日結(jié)束，前后歷時(shí)52天^[10]。前線將士堅(jiān)定信念，英勇作戰(zhàn)，中國(guó)人民解放軍取得了最終的勝利，解放了東北全境。通過(guò)分析這段歷史，引導(dǎo)學(xué)生深刻認(rèn)識(shí)樹(shù)立遠(yuǎn)大理想、堅(jiān)定理想信念的必要性和重要性^[11]。

（2）關(guān)鍵人物、場(chǎng)景的塑造。

第一，查閱?wèn)|北野戰(zhàn)軍司令部主要成員林彪、羅榮桓等的人物特點(diǎn)，通過(guò)Solidworks、3DMax或者犀牛等建模軟件對(duì)人物模型進(jìn)行建模。

第二，查閱山海關(guān)、錦州等地理知識(shí)，建立按照比例縮小的模型。

第三，查閱解放戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)期共產(chǎn)黨和國(guó)民黨當(dāng)時(shí)的軍用裝備情況，選擇有代表性地進(jìn)行打印加工。

（3）模型制作過(guò)程。

第一，各部分模型要在大小為80cm×80cm×1cm的底板上統(tǒng)籌規(guī)劃，調(diào)整相應(yīng)的戰(zhàn)車、武器裝備的尺寸，引導(dǎo)學(xué)生思考整體與局部的辯證關(guān)系，同時(shí)學(xué)會(huì)如何規(guī)劃現(xiàn)有的3D打印耗材的使用及顏色的搭配，加入“全生命周期”^[12]的理念，模型在同等尺寸的情況下，綜合考慮強(qiáng)度性能，力求用較少的材料，保證高水平的模型質(zhì)量，加強(qiáng)工匠精神教育。

第二，人物模型的設(shè)計(jì)需要有美術(shù)功底和軟件繪圖能力，產(chǎn)品設(shè)計(jì)專業(yè)大二學(xué)生已經(jīng)具備一定的專業(yè)素養(yǎng)，但對(duì)綜合性的模型制作缺乏經(jīng)驗(yàn)，教學(xué)過(guò)程中除了傳授實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)以外，要注意培養(yǎng)他們的責(zé)任意識(shí)，進(jìn)一步提高專業(yè)水平，抓住國(guó)家實(shí)力快速上升的機(jī)遇，讓個(gè)人才華和價(jià)值兌現(xiàn)，提升學(xué)生樹(shù)立遠(yuǎn)大理想信念的可行性^[11]。

第三，3D打印利用了離散堆積原理，加工的過(guò)程是一種聚少成多，從量變到質(zhì)變的過(guò)程。此外，目前學(xué)生在3D打印綜合訓(xùn)練中所使用的都是桌面式的3D打印機(jī)，加工的速度較慢，在加工的時(shí)候需要學(xué)生堅(jiān)持守在3D打印設(shè)備旁，及時(shí)地發(fā)現(xiàn)故障并解決問(wèn)題，著重培養(yǎng)學(xué)生的職業(yè)道德。

第四，學(xué)生需要完成對(duì)歷史人物模型的搜索，包括面部表情和容貌特征。在沒(méi)有現(xiàn)有立體模型做參考，也不借助掃描技術(shù)的情況下，考驗(yàn)了學(xué)生的制圖能力。

第五，在設(shè)計(jì)制作槍、炮、坦克等其他武器裝備的時(shí)候，以北京太爾時(shí)代科技有限公司所開(kāi)發(fā)的UP Plus2型3D打印機(jī)為例，其加工范圍（140mm×140mm×135mm），綜合考慮模型成品的視覺(jué)效果，合理設(shè)計(jì)連接方式，設(shè)計(jì)裝配體三維模型，采取分塊打印且裝配成整體模型的方式，完成更大的作品制作。在制作的過(guò)程中，融入事物是普遍聯(lián)系的哲學(xué)思想，調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性。

4 教學(xué)方法與舉措

（1）線上提供豐富的教學(xué)資源，包括部分歷史資料、三維設(shè)計(jì)軟件、3D打印軟件、3D打印課程實(shí)錄，激起學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

（2）課端檢測(cè)，促使學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)，檢測(cè)結(jié)果也有助于教師更有針對(duì)性地進(jìn)行實(shí)訓(xùn)教學(xué)設(shè)計(jì)。

（3）每大組都進(jìn)行開(kāi)放式討論，組員陳述各自的想法，邊討論邊分析，細(xì)化每組要做的作品，培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題的能力。

（4）實(shí)訓(xùn)課程收尾階段，每小組派出一個(gè)代表進(jìn)行本組作品的創(chuàng)新點(diǎn)、創(chuàng)作思路及3D打印過(guò)程的總結(jié)，兩個(gè)大組的學(xué)生相互點(diǎn)評(píng)，最后教師做點(diǎn)評(píng)。

5 教學(xué)實(shí)施過(guò)程

5.1 課前準(zhǔn)備

（1）提前兩天發(fā)布實(shí)訓(xùn)課程公告，明確本次3D打印綜合訓(xùn)練的學(xué)習(xí)主題是“利用3D打印技術(shù)對(duì)遼沈戰(zhàn)役進(jìn)行場(chǎng)景還原”，要求學(xué)生提前查閱相關(guān)歷史資料，找出關(guān)鍵人物、關(guān)鍵地點(diǎn)線索，圍繞這些元素進(jìn)行拓展。通過(guò)微信或QQ向班級(jí)學(xué)習(xí)委員提供畫(huà)圖軟件Solidworks2016和3D打印軟件安裝包的網(wǎng)盤鏈接，以及部分歷史資料——《東北解放戰(zhàn)爭(zhēng)紀(jì)實(shí)》。與班干部在線溝通可以提高教學(xué)活動(dòng)前期的效率，讓班級(jí)同學(xué)提前進(jìn)入學(xué)習(xí)狀態(tài)。

（2）與班干部預(yù)先溝通，提前準(zhǔn)備熱熔膠槍、模型的底板、繪圖用的紙張等素材。

（3）提前自學(xué)3D打印軟件UP Studio，通過(guò)51頭條號(hào)中公布的網(wǎng)絡(luò)課程進(jìn)行相關(guān)軟件的使用方法預(yù)習(xí)。

5.2 課端檢測(cè)收心

為了檢驗(yàn)學(xué)習(xí)的效果，通過(guò)學(xué)習(xí)通發(fā)布檢測(cè)。學(xué)習(xí)通上發(fā)布的情況見(jiàn)圖1、圖2。

5.3 課中能力提升

5.3.1 課前問(wèn)題導(dǎo)入

問(wèn)題導(dǎo)入：3D打印的原理是什么？主要應(yīng)用在哪些方面？

5.3.2 課中提升設(shè)計(jì)能力與思辨能力

在設(shè)計(jì)具體模型時(shí)，以幾位建模能力強(qiáng)的學(xué)生為核心，每位學(xué)生都需參與一種，共同完成模型的設(shè)計(jì)。在有些關(guān)鍵場(chǎng)景的設(shè)計(jì)上，教師與學(xué)生進(jìn)行深入討論，促進(jìn)學(xué)生思辨能力的提升，見(jiàn)圖3。

（1）介紹在三維模型設(shè)計(jì)過(guò)程中將要用到的幾個(gè)“特征”，以及選擇基準(zhǔn)面的原則。在實(shí)際建模過(guò)程中，對(duì)于同一個(gè)方向的“特征”，若是參數(shù)不一致，一定不能將多個(gè)閉環(huán)放置在一個(gè)草圖中，這樣容易形成多層嵌套。此外，除了Solidworks系統(tǒng)自帶的3個(gè)基準(zhǔn)面以外，可以選擇模型的任意平整表面作為新的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)面。如果不合適，可以選擇新建一個(gè)參考平面，按照所選（建）的基準(zhǔn)面要與將要建立的特征必須有關(guān)聯(lián)的地方，特征在所選擇基準(zhǔn)面上的投影須符合設(shè)計(jì)要求的原則來(lái)做。

（2）在設(shè)計(jì)復(fù)雜模型時(shí)，綜合考慮加工難度，要將山海關(guān)、武器裝備等這一類的模型分割成小的單元來(lái)打印，以提高作品制作的成功率，也可以更好地調(diào)動(dòng)整組同學(xué)的積極性，詳見(jiàn)圖4。

（3）3D打印機(jī)關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置。噴嘴高度測(cè)試不是一蹴而就的，需要根據(jù)模型打印的第一層絲材的“壓平”程度來(lái)調(diào)整。例如，第一層絲壓得特別扁平，說(shuō)明噴嘴與平臺(tái)的間距偏小，可以視情況將噴嘴與平臺(tái)的間距調(diào)大一點(diǎn)，即在UP Studio軟件中的“噴嘴高度”值調(diào)小一點(diǎn)，反之，應(yīng)將該值調(diào)大一點(diǎn)，見(jiàn)圖5。另外，合理利用“底座”這一參數(shù)，如果模型在成型過(guò)程中，沒(méi)有脫離底板，可以選擇“無(wú)底座”，加設(shè)“底座”主要目的是讓模型與底板粘得更加結(jié)實(shí)。

（4）加工過(guò)程注重培養(yǎng)項(xiàng)目管理的意識(shí)。打印開(kāi)始前，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注打印的預(yù)計(jì)時(shí)間和耗材量，在加工過(guò)程中，引導(dǎo)學(xué)生思考如何在更短的時(shí)間內(nèi)將預(yù)定功能的組合件制作出來(lái)。

（5）加工過(guò)程中常見(jiàn)故障的處理。堵絲的時(shí)候首先應(yīng)先觀察打印溫度是否設(shè)置得合適，若打印溫度低了，應(yīng)該調(diào)高至恰當(dāng)?shù)拇蛴囟?，?duì)于初學(xué)者而言，尤其要注意FDM類型的3D打印設(shè)備所設(shè)置的成型溫度要與所使用的線材相匹配;其次，打印過(guò)程中突然不出絲，應(yīng)該暫停打印，并將絲材“撤回”，剪斷最前端那段不規(guī)則的絲，重新“擠出”絲材。若是發(fā)生嚴(yán)重翹曲的情況，應(yīng)該停止打印，重新調(diào)平打印平臺(tái)或者更換打印絲材等。通過(guò)3D打印綜合訓(xùn)練，學(xué)生基本具備了對(duì)設(shè)備的維護(hù)能力，見(jiàn)圖6。設(shè)備維護(hù)完成后，繼續(xù)加工出來(lái)的成品如圖7所示。

5.3.4 全過(guò)程育人，過(guò)程監(jiān)督

“先進(jìn)制造技術(shù)實(shí)習(xí)”是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的技術(shù)基礎(chǔ)課，是高等院校工科學(xué)生完成工程基本訓(xùn)練的重要必修課。它不僅可以讓學(xué)生獲得產(chǎn)品制造的基礎(chǔ)知識(shí)，而且可以提升理論聯(lián)系實(shí)際的水平，增強(qiáng)工程實(shí)踐能力，培養(yǎng)工程素質(zhì)。在所有項(xiàng)目開(kāi)展之前，將一個(gè)班級(jí)的學(xué)生分成兩個(gè)大組。具體在執(zhí)行時(shí)，每個(gè)大組又在內(nèi)部劃分成6個(gè)小組，分別完成查歷史資料并選定戰(zhàn)役場(chǎng)景，設(shè)計(jì)三維模型，寫(xiě)文案和創(chuàng)作底板，實(shí)際布景，制作創(chuàng)作過(guò)程視頻，模型打印和組裝這項(xiàng)任務(wù)，任務(wù)分解見(jiàn)圖8。在制作過(guò)程中，教師要肯定學(xué)生的優(yōu)點(diǎn)，指出不當(dāng)之處，強(qiáng)化安全意識(shí)。分小組進(jìn)行相關(guān)學(xué)習(xí)任務(wù)是對(duì)項(xiàng)目的分解，也是對(duì)分組教學(xué)順利進(jìn)行的重要步驟，可以將不同學(xué)生的優(yōu)勢(shì)充分發(fā)揮出來(lái)。

5.3.5 課中探究研討（1）打印過(guò)程中，整體模型打印與拆分模型打印這兩種加工方式哪種更好？理由是什么？