3D打印在人機工程學作為教學資源的研究

王孿琤+袁莎莎

摘 要：3D打印技術是現在的一個流行用語，它出現在人們生活的各個方面，影響著人們觀察世界、認知世界的種種想法和行為，并且它對大學教學也產生了一定的影響。在課改的過程中，將3D打印技術運用到人機工學的學習中，有利于擴充和豐富課程的內容、對未來設計的各方面產生影響，讓學生擁有更清晰、更真切的認知和體驗。此外，由于3D打印技術本身就是一項重大的設計改革，作為未來要成為設計師的各位同學，更早地接觸這種技術并運用于設計中是非常有必要的。

關鍵詞：3D打印技術；人機工程；設計創新；教學改革

在教育部頒發的《全國普通高等學校公共藝術課程指導方案》中，提到了“了解、吸納中外優秀的藝術成果，理解并尊重多元文化，發展形象思維，培養創新精神和實踐能力”等的要求。并且，人機工程學作為一切公共藝術課程的基礎學科，是與人相關的科學信息在對對象、體系和環境進行設計中的應用，它涉及人類生活的方方面面，理想的設計應當在工作體系、運動、休閑、健康和安全等諸多方面充分體現人機工程學的原理。隨著全球一體化的發展，民俗、文化、科技、經濟等方面越來越多地進行了撞擊和融合，由此也帶來了更多新的技術與觀念。3D打印技術是創新技術的產物，它作為對未來生活具有顛覆性作用的科技創新產品，同樣在人機工程學中起到了非常重要的作用。

3D打印（學名“增材制造”），就是從毫米級的微細粉末開始，通過逐層累積的方式制造出立體的物體。它的研發大大縮短了產品的研制周期，節約了成本，提高了生產率，被多領域、行業引入并運用，如醫療、建筑、交通、工業產品、消費品、航天航空、文化創意、文物保護等。這為全球科技的進步發展作出了極大的貢獻，相信在不久的將來，3D技術會逐步普及、進入家庭，為人類的生活帶來更多驚喜。

3D打印技術作為當今社會的尖端科技還有一個很大的潛力，即教育，而中國傳統文化對教育是非常重視的。作為高校教師，有義務和責任不再只限于理論講解，而是要大量地運用理論聯系實際，只有這樣才能更好地培養出應用型人才。提到“實踐教學”，其實際上只是提高應用型教學質量的輔助手段，要想真正提高應用型教學的質量，關鍵還是要提高課堂教學應用的品質。比如，本科生是最富有創新創業能力與活力的社會群體，我們應該提高大學生的專業創新能力，逐步實現大學生專業學習從以教師“灌輸、傳授”為主向以學生“內化、運用”為主的轉型，而3D打印技術為我們提供了這個絕佳條件。一是作為提高教學成果的載體，3D技術可以讓學生繪制的草圖在直觀的視覺、知覺上的效果得以增強，提高作品的合理性與美觀性，使其可以在常規圖紙上（如形體的結構比例）、細節微部適宜度的把握上有更好的空間掌控能力；把繁瑣的圖紙線條轉化為簡單的視覺成品，提高學生把握空間邏輯性的能力，使學生對作品形成直觀的觀察和認識，從而便于深入修改等。二是增強學生學習的自信心，激發創造力。3D打印可以快速展現創意方案，人機工程學課程本身就是一個邊緣學科，所謂邊緣學科不是說它冷門，恰恰相反，邊緣學科與兩種或兩種以上不同領域的知識體系有著密切的聯系，并借助它們的成果而發展起來的綜合性科學門類。對于環境藝術設計專業來說，人機工學課程是一個基本學科，加之要想快速地印證方案的合理性等其他問題，除了使用平面推敲的手法外，使用更直觀、更快捷的三維圖像并加以研究，會帶來更好的效果。3D打印技術與傳統的造型手法完全不同，是一種“失控”的設計狀態，不僅可以實現完全自由的設計，還可以制造出以往連電腦建模都難以實現的設計方案，充滿未知的驚喜感，并且還可以讓我們真實地觸摸到和感受到。在這個過程中，我們與方案之間的相互作用會更加明顯，這是一種全新的學習體驗，能夠將構思變為現實，學生也可近距離地觸摸自己的方案成品，從而激發其對于作品的完美追求，愿意花更多的時間去學習、探索，在潛移默化中成為學習的主動方，在提高學習興趣的同時增強了創作的熱情。三是3D打印技術可以使用不同材料進行打印，如PLA、樹脂、金屬粉末、Poly Wood等，這為學生的研究設計方案提供了更多的可能性。學生可以在不同材料的選擇和比較中設計出更合心意的方案，從而提高課程專業整體水平。四是3D打印技術有助于制作教學輔助模型，特別是在人機工程學的教學過程中，教師多采用幻燈片講解法，學生只能從圖片和文字中去了解知識，并不能親身感受，并且學習資料是枯燥的、抽象的，不利于學生進行認知，同時也不利于培養學生的批判性思維。對此，就需要將其轉化成具體的、形象的。眾所周知，知識是在實踐中不斷地進行否定與肯定而發展的，這就需要我們具有開拓精神。3D打印技術可以把課堂上單一的畫面轉化為生動的場景或實在的產品，不僅能夠加深學生對理論知識要點的理解，提高學生的學習效率，還能豐富教師的教學手段。因此，將3D打印技術作為人機工程學的教學資源顯得尤為重要。

在人機課堂的教學中，本文將重點放在了對殘疾人使用的衛生間潔具的研究上。其之所以成為此次課改的重點研究的對象，是它針對的人群比較特殊。這樣涉及的人機問題就會要求學生更多地考慮：首先是創意的暢想。一是心中有把尺。對于尺寸的敏感度，是作為環境藝術設計專業學生的看家本領，尤其是要熟記各類家具的尺寸數值。在做到心中有尺的同時就要考慮如何運用好這把尺，充分結合課題的特殊性，即衛生間潔具的尺寸如何適用上肢殘障或者下肢殘障的人群。對于環境藝術設計師來說，熟記各類尺寸是基本能力，一個衛生間的長、寬、高是多少，以及一個使用輪椅或拄拐的人士要用多少空間，包括其使用、轉身的空間等都需要進行精確的尺寸核算。采用3D技術打印出來的模型正是這種二維圖紙的體現，其在比例上的直觀表達可以讓同學們對于尺寸問題牢記在心。二是造型設計的實用性與美觀性。在滿足基本功能尺度的基礎上進行造型設計，學生在調研測量和資料收集的基礎之上提出各自的想法，畫出草圖并進行討論。比如，殘疾人使用的呼叫器的高度是250mm高好，還是400mm高好；面盆的盆檐弧形造型是否既美觀又符合人體使用的要求等。類似這樣的討論有利于激發學生的學習熱情，拓寬其思路，從而發掘更多的設計靈感，使其真正體會到設計的本源。此外，3D打印的首要功效就是讓學生更真實地體會到自己所做的設計是什么樣的，因為圖紙是二維的表達，只有長與寬。要求學生在自己繪制的CAD基礎上利用3D Max、Maya、犀牛（Rhino）、Blender，還有簡單一些的Z Brush等三維建模軟件構建三維模型，切實將平面圖轉化為3D效果圖，再根據3D立體圖進行局部效果的修改，最終達到自己滿意的效果；再通過STL文件格式的數據文件支持，輸入模型數值，選擇匹配的打印介質和打印機參數后快速地呈現三維實體。隨后，還需要對其進行后期處理，如去支撐，很多模型會有支撐；將模型打磨拋光等。這樣，一件3D打印作品才完成了，其不僅能很好地表達設計者的意圖，促使設計者更好地體會自己的設計、真切地研究設計的優點與不足。整個過程都需要學生的全程參與和實踐，讓學生在“學中做，做中學”，體會學習的樂趣。再者，快速打印的3D效果可以及時給出課程反饋，讓學生在與教師的交流中更好地表達自己的主要意圖（圖1、圖2、圖3均為學生的課堂作業）。

在人機工程學課程中引入3D打印技術是非常有必要的，其有利于學生接觸新事物，不斷地拓寬眼界，培養創新思維與提高自身的專業能力。對于教師而言，其更要與時俱進，時刻關注新思維、新技術。3D打印技術在教學上的前驅性作用是有目共睹的，但在教學實施的過程中也會遇到諸多困難，如打印的材料的價格比較昂貴，若每門專業課作品都采用3D打印技術，以學生正常的經濟能力來說是很難支付得起的。并且，一般的打印機精度不高，學生在后期還需要花一定的時間進行工藝處理。因此，隨著3D打印技術的普及，筆者希望可以更多地降低材料的成本，增加材料的類型，提高3D打印的精確度與速度，增設更多3D打印的功能部件。只有這樣，其才能更好地為教學服務，真正成為環境藝術設計專業必備的專業手段之一。

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