《3D打印技術》課程教學項目的開發與實施

朱慧霞

一、引言

3D打印技術作為一種快速成形技術，于最近兩年開始流行，廣泛應用于產品設計的各個領域當中。但3D打印目前處于初步發展階段，國內針對學生的教材不完整，教育方案不夠系統化，師資力量緊張，配套設備比較昂貴。為了跟上時代發展的潮流，各中職學校克服困難，創造條件，紛紛開設3D打印技術課程，普及3D打印技術。

湛江機電學校作為地方中職龍頭學校，于2014年投入資金購買了基礎型3D打印桌面機，選派教師到企業學習3D打印技術，解決了師資、設備等問題。2015年在模具制造技術、數控技術應用、機電技術應用等專業開設《3D打印技術》選修課，我們在課程教學內容的選擇、教學項目的開發以及教學過程的組織與實施方面做了一些探索與實踐，本文通過具體案例講述了筆者在《3D打印技術》課程教學項目的開發、實施等方面所做的探索與實踐，并展示了教學成效。

二、教學項目的開發與研究

為了選擇適合中職學生的課程教學內容，我們先對3D打印的原理及工作過程進行了研究和分析。

1.3D打印的原理

傳統的機械加工方法是“減材制造”，在其制造過程中材料逐漸減少；鍛造、鑄造、粉末冶金等熱加工方法，可粗略地看作是“等材制造”；3D打印則屬于“增材制造”，通過一層層地累加材料最終達到物體的成形。3D打印機就是可以“打印”出真實3D物體的一種設備，功能上與激光成型技術一樣，采用分層加工、疊加成形，即通過逐層增加材料來生成3D實體。稱之為“打印機”是參照了其技術原理，因為分層加工的過程與噴墨打印十分相似。

2.3D打印的工作流程

3D打印是利用設計產品的3D數據，采用分層、疊加成形的原理進行打印，其工藝流程一般分為三維建模、數據分割、3D打印、后處理四步（如圖1所示）。

（1）三維建模

三維建模是3D打印的基礎，即在打印之前需在三維軟件中對產品進行建模，因此3D打印需計算機輔助設計（CAD）技術的參與。建模過程可使用AutoCAD、Mastercam、Pro/E、UG、Solidworks等主流軟件完成，需注意的是在整個建模過程中產品尺寸要準確無誤，打印機是嚴格根據這些數據來控制產品最終外形的。

（2）數據分割

數據分割是將建好的模型數據導出為.stl或者.obj（這兩者是世界通用的中間交換格式），再將中間格式的.stl或者.obj文件載入切片軟件（當前通用的切片軟件有cura，make bot，Xbulider，Repetier host等）中，進行切片操作，即生成打印機能識別的數據流格式文件（.gcode或者.x3g.s3g等格式），從而指導打印機逐層打印。

（3）3D打印

通過SD卡或者U盤把.gcode格式文件拷貝到3D打印機中，進行對應的物理打印參數的設置（不同打印機物理參數設置不同），打印機就可以把它們打印出來。打印機通過讀取文件中的橫截面信息，用合適的材料將這些截面逐層地打印出來，再將各層截面以各種方式粘合起來從而制造出一個實體。

（4）后置處理

三維打印機的分辨率對大多數應用來說已經足夠（在彎曲的表面可能會比較粗糙，像圖像上的鋸齒一樣），要獲得更高分辨率的物品可以通過如下方法：先用當前的三維打印機打出稍大一點的物體，再稍微經過表面打磨即可得到表面光滑的“高分辨率”物品。有些技術可以同時使用多種材料進行打印，有些技術在打印的過程中還會用到支撐物，打印完成后需要去掉支撐物及表面毛刺等。

3.3D打印校本教材

基于以上研究與分析，根據我校實訓條件及學生知識儲備，編寫了基于3D打印工作過程的校本教材《三維建模與3D打印》（教材目錄見圖2）。

教學內容及項目的選用以完成一個完整作品為主線，由淺入深地設置層次遞進的項目。作品實用又有趣，有利于調動學生的學習積極性；任務由簡單到復雜，有利于學生克服畏難情緒，一開始就能感受成功的喜悅；不斷上升的難度能持續引起學生的關注，將學習進行到底。

三、教學方法的選擇與確定

開設本課旨在讓學生了解制造前沿新技術，跟上時代發展的潮流。通過項目教學，幫助學生了解實際工作的思維路徑，獲取三維建模與3D打印技術的實際操作技能。

本課程是我校模具制造技術、數控技術應用、機電技術應用等專業的專業選修課，二年級下學期開設，學生已經學習了AutoCAD、Mastercam等計算機輔助設計軟件，對三維建模及加工制造比較感興趣。學校建有專門的模具設計與3D打印實訓室，配置72臺學生用計算機、15臺套桌面型3D打印機（可計算機驅動，也可SD卡驅動），可以使用多媒體教學平臺教學。

依據教學目標及學生學情，努力實踐“教、學、做”合一的項目化教學模式，主要采用任務驅動法、演示法、合作學習法等。項目一應以講授為主，可配以相關內容的教學視頻、動畫演示、教學PPT等，并通過提問、書面作業等形式鞏固課堂知識；項目二、三、四則主要使用任務驅動法，以學生為學習主體，教師為主導，讓學生帶著任務分析思考，通過學習互助完成作品的設計制作，再通過優秀作品展示評講，引導學生自我評價，修改完善作品，培養創新意識與精益求精的工作態度。

《3D打印技術》課程教學項目的開發與實施

四、項目教學的組織與實施

我們對每一個項目都進行了精心的教學設計，并據此進行教學組織與實施。這里以“項目三：走進3D打印體驗館——吉祥掛件的設計與制作”為例進行介紹。

根據教學設計，做好充分的課前準備。制作教學資源文件（如圖3所示），撰寫了工作任務書、參考案例、靈感圖例等，旨在讓學生明白他們在課堂上要做什么、怎么做；制定工作過程記錄表、學習過程評價表、作品展示評價表等，要求學生在學習過程中按要求填寫并上交，引導學生自學、自評、互評，從而督促學生完成課堂任務。采用分組教學，根據班級人數（60人）及實訓設備數量（15臺打印機），將學生分成4人一組，獨立設計，輪流打印，提高課堂學習效率。準備好教學設備，檢查電腦及打印機是否能正常工作，安裝打印材料，保障教學正常進行。

教學過程從“創設情景，導入任務”→“解析任務，層層推進”→“合作探究，完成任務”→“交流賞析，體驗美好”→“自我完善，體驗成功”等多個教學環節，循序漸進的學習讓學生能力一步步提升。把教學總任務由淺入深分解為6個子任務（以“囍”字掛件的設計與制作為例）：繪制“囍”字線架→創建“囍”字實體模型→輸出“囍.STL”模型文件→裝載“囍.STL”模型文件切片→生成并保存GCode→打印“囍”字掛件，清晰的指引讓學生像玩游戲一樣過關斬將，輕松完成作品的制作。

由于打印機數量有限，為了提高課堂學習效率，還安排了拓展任務：要求每位學生在打印操作間隙自主設計3個以上不同創意的作品，挑選最滿意的作品進行創意闡述，制作作品展示文檔，既培養學生分析問題、解決問題的能力，又鍛煉學生綜合運用多學科知識的能力。

五、教學成果的展示與分析

我們將作品評價貫穿于項目教學全過程，通過自我評價、優秀作品賞析、缺陷作品分析等引導學生分組討論、互相學習、互相評價，進行思維大碰撞，激發學生的好勝心，滿足他們自己動手完成任務并最終制作出精美作品的心理需求。這里仍以“項目三：走進3D打印體驗館——吉祥掛件的設計與制作”為例進行介紹。

1.自我評價

每人以最佳作品為例進行過程評價，填寫自評資料。邊操作邊記錄，完成“工作過程記錄表”；認真思考，撰寫“作品展示評價表”；客觀公正進行自我評價，填寫“學習過程評價表”。

2.優秀作品賞析

對于優秀作品（如圖4所示）的賞析，采用組內互評+組間互評+教師點評的方式進行。

（1）通過組內互評，選出本組完成最好的設計模型及打印作品。

（2）每組派代表展示本組完成最好的設計模型及打印作品，并進行創意說明。

（3）教師點評，組間互評，進一步升華完善作品。

3.缺陷作品分析

對有明顯缺陷的作品（如圖5所示），要及時跟蹤，發現問題，提出改進意見，這樣有利于學生進一步完善。

六、結束語

最早的課堂里，學生只能坐著聽，多媒體技術出現后，許多教學內容變成可視的，3D打印技術引入后，教學內容將變成可觸的。由于3D打印技術能實現虛擬世界與實體世界的有機結合，3D打印機進校園將使得學生在創新能力和動手實踐能力上得到訓練，將學生的創意、想象變為現實，將極大發展學生動手和動腦的能力，從而實現學校培養方式的變革。3D打印作為一門新的實踐型課程，課程標準、教材、培養方案、教學資源等還有待于完善、規范，我們將在教學實踐中不斷摸索，為培養高素質人才貢獻一份力量。

責任編輯何麗華