創客時代3D打印技術在高職創意電子課程中的應用研究

蘇州健雄職業技術學院電氣工程學院 施紀紅

創客時代3D打印技術在高職創意電子課程中的應用研究

蘇州健雄職業技術學院電氣工程學院 施紀紅

針對電子產品設計與制造的特點和要求，將3D打印技術引入專業選修課《創意電子產品的設計與制作》的教學和實踐活動中，配合課內教學體系，設置了“初-中-高”三層次課外創新制作項目，采用基于翻轉課堂理念的混合式教學方法，激發了學生的學習興趣，提高了學生自主學習能力，加強了學生的創新能力和動手能力，取得了良好教學效果。

3D打印技術；創意電子；創客教育

1 背景

2014年9月李克強總理首次提出“大眾創業、萬眾創新”的號召；2016年6月，教育部印發《教育信息化“十三五”規劃》，提出有條件的地區要積極探索信息技術在“眾創空間”、跨學科學習、創客教育等新的教育模式中的應用。由創客運動引發的創客教育熱潮，正式進入國家層面的教育發展規范。

“創客”(Maker)，是指那些出于自身興趣與愛好，努力把各種創意轉變為現實的人，他們注重在實踐中學習新知識、新技能，強調創意思維、創造能力和創業精神的結合；而創客教育就是以3D打印、互聯網等新興科技為基礎，以創客空間重構主要學習環境，以創造性實踐活動為主要學習過程，在實踐過程中學習各種學科以及跨學科知識，培養學生創新精神和動手實踐能力的教育，這也是當代高職教育的目標。

2 3D打印技術對電子產品設計課程的影響

3D打印技術是創客教育的一個重要技術基礎。3D打印技術是快速成型技術的一種，是以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術[1]。這種技術能夠將電腦里的虛擬3D數字模型快速地打印出3D實物。桌面3D打印機的普及，讓個性化的零部件與外觀的快速制作成為可能。

3D打印技術對電子產品設計課程的影響非常巨大。第一，制作個性化的外觀成為可能。在以往的課程中師生關注點主要是電子線路功能的設計與測試。課程成果永遠是一個外觀基本一樣的電子線路板類型的半成品。在這個顏值當道的年代，除了內在的功能，學生更加希望有不同的外觀展示自己的個性與創造力。獨特外觀的設計是學生自我個性的展現，可以更好地激發學生的設計欲望和動力。使用3D打印技術后可以不考慮傳統開模方法的成本，快速經濟地制作出樣品的外觀。第二，跳出專業限制，從制造者、使用者角度去考慮一個產品的設計。一個真實的產品不能僅考慮電子功能的簡單實現，還需考慮電子部件和機械部件的配合、電路板和外觀的配合、產品材料對電子功能的影響、制造者的可裝配性、使用者的方便性等等。3D打印技術可以迅速、直接地加工出樣品的關鍵零部件，進而進行預組裝、可裝配性測試、可使用性測試。利用高級金屬3D打印機制作的零部件組裝的電子產品還可以進行散熱測試、電磁兼容測試及其他電氣性能的測試[2]。

3 3D打印技術在課外選修課《創意電子產品的設計與制作》中的應用

3.1 課程的前身

本課程的前身是《電子產品的設計與制作》，教師和學生的關注點是產品功能的實現，注重電子線路的設計能力和焊接組裝技巧的培養。課程中制作出的一塊塊線路板，由于零件外露、線頭凌亂，很容易損壞，不能真正投入到生活中使用，而且這個幾乎一模一樣的電子半成品不能有效地展示學生的成果和個性，所以在測試完成后就被學生扔進了垃圾回收箱。

回顧電子類學生的專業課程體系，基本不涉及審美、造型、創意和材料的應用，所以我們培養的學生能夠實現規定的電子電氣功能，但是有時卻缺少樂趣、創意和審美。如果我們能將3D打印技術引入課程，將使單調的電子電路板設計變成真正的電子產品設計，這不僅能夠激發學生的設計、創作熱情，還能有效地幫助學生逐漸發現產品設計過程中除了線路板外還需要考慮的更多實際問題，并想方設法采用合理化的措施進行補救改正。

3.2 《創意電子產品的設計與制作》課程的實踐教學框架

由于專業課程體系設置的限制，《創意電子產品的設計與制作》作為課外專業選修課分三個學期開設，每學期32學時。配合學生課內課程的學習，本課程分成初級、中級、高級三個層次，分別要求學生具有一定電工電子技術基礎、掌握一定單片機技術、熟悉嵌入式系統構建方法等。課程的設置框架如表1，課程項目的選擇均和課內學習課題相關，具有一定的鞏固和拓展性。以初級課程為例，設計了4個項目。這4個項目分別配合課程OTL功率放大電路（創意小音箱）、反射式的紅外報警電路（創意陽臺報警器）、聲控延時電路（創意小夜燈），脈寬調制電路(創意臺燈)進行拓展應用。這四個電路配上個性化的外殼，就變成了一個真正的電子產品，而不再是一個DIY的電子小制作了。同時在中高級課程中設計了自我創意項目，鼓勵學生發揮創意創造作品。該課程采用基于翻轉課堂理念的混合式教學方法，強調對學生自主學習能力、動手實踐能力、團隊合作能力的培養。教師提出功能要求，推薦經典的實現方案；學生以小組方式，分工合作。組內部分同學根據推薦自主查找資料、設計電子線路板、刻板焊接、實現規定的功能；部分同學負責創意設計作品的3D數字外觀，打印3D實物、配合線路板進行修模裝配；最終通過磨合形成個性化的作品。在一個個項目的完成中，學生不僅要完成電子功能的設計，還需要進行外形、顏色、材質的選擇與設計，最終通過3D打印機將電子產品的功能與外觀結合起來，使作品變成一個真正可以使用的電子產品，這個過程極大地激發了學生的學習熱情和創造力[3]。

表1 《創意電子產品的的設計與制作》課程框架表

4 結束語

該課程在電子線路設計的基礎上，配合3D打印實體的觸覺體驗，讓學生的想象變成現實，達到“所思即所得”的教學效果。學生通過做中學、學中做、做中創，應用3D打印技術、互聯網信息技術，通過動手設計深度體驗了創造的快樂，激發了學生跨學科學習和創意智造的熱情，從而培養了學生的創新思維能力和創造設計能力。

[1]王美.基于3D打印技術的特色課程研究[J].現代教育技術,2015(25)∶120.

[2]張波.電子產品制造中3D打印技術的應用探討[J].應用科技,2017(01)∶291.

[3]賴麗花.基于社團選修課的創客教育模式研究[J].中國教育信息化,2016∶13.

施紀紅，1976年出生，江蘇句容人，本科，講師，研究方向：電子工藝與管理。

蘇州健雄職業技術學院2017年度院級教改重點課題“創客教育背景下的大學生創新實踐能力課外培養模式的探索與實踐”(編號：JG201701)。