3D打印在船舶結構與制圖實踐課中的應用研究

代帥 王維

摘 要 從3D打印技術概念、3D打印過程等內容介紹出發，結合船舶結構與制圖實踐課特點，嘗試將3D打印技術應用到船舶結構與制圖實踐課中，根據基于項目的學習的具體操作程序，對教學過程進行設計和實施。通過對學生學習效果調查問卷數據的分析，詳細闡述以3D打印技術為手段，基于項目的學習在船舶結構與制圖實踐課中的應用價值。

關鍵詞 3D打印技術；船舶結構與制圖；基于項目的學習；三維模型

中圖分類號：G652 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2018）08-0039-03

1 前言

3D打印技術作為一種被迅速推廣的快速成型技術，應用領域越來越廣泛，這其中就包括3D打印技術和教育的融合。這不僅是技術工具的運用，也是創新教育模式的有益嘗試，必將對現有教學產生深刻影響[1]。目前，在基礎教育中，更多的學校開設了3D打印技術課程，以學生了解3D打印技術、體驗打印過程為主。在高等教育中，部分高校開放了3D打印實驗室，以學生設計、制作3D打印作品為主。與此同時，教育工作者正在探究如何將3D打印技術與課程結合，從而創造新穎的教學內容，改善教學方法，營造愉快的學習體驗[2]。

因此，本研究嘗試將3D打印技術融入高等教育船舶結構與制圖課堂教學中，為學生學習船舶結構知識帶來新的體驗。通過引入3D打印技術打印船舶結構實物模型來激發學生的學習興趣，使書本上抽象的船舶結構知識直觀化，加深學生對船舶結構知識的理解，提高課堂的參與度，減少因為知識內容接受相對困難，造成學生消極學習現象的產生，在重視學生對船舶學科知識掌握的同時，更加關注對能力的培養。

2 3D打印技術概述

3D打印（3D printing，又稱三維打印）是一種快速成型技術，它以數字化模型為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過逐層打印的方式構造物體[1]。具體來講，就是利用三維模型制作軟件制作出三維模型，使用與3D打印機配套的切片軟件完成切片過程，連接到3D打印設備即可實現打印過程，即三維建模、格式轉換、切片、打印四個階段。3D打印制作流程如圖1所示。

三維軟件建模 常見的三維模型建模軟件有很多，包括3ds MAX、AutoCAD、犀牛等軟件。以3ds MAX為例，其常用操作包括創建標準基本體、樣條線、修改器列表、選擇并移動、選擇并旋轉、捕捉等操作指令，通過對這些基本指令的操作，即可實現三維模型的制作。

轉換STL文件 使用的三維建模軟件不同，建模完成后導出的格式也不同。3D打印機能夠識別的標準格式是.STL格式，如果使用的三維建模軟件的導出格式不包括.STL格式，可將三維模型先導入3ds MAX三維軟件中，再將其轉換為.STL格式。

切片軟件切片 將滿足.STL格式的三維模型文件導入到切片軟件中，完成切片過程，最終生成.gcode格式文件。切片的過程就是對三維模型設置參數的過程，相關參數包括如層高0.2 mm、打印溫度200 ℃、熱床溫度60 ℃的設置，是否添加支撐、支撐添加比例、機器寬深高的設置等。切片完成后點擊保存，注意選擇.gcode格式，并以英文字母、數字命名。

3D打印機參數設置，完成打印過程 將.gcode格式的文件通過儲存卡導入3D打印機中，設置3D打印機參數，或通過切片軟件設置參數后，3D打印機自動識別切片軟件中設置好的參數。粘貼3D打印機專用打印紙，檢查設備是否完備，材料是否齊全，3D打印機出絲是否順暢，噴嘴是否堵塞等常見問題，做好打印前準備。打印過程中，根據實際情況調節打印速度，速度越慢，打印質量越好，但耗時越長，所以設置合適的打印速度即可。打印過程中可以暫停、恢復打印；切勿在打印過程中切斷電源，導致打印無法繼續完成，再次通電后只能重新開始打印。打印完成后，使用小鏟子取下打印完成的作品，添加支撐的位置須小心去除添加材料，去除支撐后不光滑處要用砂紙打磨光順。

3 3D打印技術在船舶結構與制圖實踐課中應用的實施過程

船舶結構與制圖是船舶工程技術專業的核心課程，授課形式包括船舶結構理論知識的學習和鞏固船舶結構知識的實踐課環節。培養目標側重于學生對船舶結構知識的理解、掌握和綜合運用，使學生具備船舶工程技術專業基本知識和基本職業技能[3]。本研究結合船舶結構與制圖實踐課特點，以3D打印技術為手段，按照基于項目的學習的操作程序，即選定項目、制訂計劃、活動探究、作品制作、成果交流、評價反思等六個步驟，設計和實施過程如下。

3D打印技術引入 在船舶結構與制圖實踐課開始階段，為學生呈現3D打印完成的實物模型作品，充分調動學生好奇心，使學生對3D打印技術產生濃厚的興趣。并以此為契機，向學生詳細介紹3D打印技術的相關知識內容，包括3D打印技術的概念、原理，3D打印技術使用的材料，3D打印的操作流程，3D打印技術的優勢，等等。

觀察、模仿3D打印過程 學生認真觀察學習3D打印具體流程和3D打印機的使用方法，并在教師的指導和幫助下，能夠獨立完成3D打印過程，包括對切片軟件參數的設置、3D打印機的具體操作、如何更換打印材料等。

選定項目，分析船舶結構 教師帶領學生積極思考是否能將3D打印技術與船舶結構結合，選取來自于實際船舶建造工藝的船舶結構，通過對船舶結構的分析，使學生理解船舶結構中涉及的知識點。學生嘗試根據給定的船舶結構圖紙設計、制作出船舶結構實物模型。

制訂計劃 為了完成船舶結構實物模型的制作，對學生進行異質分組，在小組長的帶領下通過討論對任務進行總體規劃，確定具體實施方案，對小組成員進行分工、明確任務。

活動探究 活動探究是船舶結構與制圖實踐課中最重要的一個環節，學生根據已經掌握的船舶結構知識，嘗試設計、制作船舶結構三維模型。學生在不斷學習、相互幫助的過程中，逐步完成船舶結構模型的制作。在活動探究環節，學生不僅鞏固了船舶結構學科知識，各方面的能力也得到提高。

作品制作 作品制作是檢驗學生學習成果，對學生做出評價的依據。學生以整體或者按結構完成船舶結構的3D打印。通過完成的作品，可以反映出學生對船舶學科知識的掌握情況，也會使學生更有成就感，對學好船舶學科知識更加自信。學生完成的3D打印船舶結構如圖2所示。

成果交流 船舶結構實物模型設計、制作完成后，學生通過分享過程中遇到的問題和解決方法，加深對船舶學科知識的理解，優化使用三維建模軟件的方法和技巧。分享的過程也是總結的過程，分享者能夠更好地梳理船舶結構模型的設計、制作過程，被分享者也能從分享過程中發現不足，提出更加高效的方法和策略。

評價反思 根據學生在設計、制作船舶結構實物模型過程中的表現和最終呈現的船舶結構實物模型作品，完成教師評價和學生自評。無論是船舶學科知識，還是船舶結構設計、制作方法技巧，學生能夠通過反思發現不足，并在教師或同學的幫助下得到鞏固和提高。

4 學生學習效果問卷調查數據分析

課后，對學生進行學習效果問卷調查，問卷包括調查學生是否對這種上課方式感興趣，是否對學生學習船舶學科知識有幫助，是否使學生各方面能力得到提高等內容。參與本次實踐課的學生共10人，問卷發放10份，共回收10份，回收率為100%。

通過對數據進行分析，50%的學生對此種上課方式十分感興趣，另外50%的學生選擇對此種上課方式比較感興趣。學生表示，第一次接觸3D打印技術特別好奇，很想學一學。對學習船舶結構知識是否有幫助方面，60%的學生選擇幫助很大，40%的學生選擇有些幫助，沒幫助和起反作用選項的選擇率為0。學生普遍認為在船舶結構與制圖課程學習過程中，船舶結構比較抽象，學習起來有一定困難，而在設計、制作船舶結構三維模型過程中，可以很好地鞏固之前學習到的船舶結構知識和學習到很多新知識。在對船舶結構圖紙的識讀能力是否有提高方面，50%的學生選擇提高很多，50%的學生選擇提高一些，沒有提高選項的選擇率為0；在繪制船舶結構平面圖形的能力是否有提高方面，50%的學生選擇提高很多，50%的學生選擇提高一些，沒有提高選項的選擇率為0。在能力培養方面，學生大多數都在動手能力、溝通表達能力、解決問題能力、小組協作能力等選項中選擇提高很多和提高一些，他們普遍認為以3D打印技術為手段的基于項目的學習在船舶結構與制圖實踐課的應用，使各方面的能力都得到提高。

5 以3D打印技術為手段的基于項目的學習在船舶結構與制圖實踐課中的應用價值分析

船舶學科知識方面

1）船舶結構知識。實踐課選取的船舶結構來自于實際船舶建造工藝，該船舶結構涉及的部分內容學生學習過，還有一部分內容對學生來說是新知識。通過教師講授，學生能夠學習到新的船舶結構知識，而且能夠鞏固先前學習到的知識。對于在先前學習過程中沒有對船舶結構知識充分理解的學生來說，通過3D打印船舶結構實物模型，使他們對船舶結構有了更加直觀的認識，接受起來會更加容易，更好理解。

2）識讀和繪制船舶結構圖紙的知識。在實際船舶建造工藝中，船舶結構圖紙的識讀和繪制對于船舶行業從業人員來說是最重要的基本技能。在實踐課中，學生能夠接觸到實際船舶建造工藝的圖紙，了解船舶結構圖紙的標準、規范等內容，逐漸掌握識讀、繪制船舶結構圖紙的方法和技巧。圖紙繪制的是船舶結構的二維圖形，通過觀察3D打印的船舶結構的實物模型，能夠更好地理解船舶結構圖紙。

能力培養方面 在設計、制作船舶結構實物模型過程中，學生不僅收獲了知識，而且各方面的能力也得到提高。如從對圖紙的觀察到設計、制作船舶結構實物模型，再根據實物模型學習船舶結構圖紙，由抽象到具體、再由具體到抽象的過程，培養了學生的空間想象能力。在活動探究過程中，學生使用到AutoCAD軟件、3ds MAX建模軟件、Cura切片軟件等應用軟件，操作軟件能力得到培養。

學生在設計、制作過程中會不斷發現問題、解決問題。解決問題的方法包括查詢資料或向教師、同學尋求幫助。解決問題的過程就是培養能力的過程，正如加涅認為的：

“教育課程的最終目標就是教學生解決問題。”[4]在小組活動期間，需要小組成員之間交流、討論以確定方案或解決問題。過程中難免會產生不同的想法和意見，如何進行有效協商，使活動的各個環節得以繼續下去，都會使學生的溝通交流能力得到提高。操作3D打印設備、更換打印材料、3D打印機故障處理的過程，是對學生動手能力的培養。

將3D打印技術應用到船舶結構與制圖實踐課中是一種開放式的交互活動，不僅有趣，而且能夠培養學生的合作精神和協作能力。通過小組協作，學生能夠更好更快地完成任務，還能夠取長補短、相互幫助，共同成長進步。學生在充分掌握船舶結構知識的基礎上，在滿足實際船舶建造工藝規范的情況下，可以嘗試設計不同的船舶結構，通過3D打印機打印出來，在課堂上與教師和同學進行分享、討論，使設計創新能力得到培養。對能力培養的應用價值分析如圖3所示。

6 結語

在課堂教學應用過程中，3D打印技術本身并不是課程的重點，其主要目標是采用基于項目的學習，將抽象的概念變成有趣問題的解決，進而幫助學生掌握抽象概念[5]。以3D打印技術為手段的基于項目的學習在船舶結構與制圖實踐課中的應用，是船舶結構知識，識讀、繪制船舶結構圖紙的知識等多種學科知識的綜合應用，不僅為學生學習船舶學科知識帶來新的體驗，使學生進一步鞏固和掌握了船舶學科知識，更重要的是學生在獲取知識的同時，空間想象能力、軟件操作能力、解決問題能力、溝通表達能力、動手能力、小組協作能力、設計創新能力等各方面的能力都得到培養，而這恰好是教育工作者不斷追求的教學目標。

參考文獻

[1]童宇陽.3D打印技術在中小學教學中的應用研究[J].現代教育技術，2013（12）：16-19.

[2]李青，王青.3D打印：一種新興的學習技術[J].遠程教育雜志，2013（4）：29-35.

[3]王英第.《船舶結構與制圖》課程教學改革的探索[J].科技視界，2014（21）：179.

[4]陳琦，劉儒德.當代教育心理學[M].北京：北京師范大學出版社，2007.

[5]利普森，庫曼.3D打印：從想象到現實[M].北京：中信出版社，2013.