中職3D打印基礎課程的開發

溫紫玲

國家統計局于2018年11月26日發布《戰略性新興產業分類（2018）》（國家統計局令第23號），有大量的關于3D打印的內容，其中3D打印機裝備、金屬3D打印專用材料、醫療3D打印專用材料、3D打印設計等入選了戰略性新興產業分類。在智能制造大環境下，職業教育要跟上社會發展的腳步，學生才能有更好的發展。此外，3D打印與職業學校的多個專業都密切相關，例如，模具、數控、電子、服裝、園林專業等，開發適合中職學校的3D打印課程有利于學生未來發展。如何在中職學校開展適合學生的3D打印課程，涉及多方面的因素。下面筆者將從3D打印概述、選擇建模軟件、開發3D打印教材、實施課程四方面進行論述。

一、3D打印概述

3D打印（3DP）即快速成型技術的一種，它是一種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。其原理是建模軟件建模，再將模型分成逐層的截面（切片），最后由打印機逐層打印出成品。

3D打印存在著許多不同的技術。它們的不同之處在于以可用的材料的方式，并以不同層構建創建部件。

本次課程開展選用的是熔融沉積快速成型（FDM）技術，該技術是一種將熱熔材料加熱融化后，通過噴頭的噴嘴噴出，沉積在打印平臺上或前一層材料上，材料噴出后溫度降低，低于固化溫度后迅速固化，與周圍材料凝結，最后一層一層堆疊成立體模型。此次用的是PLA材料。

二、3D打印基礎課程軟件選擇

3D打印過程中，在建模軟件導出STL格式文件時就可以給切片軟件使用，從而打印出相應的模型。在建模過程，設計者可以根據自己需要選出適合自己的建模軟件。

為了選擇適合中職學生初學的建模軟件，筆者在中職學生、中職教師、3D打印專家、企業方面進行調查，發現常用的建模軟件有：SolidWorks、AutoCAD、Pro/Engineer、UG、3ds MAX、Geomagic Design X、3D one。

SolidWorks是主流的三維CAD解決方案，基于Windows平臺的全參數化特征造型軟件，它可以實現復雜的三維零件實體造型、復雜裝配和生成工程圖，但是該軟件對于中職學生初學比較復雜，可以后期學習。

AutoCAD主要用于二維繪圖、詳細繪制、設計文檔和基本三維設計，目前學生已經學習過該軟件，但它三維設計比較弱，不太適合3D打印設計。

Pro/Engineer是參數化著稱的三維軟件，該軟件現階段用于模型模具的制作，在3D打印應用上較少，主要用于模具專業設計模具。

UG可以實現復雜實體和造型建構，功能完善，在中職學校數控專業的二年級第二學期或者三年級第一學期有開設該課程，但是該軟件需要較強的專業基礎知識，不利于其他專業實習，可以在3D打印建模后期學習中學習該軟件。

3ds MAX主要是用于計算機圖形設計，例如動畫設計等，基本不用于3D打印。

Geomagic Design X是3D打印逆向設計的主要應用軟件，目前市場上公司也用這個軟件進行逆向設計，但是用于3D打印初學不合適。

3D one是為中小學生量身定制的3D建模軟件，比較適合中職學生初學，所以在本次課程開發和教材設計時，采用該軟件進行設計。

三、3D打印基礎教材開發

作為課程開發，教材是實施的關鍵。本次在教材設計時，參考了學生、教師、專家、企業的意見，設計了一個適合中職學生初學者使用的教材。

3D打印基礎課程主要針對的是中職學校不同專業的初級學習，所以在教材設計的時候，教學主要采用項目式教學方式，選取貼近實際生活的通用實例：小風扇、火箭、機器人作為項目案例。考慮學生的發展問題，加入了3D打印初級造型師的內容，為以后學生就業提供條件。

在教材細處，首先是布置任務，以情境和任務作為引入，然后是通過圖文和視頻指導作為學習的參考，完成建模、然后在弘瑞切片軟件上進行處理，最后用打印機進行打印成品。在教材的末尾，加入了數字化資源引導學生了解3D打印歷史及介紹相關軟件，并配備相關練習。第一版的教材視頻資料采用光盤和微信形式推送給學生。

以火箭設計為例，首先在案例前面，利用我國火箭的發展和火箭的介紹引起學生注意;然后用圖文詳細指導學生從設計機身、機翼、機尾、火苗的效果、小飾品5方面完成建模并輸出STL文件;傳送給打印機自帶切片軟件進行處理;最后將文件拷入至打印機進行打印，完成整個項目。圖1是火箭項目任務布置和建模內容的截圖：

在智能化制造的大環境下，中職學生要想順利與社會銜接，要想從事3D打印工作，就需要考取相應的證書，所以在教材上加入了3D打印造型師考證的內容，主要是引導學生如何報考相關的證書。圖2是3D打印造型師初級證相關內容的截圖。

四、3D打印基礎課程實施

課程實施過程中，教學內容要適合教學對象，教學設備和資源要豐富充足，教學方式要適合學生特點，學生要能學以致用，適應工作所需。

本次課程實施的教學對象是中職學校的學生，主要是采用第二課堂的形式對有興趣的同學進行開放，并訓練參加3D打印技能競賽的學生。另外由于設備數量有限，每次授課不超過10人，有熟悉操作的學生作為助教，可以實現因材施教，并根據學生的情況調整部分教學內容。另外聘請了中科院的專家和大學教授來我校授課，教授學生專業知識，也幫助學校開展該課程。

每次階段培訓針對不同專業的學生，在專業學生中宣傳選出相應學生，完成教材項目教學后，增設一個自主設計項目，由各專業學生根據自己的專業需求設計一個作品并打印出來。然后再由這些學生去帶動和影響該專業的其他學生，引導學生在專業上面創新。

在教學方式上面，由于學生在這個年齡喜歡形象直觀的教學方式，所以教學方法采用項目式教學，將每個項目分成若干任務開展，最后形成成品，實現學生做中學的目的。以賽促教，鼓勵學生參加技能競賽、3D打印比賽以及航模比賽讓學生成長起來。

為了提高訓練學生的實際操作能力，還為全校師生提供免費3D打印服務，承接的范圍為電子產品外觀制作、服飾小制作、小玩具、創意花瓶等。服務時間主要是下午的第二課堂時間，每天只接收5項作品，學生可以通過課后時間幫忙設計和打印。

五、成果與反思

本次課程開展比較順利，學生在學習后，在技能競賽上獲得了廣州市3D打印競賽三等獎、在廣州市中小學3D打印競賽中也獲得獎次（具體名次暫未公布），同時在航空模型和航海模型比賽中取得較好成績。

本次課程開發實施過程中，學生滿意度較高。學生能體驗從設計到成品的整個過程，成功感強，興趣濃厚。教學過程中，師資充足（有相關專業的教師和聘請的專家、教授），教學資源豐富，能滿足學生學習過程所需。在教學時，采用的是階段式培訓，分專業選擇部分學生培訓，可以實現因材施教，教學質量較好。通過3D打印服務和競賽輔導，模擬實際工作模式完成相應的操作，讓學生學以致用。教材設計上，圖文和視頻結合的基礎項目可以適應不同專業的初學者使用。

通過學生反饋來看，本次課程開展也存在一定的不足，該課程是基礎課程，對于模具、數控等專業學生來說，應該開發更多的課程讓其學習，在條件允許下，可增設3D打印逆向設計的內容;在3D打印造型師初級證內容里，應該增加相應的資料豐富教材內容，從而逐步達到智能制造背景下企業對中職生的要求。