VR與3D打印在通用技術課程中的應用

李巖

【摘 要】高中通用技術學科強調學生通過解決現實生活中的問題來形成物化能力。“模型或原型的制作”一節課是培養學生通用技術核心素養中“物化能力”的重要章節。本文介紹了學生借助VR與3D打印技術，通過自主探究和實踐完成國產航空發動機模型的設計與制造的全過程，對全面提升學生核心素養進行了新的探索。

【關鍵詞】 VR與3D打印;通用技術;模型制作

【中圖分類號】G434? 【文獻標識碼】A

【論文編號】1671-7384（2021）09-059-03

“模型或原型的制作”是高中通用技術必修“技術與設計1”中第六章的內容，本單元是培養學生通用技術核心素養中“物化能力”的重要章節。全章圍繞“模型或原型的制作”主題，設計了“模型的特性與作用”“材料的性能與規劃”“工藝的類別與選擇”和“制作臺燈模型”四節內容，每一節均以真實情境中的問題為線索、以任務為引領，引導學生通過“做中學”和“學中做”構建知識、習得技能、獲得素養。讓學生學習和體驗設計方案物化的具體步驟與方法，對于幫助學生了解設計的完整過程，掌握設計方案“物化”的關鍵技能，領悟統籌、規劃、權衡的設計思想，務實嚴謹、認真細致的良好品質具有重要作用。

為了更好地激發學生的學習積極性，鼓勵學生以小組為單位自主選擇模型設計的主題和加工工藝完成模型的制作。本文介紹的是學生借助VR和3D打印技術設計和制作的國產大飛機C919的航空發動機模型。

模型設計思路

模型是根據實物、設計圖樣或構思，按比例制成的與實物相似的一種物體。模型制作的過程不僅是設計思想體現的過程，也是發展構思的創造性過程。學生設計的這款發動機模型是以最新裝配我國C919大飛機的“CJ1000A”發動機為原型設計的，發動機整體包括進氣道、風扇、低壓壓氣機、低壓渦輪和調節系統等部分，如圖1所示。

考慮到模型制作的仿真特性和使用材料的加工工藝，學生選擇了運用3D打印技術來設計和制作發動機模型。為了高度還原發動機的復雜構造，學生將組成發動機的外殼、風扇、壓氣機和尾噴口等主要零部件進行獨立設計和制作，并在后期進行噴漆和組裝。

1.VR體驗

與國外的航空發動機相比，我國自主研發航空發動機尚處于起步階段，因此可以參考和借鑒的資料非常有限，特別是國產發動機內部構成的分解圖更是少之又少。因此，我們借助學校VR平臺中的案例來觀察和體驗國產發動機。通過VR案例，學生可以觀察發動機的整體構造，對國產發動機的外觀特征有了初步的了解;之后，VR中的零件拆分功能讓學生能夠對發動機進行拆解，逐一觀察構成發動機的進氣道、風扇、低壓壓氣機、低壓渦輪和調節系統等部分。如圖2所示。VR設備身臨其境的沉浸感給學生帶來了良好的體驗效果，不僅極大地激發了學生的學習興趣，還為下一環節的三維設計建模提供了數據支持。完成VR體驗后，學生在了解國產發動機構成的基礎上還可以通過自主探究來明確各個零件部分的功能和作用，從而實現知識的深度學習。

2.三維設計與3D打印

在進行分小組討論時，學生提出傳統模型的制作工藝并不適合發動機模型的設計與制作，因此，他們選擇了使用3D打印技術。三維設計建模是3D打印的前提和基礎，學生根據中國航空相關權威網站提供的有限數據和之前VR案例中觀察到的虛擬情境，通過繪制草圖和標尺標注，確定了發動機三維建模的外部尺寸和比例關系，并使用中望3D軟件進行三維建模，如圖3所示。

在三維建模的過程中，學生遇到了一些困難。例如，發動機曲面的構建和低壓排氣槽的設計，特別是進氣風扇的設計需要所有的扇葉一體成型，這也是目前我國航空發動機制造工藝所面臨的現實困難。教師針對學生遇到的這些技術困難做了相應的指導和幫助，使用三維設計軟件中的曲面構建、實體鏤空和環形陣列等功能實現了設計目標。

完成三維建模后，學生使用學校的3D打印機進行打印。3D打印是將耗材加熱后逐層堆疊成型的，打印作品的表面會有規則的打印紋路，打印精度越高則打印的紋路越淺。受限于3D打印機的打印尺寸，學生將發動機的各個零部件進行拆分，獨立打印。由于打印之后需要在模型表面噴漆，因此，需要使用較高的打印精度來保證模型的精細程度。

3.打磨噴漆與組裝

零部件打印完成后，先對其進行預組裝。由于各個零部件是獨立設計、分開打印的，因此可能會產生誤差，從而造成組裝困難。在此，先將模型的各個零部件進行初步的安裝，觀察模型各部分的比例關系和打印尺寸是否符合之前的設計要求，并將誤差較大和不匹配的地方加以標注，為下一步打磨和調整做準備。

打印完成的模型表面會有一些毛刺，還會有一些比較鋒利的邊緣，此時就需要用砂紙進行打磨。先使用800—1000目的砂紙進行初磨，去除毛刺和鋒利的邊緣。之后，使用銼刀針對誤差較大的地方進行精細挫削。打磨完畢，在各部件的表面噴一層水補土以使表面光滑平整。

打磨完成后，使用噴筆、噴泵對模型的各個零件進行噴涂上色，以提高模型的仿真程度。待漆面晾干之后，完成發動機模型的最終裝配。如圖4所示。

當一個完整的航空發動機模型呈現在學生面前時，如圖5所示，學生們的激動程度是無法想象的。此時，本章課程也接近尾聲。制作小組的同學們滔滔不絕地向其他同學介紹他們的設計靈感、制作過程以及遇到的困難。他們介紹完畢后，教師和其他同學對他們的模型給予了很高的評價，也提出了一些問題和建議。縱覽全過程，通過VR體驗，學生們構思了模型的設計創意;通過自主探究，學生們掌握了航空發動機的相關知識;通過動手實踐，學生們感受了模型設計與制作的全過程;通過交流評價，學生們展示了自己、收獲了建議。

本單元要求學生能夠根據設計要求選擇合適的材料與工具，了解常用材料的屬性及加工方法;在實施設計方案的過程中，能從經濟、質量和美學等方面考慮材料的使用，掌握基本的工具使用方法。針對課程標準所提出的要求，教師要求學生以小組為單位自主選擇模型主題，在學習內容和活動的設計上充分體現了以學生為主體的教學思想。教師按照“情境導入→自主探究→實踐體驗→交流評價”的思路進行教學，符合高中生的認知，且有利于教學目標的達成。學生借助VR技術進入學習情境，并構建自己的思維邏輯。之后，通過自主探究學習和積累技術技能，特別是在選擇制作材料和加工工藝時，學生根據模型的設計特點和要求放棄了傳統的木工和金工工藝，而使用3D打印技術，不僅很好地實現了設計目標，更是對模型制作的技術手段進行了新的嘗試和探索。

學生在“國產航空發動機”模型的設計與制作過程中從真實的任務入手，了解了模型的概念和作用、學會了材料的選擇與規劃、掌握了三維設計和3D打印機的功能和應用，最終完成了發動機模型的制作。與此同時，在交流與評價的過程中，學生通過對解決實際問題全過程的介紹，進一步理解了“工匠精神”的基本內涵和重要意義，從而實現了學科核心素養和實踐技能的全面提升。

注：本文系北京市教育科學規劃課題“使用VR技術提升中學生學習投入的實踐研究”（課題編號：CHDB19396）的研究成果

參考文獻

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作者單位：北京市第六十五中學