建筑3D打印線上線下混合教學模式創新與實踐

摘要：為加快推進建筑業工業化、數字化、智能化轉型升級，許多高校正積極建設智能建造專業，并推出了一系列新的專業課程。其中，建筑3D打印是智能建造專業的一項特色課程，其教學內容涵蓋機械、材料、信息等領域。傳統課堂教學和大范圍實驗存在學生學習興趣不高、知識理解效率低，以及大范圍實驗受制于3D打印的高成本、長制作周期和低成品率的限制；因此，有必要探索線上線下混合式教學模式，以激發學生的學習興趣，培養學生的實踐精神和創新能力，從而有效提升教學效果。本研究以華中科技大學智能建造專業建筑3D打印課程教學為例，討論了建筑3D打印線上線下混合式教學的內容設計與實踐運行。該課程搭建了建筑3D打印虛擬仿真系統，提供三維模型格式轉換、模型自動檢測、模型修復等工具，使學生能夠進行虛擬打印操作，以最低成本和最短時間對打印模型參數進行調整。此外，使用基于工業級六軸機械臂的建筑3D打印設備進行線下打印實踐，建立了標準化的打印工藝流程，以確保打印構件的高精度成型。通過“月壺尊”殼體結構混凝土3D打印案例，介紹了該線上線下混合教學模式下的完整學習過程。該教學模式符合智能建造專業掌握一種軟件語言、驅動一臺硬件設備、解決一個工程問題的“三個一”人才培養理念，為其他高校開展建筑3D打印教學提供了有益參考。

關鍵詞：建筑3D打印；線下線下；教學模式創新；智能建造

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2909（2024）06-0136-08

我國正處于從“建造大國”向“建造強國”邁進的關鍵時期。《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》提出，以智能建造助力“中國建造”。為了推動我國智能建造的發展，首要任務是培養具備跨學科知識和創造性思維能力的復合型人才。為響應國家的戰略需求，全國已有超過百所高校開設了智能建造專業。這些高校根據自身特色，提供了多樣化的專業課程。其中，建筑3D打印作為許多高校智能建造專業的特色課程，涵蓋了機械、材料和信息等領域的跨學科融合。然而，建筑3D打印教學實踐面臨著雙重挑戰。一方面，由于3D打印設備和材料成本高、制作周期長、成品率低，建筑3D打印教學通常依賴于教師主導的課堂講授或演示實驗等方式［1］；另一方面，僅僅通過傳統課堂教學無法讓學生全方位直觀感受建筑3D打印全過程，從而導致學生出現學習興趣不高、知識理解低效等問題。在智能建造學科發展的早期階段，有必要探索創新建筑3D打印教學模式，以提高教學質量［2］。

教育部等十一部門印發的《關于促進在線教育健康發展的指導意見》，明確要求加快科技與教育的深度融合，推動線上教育與線下教育的良性互動。在這一文件的指導下，線上線下混合式教學的理論及方法得到了多個學科領域的高度重視。在相關研究方面，葉興琳等［3］利用虛擬仿真實驗和智慧教學平臺，構建了基于線上線下的有機化學實驗教學新模式。盧嫣等［4］采用線上線下的方式改進了高分子基礎實驗教學。徐敬海等［5］設計了線上線下混合的地理信息系統原理課程教學改革框架與方法。周小龍等［6］介紹了工程案例與虛擬實驗在建筑結構抗震課程教學中的應用，引導學生從可視化的地震情境中提出問題、分析問題、解決問題，深化學生對抗震基本概念和原理的理解。戴北冰等［7］通過虛擬現實技術建設仿真實驗平臺，有效克服了傳統土力學課程中存在的知識點繁多、內容體系復雜，以及實驗教學受時間、空間和資源限制等問題，提升了土力學課程的教學質量。

線上線下混合式教學為化解建筑3D打印教學的實踐困境、提升課程教學質量提供了新的思路。理論上，線上線下混合式教學既保留了傳統教學方式的互動性和社交性，又提供了豐富的數字化學習工具，幫助教師在引導、啟發和監控教學過程中發揮更大作用，從而有效激發學生在學習過程中的主動性、積極性和創造性［8］。這一特征對于培養學生在建筑3D打印學習中的動手能力和創新思維具有顯著作用，同時也能有效規避大范圍開展建筑3D打印實驗所面臨的各種弊端。值得注意的是，目前關于建筑3D打印教學實踐中線上線下混合教學模式的研究還不夠充分，缺乏針對線上線下內容安排和協同方式的實踐經驗。

本文以華中科技大學智能建造專業的建筑3D打印課程為研究對象，旨在深入闡釋智能建造專業“三個一”的人才培養理念，探索虛實結合的線上線下教學實踐，構建理論與實踐、學習與使用一體化的實驗實訓教學模式。這種教學實踐不僅有助于滿足本專業人才培養的需求，而且還將推進智能建造核心課程教學改革，提高智能建造專業教育的整體質量。

一、課程內容與線上線下混合式教學

華中科技大學智能建造專業自2020年開始招生，旨在培養具備智能建造研究應用能力、工程實踐能力、團隊協作能力、創新意識和國際視野，既能在智能建造領域從事智能設計、智能施工、智能運維等技術性工作，又能在人工智能領域從事科技開發與組織管理工作的高素質復合型人才。

智能建造專業在教學過程中充分融入了新一代人工智能技術，如大數據智能、群體智能、人機混合智能、無人自主智能等，將其與先進工程建造相結合，實現了教學內容的融合創新。同時，在夯實傳統土木工程基礎課程知識的基礎上，還堅持“三個一”人才培養理念，即通過教學與實踐培養學生至少掌握一種軟件語言（計算機），驅動一臺設備（機械），解決一個工程問題（土木）。建筑3D打印作為智能建造專業的特色課程，為學生提供了學習和實踐的重要平臺，使其能夠熟練應用建筑3D打印技術，并掌握開發3D打印應用系統的關鍵技能。

建筑3D打印技術是一種快速成形的先進建造技術［9］。該技術以數字模型為基礎，通過計算機智能控制實現建筑構件的免模板施工工藝，尤其在異形結構建造方面具有顯著優勢［10］。在設計建筑3D打印課程時，需要充分考慮該技術的綜合性和學生學習的認知規律，將課程內容劃分為理論和實踐兩個部分。理論部分主要圍繞建筑3D打印設備的執行機構、驅動裝置、材料性質，以及控制系統，旨在使學生掌握該技術的基本原理。建筑3D打印線上線下混合式教學主要側重于課程的實踐部分，如圖1所示。鑒于建筑3D打印涉及多個界面的軟硬件操作，學生在進行實踐操作前，必須在理論學習階段全面掌握相關軟硬件的操作要點及注意事項。

為實現虛擬仿真打印，需要搭建建筑3D打印虛擬仿真系統。該系統提供常用的3D打印建模工具，如3D模型格式轉換、模型自動檢測、模型修復等。在教學過程中，學生在教師的指導下利用該系統進行多種結構的混凝土構件建模。通過機器人操作系統（Robot Operating System，ROS）規劃虛擬打印路徑，并通過離線編程將規劃路徑轉化為機械臂運動的指令集，以完成虛擬打印仿真。這種虛擬仿真打印方式有助于學生在實際打印操作之前，靈活配置不同的打印參數并對比分析相應的打印效果。面對效果不夠理想的情況，學生能夠以最低成本和最短時間對初始模型參數進行修改或調整，從而提高實際打印操作效率和成果質量。

真實打印操作則使用基于工業級六軸機械臂的建筑3D打印設備。在真實打印的準備、打印和收尾環節，均配備專門的實驗員，指導學生進行具體操作。在整個實踐教學過程中，將建筑3D打印的關鍵步驟及常見實踐問題整理成電子版指導手冊，以供學生持續學習建筑3D打印相關知識。

基于上述課程內容設計與混合式教學思路，華中科技大學相關團隊將科技部重點研發計劃項目“輕量化可重構月面建造方法研究”“面向建筑行業典型應用的機器人關鍵技術與系統”等研究成果融入智能建造專業的建筑3D打印教學環節。以下將以“月壺尊”殼體結構3D打印為例，介紹建筑3D打印線上線下混合教學的實踐運行情況。

二、線上虛擬仿真

建筑3D打印線上虛擬仿真的主要目標是使學生系統地學習3D打印結構建模、3D打印切片、格式轉化、虛擬打印路徑規劃等內容（見圖2），掌握Rhino、Simplify3D、RobotStudio等軟件的具體功能與操作。

（一） 基于Rhino的3D打印結構建模

按照常規的建筑3D打印實踐流程，線上虛擬仿真教學的第一部分內容是指導學生利用Rhino參數化設計軟件完成3D打印結構的建模。在此過程中，學生需注意實際打印過程中可能存在的人為誤差，以及機械臂的運動范圍、噴頭精度等因素帶來的打印局限性。比如，模型在豎直方向超過35°傾斜角度時，容易導致打印構件塌陷。完成3D虛擬模型后，教師將引導學生關注后續注意事項，包括對模型的尺寸、傾斜角度等主要指標進行檢查和確認。在確保檢查結果符合要求后，教師將指導學生導出STL格式文件，以便進行下一步3D打印切片。本部分內容共計4課時。

（二） 基于Simplify3D的3D打印結構分析

線上虛擬仿真教學的第二部分內容是指導學生利用Simplify3D軟件對已建立的3D打印結構進行分析。Simplify3D為學生提供了易于使用的交互界面，便于導入3D模型文件并分析潛在的幾何形狀網格錯誤，如孔、薄壁或自相交等（如圖3）。學生還可以利用Simplify3D的快速編輯工具，自定義支撐位置和形狀。根據打印要求，學生在編輯打印過程的設置中可以調整具體的打印參數，如噴嘴直徑、擠出寬度、層高、封頂和封底層數、外殼周長和打印方向等。

在本案例的“月壺尊”切片設置中，模型尺寸直徑為200 mm，噴嘴直徑為10 mm，層高為3 mm。考慮泵機擠出速率及二級噴頭擠出速率的影響，將擠出線寬設置為5 mm。這樣的參數設置使得“月壺尊”能夠保持整體形狀，層與層之間的連接度較好，并且內部帶肋部分能夠與內圈有效連接，從而避免了斷料、斷點等問題，符合打印要求。本部分內容共計4課時。

（三） 基于RobotStudio的虛擬打印路徑規劃

線上虛擬仿真教學的最后一部分內容是指導學生利用RobotStudio軟件進行虛擬打印路徑規劃，這也是線上虛擬仿真的重點內容。此部分主要利用與機械臂配套的RobotStudio軟件，搭建虛擬仿真系統，進而模擬整個打印過程，分析可能存在的問題并有針對性地進行調整。教師指導學生在仿真系統中添加3D打印現場環境模型，導入3D打印機械臂及末端噴嘴模型，輸入機械臂姿態、打印工具姿態、外部軸位等驅動信息，隨后利用模擬示教器對虛擬機械臂進行示教。

仿真系統提取路徑規劃點的三維坐標信息，形成可視化的預打印路徑和設備運動指令，從而使虛擬機械臂執行虛擬打印作業。然而，僅僅觀看機械臂的運動無法檢查打印路徑是否存在錯誤，也無法優化相關參數；因此，利用RobotStudio軟件自帶的TCP跟蹤功能，實時顯示機械臂和末端噴嘴的位置與姿態信息，并通過“單步前進”和“單步后退”功能，將路徑上一個點作為當前節點，讓學生仔細觀察虛擬打印的過程（見圖4）。此功能有助于檢查規劃路徑的合理性和打印過程的流暢性，還能對路徑規劃的細節進行微調，從而提高真實打印的成功率。本部分內容共計4課時。

三、線下真實打印

通過課前學習和線上虛擬仿真，學生對3D打印實驗內容、步驟和相關設備形成了初步了解。在進行線下真實打印前，教師將學生分成4～6人一組，提前安排操作任務，每組學生輪流完成線下3D打印實驗準備、打印和收尾三個環節的相關工作。考慮打印成功率受打印機械設備、打印模型構造、混凝土材料性能、攪拌時間和運輸工藝等因素的影響，線下真實打印操作需要固定打印工藝流程，使打印過程標準化。這樣既可以減輕設備不足的壓力，又有助于促進學生之間的合作。

在準備環節，學生在教師指導下分析混凝土材料的性能，包括材料攪拌、表觀形態觀察、擠壓測試、凝結時間和稠度測試等，判斷混凝土材料是否適合3D打印（見圖5）。在教學過程中，教師引導學生從虛擬3D建模的理想環境出發，思考線下實驗中的注意事項，例如如何減少各種干擾對打印成果的影響。待準備完畢后，學生將真實體驗線下3D打印過程。

首先，將水泥、砂等干料與快硬劑、增稠劑等添加劑加入砂漿攪拌機中充分混合。待干攪完成后，加入適量水及含有減水劑的水溶液，再充分攪拌，以確保混凝土不凝固。攪拌完成后，將混凝土從攪拌機移至泵機中，開始運輸至噴頭處。本實驗的噴頭增加了一個螺旋裝置，以實現打印過程中的混凝土攪拌，避免了混凝土在噴頭處停留過久而硬化，防止噴頭堵塞或斷料現象的發生。本部分內容共計3課時。

在打印環節，學生在操作臺打開切片模型，按照線上虛擬仿真結果設置打印參數。在打印過程中，教師需要提醒學生觀察管道和噴頭的運動情況。由于混凝土材料的性質，需實時控制打印過程中機械臂的移動速率和泵機的混凝土輸送速率（見圖6），以免混凝土中出現空氣導致斷料現象的發生。圖7展示了“月壺尊”殼體結構3D打印的部分過程。

此外，為了實時監控打印過程，支持后續對打印成果進行三維重構和打印過程優化，在打印區域的四周布設了四個球型攝像頭，構成360°監控系統（見圖8）。在“月壺尊”殼體結構混凝土3D打印過程中，啟動攝像頭并開啟錄屏裝置，可以實現全方位的視覺檢測。學生在教師的引導下，分析3D打印過程中的影像，并與3D打印的虛擬仿真結果進行對比，分析導致虛擬和實體打印差異的原因與對策，例如材料配比、工藝流程和人員操作等。本部分內容共計6課時。

在收尾環節，學生在教師指導下對設備進行清洗、歸位。學生需要掌握如下操作流程：將噴頭移開打印區域，清除管道和噴頭中剩余的混凝土，并在泵機排空混凝土后加水，防止泵機空轉損壞；在各機械設備清洗干凈后，使用高壓水槍清洗地面，將各個工具擺放至規定位置。教師在收尾工作完成后進一步引導學生分析虛擬仿真打印對實際3D打印的支持作用。本部分內容共計3課時，至此整個建筑3D打印課程結束。

四、學生反饋與教學創新點

針對傳統教學方式在開展建筑3D打印等智能建造技術教學中存在的不足，線上線下混合教學模式對教學方式及內容進行了優化，獲得了學生的積極反饋。超過80%的學生認為，虛擬打印仿真環節為其提供了充足的學習和探索空間，而線下真實打印環節在標準化流程和電子版指導手冊的引導下，使其能夠全面掌握科學的操作流程。此外，學生在學習過程中還接觸了機器人控制、視覺檢測等相關知識，激發了其創新精神。根據學生的反饋，為了更好地總結實踐過程中的操作技巧，可在收尾環節結束后引入課堂討論，讓不同小組分享彼此的操作經驗，還可考慮將實驗過程制作成視頻材料，供學生課后復習，以強化認知，進一步提高其對建筑3D打印的理解和應用能力。本線上線下混合教學模式的創新點總結如下。

（一） 多學科交叉創新實驗

建筑3D打印實驗涉及多種軟硬件的操作，是智能建造專業與計算機科學與技術、電子信息及機械設計制造等多學科的交叉拓展。采用虛實結合的實驗教學模式能夠有效激發學生的學習興趣，有助于引導學生帶著問題開展實驗，通過實際操作、觀察和總結，深入探索答案，從而奠定扎實的知識基礎，并培養其科學探索精神。

（二） 科研成果快速反哺教學

目前，建筑3D打印技術尚處于初級階段，需在打印設備、材料及工藝等方面進一步改進［11］。本教學模式充分利用建筑3D打印虛擬仿真系統在實驗教學和科研方面的一致性及其基本相似的構成要素，通過建立虛擬仿真系統迅速整理建筑3D打印構件庫，將科研項目的階段性成果及時轉化為教學資源，從而推動研學轉化。

（三） 多功能開放式教學平臺

建筑3D打印線上線下混合教學模式秉承以學生為中心的教育理念，普及建筑3D打印、虛擬仿真等智能建造技術的重要知識，鼓勵技術學習與分享交流。相關軟硬件設施設備既支持驗證性實驗，又可以進行更為復雜的綜合性實驗，匯聚學生的創新智慧，引導其在材料優化、工藝改良、硬軟件性能提升等多方面探索高成形質量的3D打印成果。

五、總結

為滿足智能建造專業人才的知識需求，眾多高校相繼開設了建筑3D打印等課程，對學生在理論與實踐方面的學習提出了新的要求，因此有必要采用創新的教學模式。本研究詳細介紹了華中科技大學智能建造專業中建筑3D打印課程所采用的線上線下混合教學模式。該模式設計旨在滿足專業人才培養的“三個一”要求，使學生能夠借助建筑3D打印虛擬仿真系統分析理論打印效果，優化參數配置，并在此基礎上進行實際的3D打印實驗。通過線上線下協同和虛實結合的方式，幫助學生深刻理解打印模型構造、混凝土材料配比、打印機械設備、混凝土攪拌和運輸工藝、打印方法等關鍵知識。

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（責任編輯 梁遠華）

基金項目：湖北省高等教育學會共同體建設項目重點課題（2022XD83）