朱小明

（華南理工大學(xué) 廣州學(xué)院，廣州 510800）

0 引 言

有專家預(yù)言“三維打印技術(shù)將帶來(lái)第三次工業(yè)革命”。近年來(lái)三維打印技術(shù)迅猛發(fā)展，走進(jìn)了各行各業(yè)。高校對(duì)三維打印技術(shù)的教學(xué)也越來(lái)越重視，機(jī)械、電子、生物醫(yī)學(xué)等專業(yè)的相關(guān)院校都購(gòu)置了三維打印機(jī)，開展三維打印技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。如何讓三維打印在高校中得到更好的推廣和應(yīng)用，第一步就是要制定好的實(shí)驗(yàn)課程，使其在機(jī)械制造及其他學(xué)科領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。三維打印的實(shí)驗(yàn)教學(xué)以提高學(xué)生的產(chǎn)品創(chuàng)新能力、設(shè)計(jì)能力和實(shí)際動(dòng)手能力為主，主要包括三維軟件建模和使用三維打印機(jī)打印產(chǎn)品。本文結(jié)合實(shí)際的教學(xué)過(guò)程，開展三維打印實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究，包括實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念的建立、教學(xué)的條件和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要設(shè)計(jì)思路，以規(guī)范實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

1 教學(xué)理念的建立

三維打印實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新和工程實(shí)踐能力。學(xué)生可以邊做邊學(xué)，設(shè)計(jì)、打印和測(cè)試自己的作品，通過(guò)一系列的動(dòng)手實(shí)驗(yàn)了解和實(shí)現(xiàn)自己的設(shè)計(jì)思想、設(shè)計(jì)作品。應(yīng)該鼓勵(lì)學(xué)生設(shè)計(jì)和三維打印人們能夠使用的一些物體，或者無(wú)法在別的地方找到的特制模仿品，把自己的設(shè)計(jì)想法變成現(xiàn)實(shí)的東西，從中學(xué)到或感受到更多的東西。例如，在計(jì)算機(jī)上看起來(lái)很好的模型，打印出來(lái)后卻不太盡如人意，可能會(huì)比預(yù)想中的要大，外觀效果不夠完美或者強(qiáng)度不夠等等。

三維打印實(shí)驗(yàn)教學(xué)還應(yīng)能夠幫助在傳統(tǒng)教育中表現(xiàn)不太好的學(xué)生重新建立信心。有些學(xué)生在傳統(tǒng)理論教學(xué)中學(xué)不好，但使用設(shè)計(jì)工具和三維打印產(chǎn)品時(shí)也許能做得很好。所以三維設(shè)計(jì)和三維打印對(duì)擁有“視覺”或“觸覺”學(xué)習(xí)方式的學(xué)生有很大的吸引力。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)的條件

三維打印實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要是CAD 軟件建模和三維打印機(jī)加工產(chǎn)品。在CAD 軟件建模方面，主要考慮使用何種CAD 軟件。實(shí)驗(yàn)時(shí)間較短，均為一天或兩天時(shí)間。如何在有限的時(shí)間內(nèi)使學(xué)生更快、更好地學(xué)習(xí)和掌握建模技術(shù)，CAD 軟件的選擇很重要。其中SolidWorks 軟件是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。該軟件界面簡(jiǎn)潔，操作簡(jiǎn)單，建模速度快，非常適合初學(xué)者使用，使沒(méi)有建模基礎(chǔ)的學(xué)生也能在短時(shí)間內(nèi)建立一些簡(jiǎn)單的模型。

為了學(xué)生有真正動(dòng)手操作的機(jī)會(huì)，能把虛擬的三維數(shù)據(jù)變成現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品，提高動(dòng)手能力和學(xué)習(xí)興趣，學(xué)校在三維打印機(jī)的配置上要做好工作。最初，由于經(jīng)費(fèi)的限制，很多學(xué)校只能購(gòu)置一臺(tái)價(jià)格為十幾萬(wàn)以上的三維打印機(jī)，一臺(tái)的數(shù)量根本無(wú)法滿足實(shí)訓(xùn)的要求。學(xué)生一般只能看看，很少有動(dòng)手操作的機(jī)會(huì)。隨著三維打印機(jī)的降價(jià)和簡(jiǎn)易實(shí)驗(yàn)用普及式打印機(jī)的推出，學(xué)校能用有限的經(jīng)費(fèi)購(gòu)買多臺(tái)普及式打印機(jī)。該類型打印機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小；軟件系統(tǒng)具有開放式，便于學(xué)習(xí)和使用的特點(diǎn)。在成形過(guò)程中可清楚地觀察工件的成形狀況，便于操作者了解打印原理和過(guò)程。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)計(jì)思路

1）安排合理的教學(xué)內(nèi)容。參加實(shí)驗(yàn)教學(xué)的學(xué)生來(lái)自不同的專業(yè)，教學(xué)時(shí)間的安排也不同。例如機(jī)械專業(yè)的實(shí)驗(yàn)時(shí)間為兩天，其它專業(yè)（汽車、電信等）均為一天。所以要結(jié)合學(xué)生專業(yè)特點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)時(shí)間安排合理的教學(xué)內(nèi)容。一天實(shí)驗(yàn)時(shí)間的教學(xué)，要求學(xué)生能完成簡(jiǎn)單模型CAD 為主，軟件教學(xué)要簡(jiǎn)單、實(shí)用，介紹的特征命令包括拉伸凸臺(tái)、拉伸切除、旋轉(zhuǎn)。在打印機(jī)教學(xué)上只包括打印機(jī)的基本操作和軟件中簡(jiǎn)單參數(shù)的設(shè)定，不會(huì)強(qiáng)制要求做到優(yōu)化加工。在工藝原理中只包括FDM 工藝。兩天實(shí)驗(yàn)時(shí)間的教學(xué)，要注重作品的設(shè)計(jì)質(zhì)量。在CAD 軟件教學(xué)上，特征命令會(huì)相應(yīng)增加，包括拉伸凸臺(tái)、拉伸切除、旋轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)切除、掃描等，案例模型難度也會(huì)加大。三維打印作品上不但要完成加工，而且要做到工藝參數(shù)的優(yōu)化加工，所以控制軟件中各參數(shù)的設(shè)置會(huì)做詳細(xì)的講解。在FDM 工藝原理的基礎(chǔ)上，會(huì)拓展其它類型的三維打印工藝，例如SLA、SLS 等。

三維打印教學(xué)安排在學(xué)生產(chǎn)品建模后，會(huì)造成學(xué)生同一時(shí)間扎堆使用打印機(jī)的情況，所以要在產(chǎn)品建模前完成三維打印教學(xué)。這樣，先完成CAD 建模的學(xué)生可以先進(jìn)行打印，未完成的同學(xué)繼續(xù)使用電腦建模。在有限的時(shí)間和設(shè)備資源下，使學(xué)生動(dòng)手操作的機(jī)會(huì)最大化。

2）運(yùn)用多種教學(xué)方式，提高學(xué)習(xí)興趣。要編好相關(guān)的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，并在實(shí)驗(yàn)中運(yùn)用多種教學(xué)方式。教學(xué)中使用多媒體課件，課件中多以動(dòng)畫、視頻和圖表等生動(dòng)直觀的形式為主。搜集三維打印相關(guān)資料和最新信息動(dòng)態(tài)，課堂上提供給學(xué)生；并向?qū)W生提供相關(guān)的學(xué)習(xí)網(wǎng)站，供學(xué)生課后學(xué)習(xí)研究。進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)的三維打印作品展示和說(shuō)明，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。課堂上多以提問(wèn)、啟發(fā)、比較、討論等方式上課。在老師的引導(dǎo)下，學(xué)生通過(guò)小組討論和互助的方式來(lái)學(xué)習(xí)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。錄制一些軟件建模視頻和打印機(jī)操作視頻，方便學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行復(fù)習(xí)，加深理解，增加操作信心。

3）強(qiáng)調(diào)原創(chuàng)性和創(chuàng)新性。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中三維打印的產(chǎn)品必須是自己設(shè)計(jì)或是經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)改動(dòng)過(guò)的，不可直接使用已有的產(chǎn)品模型進(jìn)行加工。鼓勵(lì)和引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)進(jìn)行產(chǎn)品創(chuàng)作或?qū)ΜF(xiàn)有的產(chǎn)品進(jìn)行創(chuàng)新，即使是小小的設(shè)計(jì)或改變，也能使學(xué)生真正參與設(shè)計(jì)思考工作。例如機(jī)械專業(yè)的學(xué)生，可引導(dǎo)他們?cè)谠O(shè)計(jì)上與機(jī)械原理等學(xué)科結(jié)合，設(shè)計(jì)一些典型的機(jī)械模型，例如發(fā)電機(jī)、齒輪等。通過(guò)設(shè)計(jì)、三維打印、產(chǎn)品分析，使學(xué)生從視覺、觸覺上深刻領(lǐng)會(huì)相關(guān)的原理和設(shè)計(jì)。

針對(duì)個(gè)別學(xué)生建模能力較差或產(chǎn)品模型比較復(fù)雜的情況，可為學(xué)生提供初步的CAD 模型，讓學(xué)生參考建模方法或?qū)ζ淠Ｐ瓦M(jìn)行改良設(shè)計(jì)，提高建模效率。

4）注重動(dòng)手能力、協(xié)作能力的培養(yǎng)。在實(shí)驗(yàn)中，確定設(shè)計(jì)方案、產(chǎn)品建模和三維打印產(chǎn)品這些過(guò)程學(xué)生必須要親自實(shí)踐動(dòng)手完成。上課前分組，確定人數(shù)，選好組長(zhǎng)，明確組長(zhǎng)責(zé)任，由組長(zhǎng)協(xié)助老師對(duì)本組學(xué)生進(jìn)行管理，協(xié)調(diào)本組學(xué)生進(jìn)行作品設(shè)計(jì)討論交流，一起解決產(chǎn)品建模和打印操作中遇到的問(wèn)題，既能相互監(jiān)督，又能培養(yǎng)學(xué)生之間的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。避免個(gè)別學(xué)生因遇到困難，而失去學(xué)習(xí)或動(dòng)手操作的興趣。

加工結(jié)束后，學(xué)生對(duì)自己產(chǎn)品進(jìn)行展示和說(shuō)明，學(xué)生相互交流。老師對(duì)作品進(jìn)行登記、點(diǎn)評(píng)和總結(jié)，向?qū)W生提出一些相關(guān)問(wèn)題。這樣可以有效地督促學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)和動(dòng)手操作，營(yíng)造良好的學(xué)習(xí)氛圍。

4 結(jié) 語(yǔ)

在實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生設(shè)計(jì)了許多高質(zhì)量且富有創(chuàng)意的作品。通過(guò)三維打印產(chǎn)品，使設(shè)計(jì)變成了現(xiàn)實(shí)，學(xué)生充滿了自豪感與成就感，增強(qiáng)了自信心和激發(fā)了創(chuàng)作力。另外，三維打印實(shí)驗(yàn)室也為本校參加機(jī)械類設(shè)計(jì)比賽的學(xué)生提供了更深入的三維設(shè)計(jì)和打印技術(shù)培訓(xùn)，學(xué)生利用三維打印機(jī)就能輕松地加工出產(chǎn)品，也為進(jìn)一步的產(chǎn)品測(cè)試和修改節(jié)省了大量時(shí)間。開展教學(xué)一年多，三維打印實(shí)驗(yàn)教學(xué)受到了學(xué)生的廣泛好評(píng)。

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