3D打印技术在软件造型设计课程教学中的应用探索

3D打印技术在软件造型设计课程教学中的应用探索

胡智土

浙江省机电技师学院 浙江省 金华市义乌市  322000

【摘要】软件造型设计课程是中职机械大类专业学生必修的专业基础课之一，如何改革该课程的教学内容、教学方法和考评方式，提高教学效果和学生的能力，是我们必须面对并确实解决的问题。我认为，将课程分为造型指令学习、结构创新设计、“主题式”产品开发等三个阶段，并在各阶段分别引入3D打印的相应技术，是软件造型设计课程改革的一种有效途径，有利于提高学生的学习兴趣和创新意识，培养学生的计算机绘图能力、三维空间想象能力以及机械设计能力。

【关键词】3D打印   软件造型   实施策略

3D打印技术是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术，该技术的主要优点是成本低、成型速度快、可打印的范围广。如何利用3D打印技术的特点对软件造型课程进行教学改革，是值得我们思考和研究的问题。下面在分析软件造型设计传统教学中存在的问题的基础上，对此谈谈个人的看法。

一、软件造型设计课程教学中的问题分析

传统软件造型设计课程的教学目标是帮助学生完成软件中的指令学习，学会应用造型软件进行机械设计、创新设计、模拟仿真，能将设计概念以数据模型的形式通过造型软件进行表达。以此标准来衡量当前本课程教学，主要体现在以下三个问题：

1. 循规蹈矩，刻板的授课方法

笔者通过多年的软件造型课程教学体会和分析研究发现，本课程的授课大多按照如下程序进行：

教师授课前的准备工作包括教案、课件以及课堂练习拷贝至U盘，通常教师上课只需带一个U盘即可。课中，课堂的情景往往是这样的：老师会通过事先准备好的一道典型例题开始授课，比方说今天需要讲解软件中“拉伸”命令，教师就会根据具体的一个例题讲解软件中“拉伸”命令的分解步骤，结束后将例题分发给学生完成。一堂课学生被要求完成3-4道例题，教师授课的主要方法和手段就是指令讲解和巡回指导。学生遇到难题举手示意请老师单独辅导，课程中以老师为主体，学生以完成课堂练习任务为目标，过程中老师与学生没有互动，学生之间无需交流。

通过上述情境可以发现，这样的教学方法只注重课堂效率忽略了课堂效果。课堂目标虽然明确但是时间过长就会让学生觉得学习过程枯燥乏味，导致学生被动学习，缺少了学习的积极性。同时，这种针对性讲解例题，学生按部就班完成课堂练习的授课方法，只是完成了软件造型指令的学习，无法培养学生的设计思路，锻炼创新设计的能力。

这样的授课方法需要改进，需要将程式化的教学模式分解替换，融入3D打印技术进行有层次循序渐进的阶段性教学。

2. 按部就班，陈旧的教学内容

笔者认为本课程存在教学内容单一，缺少创新设计和实践性内容。

我校软件造型设计课程的教学内容主要是以《CAD/CAM技术》校本教材为基础，讲授单个零件的实体造型为主要内容。课堂上老师负责发作业，学生在规定时间完成课堂作业，一堂课的成果就是老师完成了几个造型指令的讲解，学生上交了课堂练习。同时，由于教学内容的局限性，教学活动只停留在课堂，教师也无需布置课后作业，学生也不用课前预习。枯燥单一的学习内容，脱离实际的造型练习让学生逐渐失去了学习的兴趣和积极性。

总结教学内容问题可以概括为：内容形式单一，缺少创新设计内容，“纸上谈兵”不重视实践教学。在软件造型设计课程中引入3D打印技术是本课程思考和研究的重要途径，注重培养学生设计思路和独立思考的能力，在教学内容上进行创新，以3D打印为实践手段实现软件造型设计课程的理实一体化教学。

3. 考核评价的问题

考核评价形式单一、内容缺少创新，对与学生课程考核评价的目标只停留在造型软件使用的熟练程度，只强调软件造型指令的学习，忽略学习的过程和学生独立思考、创新设计过程的考核评价。

对于软件造型设计课程的教学，笔者认为造型软件只是机械专业计算机制图工具的学习，在完成造型指令学习的同时重点应还是在于“设计”。对于考核评价的内容应该更加丰富，可以增加3D打印技术的学习内容，将软件造型设计与3D模型打印结合在一起，丰富了课堂的内容同时也可以改变考核评价的模式，一方面是对学生造型软件应用能力的考核评价，另一方面也能体现学生实际动手操作的能力和软件设计创新的综合能力。

二、3D打印在课程分阶段教学中的应用实施

为了有效地引入3D打印技术，笔者将软件造型设计课程教学分为三个阶段：造型指令学习阶段、结构创新设计阶段和“主题式”产品开发阶段。同时将3D打印技术融入到三个阶段，每个阶段学生学习的成果以实物模型的方式进行呈现，学生学习兴趣更高，主动性更强，提升了学生独立思考和实际动手操作能力。

（一）造型指令学习阶段

1.引入3D模型教具，突破软件教学难点

融入3D打印技术，将典型的三维造型案例进行3D模型打印，以3D模型实物教具的形式，结合二维图纸进行重难点分析讲解。由于实物形象生动学生可以自行观察研究，有助于三维软件的入门学习。

以三维造型软件UG10.0为例，学生在学习“拉伸”命令中侧向创建草图平面建立实体的造型比较难理解，教师通过二维草图也很难讲解清楚。如果利用3D模型结合图纸讲解，学生就比较好理解。

图1二维草图               图2 3D模型实物分析

在教学中，学生对于图1中A特征的“弧线”部分比较难理解，图2中教师利用3D模型教具可以很直观的对该特征进行讲解，学生会比较容易理解。

2.借助3D模型测量，培养软件建模能力

在软件造型教学中，3D模型不仅可以是实用的教学用具，同时也可以是提升学生软件建模能力的工具。通常软件造型课程教学常用的方法是要求学生“抄画零件图”，即已知二维图纸完成三维造型。缺点是学生缺少尺寸大小概念，机械专业中的零件测绘知识得不到实际的应用。结合3D模型实物可以在教学中增加“零件尺寸测绘”环节，通过这个过程让学生能更深刻的掌握零件的特征和结构细节，便于三维造型，增加课堂的趣味性。

3D模型测量融入课堂时的具体内容如下：

3.应用3D模型打印，提升实际操作能力

利用3D打印技术，当学生完成零件造型建模后，学生将自己完成的造型模型进行实物打印。待实物打印完成后进行尺寸测量，结合图纸、造型数据模型、3D实物模型三者进行比较，对结构尺寸和外观形状是否正确可以自行检查和修改。模型打印的环节，不仅增加了课堂的趣味性，同时也锻炼了学生的实践操作能力，很好地实现造型数据到实物模型的转变，确保课堂教学有动手的过程、有实物的成果，学生从中能获得成就感，提高了学习的兴趣。

典型模型打印               学生操作打印设备    

（二）结构创新设计阶段

如果说第一阶段的教学目标是让学生学习和掌握单个零件由简单到复杂的三维实体造型，那么本阶段的教学重点则是要求学生熟练掌握造型软件的应用，可以利用所学的机械基础理论知识，进行复杂外观零件的造型、结构零件的正向造型设计、实物模型的逆向创新设计。

1.复杂造型，提高软件建模能力

结合复杂外观零件造型的教学环节，在教学过程中针对性的对 “扫掠”、“放样”、“曲面”等造型指令模块进行讲解。以典型复杂造型实例为课堂教学的主要内容，要求学生在规定的时间完成任务并上交。

“扫掠”题型        “放样”题型            “曲面”题型

通过以上不断的练习从而让个学生掌握造型软件的高级指令，提高三维建模的能力。

2.结构设计，培养正向设计思路

这个阶段的教学活动我们是这样开展的：要求学生根据老师提供的机械传动结构模型，进行关键零件结构、外形、尺寸的设计和3D实物打印，最终将3D打印的零件模型装配到传动结构模型中，课堂考核评价以结构的合理性、传动的顺畅度和设计的创新性为标准，开展学生自评、同学互评和教师参评的形式进行评价打分。

结构测量       零件设计        模型打印      结构装配

在整个教学活动中，我们给学生设立了独立思考、设计创新的环节，允许小组讨论共同合作解决问题，学生积极主动参与度高，同时也培养了学生的正向造型设计思路。

3. 逆向造型，拓宽创新设计思维

如果说正向造型设计是一个“从无到有”的过程，那么逆向造型就是“由旧到新”的创新过程。这个阶段的教学组织内容主要是学生根据老师提供的典型模型实例进行分析，在原来模型的基础，通过数据采集逆向反求技术进行二次创新设计，并完成创新模型的3D打印，最终以实物模型效果进行三方评价。这个过程考查的是学生软件造型能力、独立创新能力和实际操作设备的动手能力。

数据采集         逆向造型设计           模型打印

（三）“主题式”产品开发阶段

这个阶段的教学主要面向产品造型设计类专业的课程设计，教学内容主要是以项目的形式开展。考查的是本专业学生三维造型、创新设计和实际操作等综合应用的能力，教学目标是让学生熟悉产品开发工作的流程，满足产品设计类岗位能力的需求，提高个人在今后本专业就业时的竞争力。

以我校开展的主题为“蓝牙小车”产品开发项目为例，蓝牙小车制作项目涉及软件造型、3D打印、零部件机械加工、产品组装调试和产品试运行等产品开发全过程。在蓝牙小车项目制作过程中，学生需要考虑造型设计的合理性、零件加工的工艺性和制作成本等问题，项目具体的实施以小组形式开展，考查学生的组织能力、团队协作能力、表达沟通能力，通过蓝牙小车制作和作品运行比赛的过程，充分调动学生的兴趣引导学生主动参与，让学生掌握产品开发的流程为今后踏入社会从事专业相关工作打下基础。具体的教学内容安排如下：

三、3D打印在课程分阶段引入教学的益处

(一)多阶段教学，丰富了教学内容

软件造型设计课程分阶段教学后，教师的教学目标更加明确，教学的重难点更好把握，同时针对不同阶段增加了更多的教学内容，学生课堂可参与度更高课堂组织更灵活更高效。

(二)新技术引入，改进了教学方法

3D打印技术的课堂融入，将数据模型快速转变成实物模型，突破了实现本课程理实一体化教学的难点，同时新技术的引入对教师教学方法也提出了更高的要求，促使教师使用更多更先进的教学手段。

(三)过程化评价，创新了考核模式

本课程进行分阶段教学的主要目的，也是为了使我们的课堂教学更注重学生的学习过程，强调学生自主学习、设计创新的重要性，注重“多环节、人人参与”的理念，以过程化评价的方式调动学生学习的积极性、持续性和主动性。

总之，3D打印技术在本课程的实践教学中已经起到了重要的促进作用，在3D打印技术不断的发展进步下，软件造型设计课程教学也会不断发生变化，教学的成效会更加明显。

【参考资料】

[1] 杨三艳. 浅谈3D打印技术在机械类课程教学中的应用[J].职业教育研究，2014.10.

[2] 史洪松. 3D打印技术在机械设计与原理课程教学中的应用[J].教学与教育信息化，2018

[3] 郭谆钦.“机械设计基础”课程改革思路[J].中国教育技术装备.2008（2）

[4] 古丽萍.蓄势待发的3D打印机及其发展[J].教码印刷.2011（10）

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