高波 宋娟 贺海燕

[摘           要]  针对学生缺乏创新意识、主动发现并解决问题的能力不足的问题，提出将3D打印技术融入创新实训中并全程贯穿思政内容。同时，三个教学案例可为模型绘制、创新设计和课程思政提供借鉴。通过实践教学，该模式能有效发挥学生的主观能动性，激发学生的创新精神与学习兴趣，从而提升教学效果。

[关    键   词]  3D打印;创新实训;教学设计

[中图分类号]  G712                    [文献标志码]  A                  [文章编号]  2096-0603（2022）33-0065-04

3D打印是以计算机图形数据为基础，通过逐层堆积的方式构建实体的，具有高柔性制造以及对复杂零件自由快速成型的特点[1]，在教育、电子、医学、建筑工程等领域广泛应用。徐巍等人将独立的理论知识教学与工程实践教学联系起来，以学生为中心，采用多媒体课件、现场演示和实际操作相结合的方式开展“创客教育”[2]。王小新团队在塑料制品设计课程教学中将工程实践中广泛应用的CAD/CAE技术和3D打印技术引入课程教学，提高该课程教学效果的同时促使学生学习和应用CAD/CAE软件[3]。张济明以中职《3D打印项目课程》开发为研究内容，通过情境学习促进人才培养[4]。朱鹏将3D打印技术应用于职业院校机械制图课程教学中，从课程设计、课程实施、课程测试等方面进行创新改革[5]。

教师要把“双创”教育融入思想政治教育、文化课程教育、专业课程教育、社团活动、实践活动之中，让高校学生在掌握扎实专业知识的同时，具备较强的创新意识和创业意识，从而提升高校学生的创新能力和创业能力[6]。由于个体差异，学生对知识的掌握程度不尽相同，部分学生缺乏创新能力，缺少主动发现并解决问题的勇气和能力，甚至有的学生内向且缺乏自信导致回答问题时不能完整地表达其真实想法，需要开展多种教学形式以提高学生的综合能力。本文在榆林职业技术学院慧鱼创新实训课程中添加3D打印内容，通过创新实训的形式提高学生创新能力。

一、3D打印技术

（一）3D打印原理

3D打印技术按照成形工艺可分为：基于激光或高能量密度热源的成形技术（包括光固化成形SLA、分层实体制造LOM、选区激光烧结SLS和选区激光熔化SLM等工艺）和基于喷射的成形技术（包括熔融沉积制造FDM、三维印刷成形3DP等工艺）[7]。

3D打印技术基于“离散/堆积成形”的思想，其步骤为：首先设计三维模型;然后根据工艺要求将该模型离散为一系列有序的二维单元（切片）;其次根据每个层片的轮廓信息进行工艺规划，根据加工参数自动生成数控代码;最后逐层打印并堆叠得到三维实体，3D打印技术原理如图1所示[7]。

（二）3D打印设备

根据3D打印的特点和成本及推广程度，本文涉及的工艺是FDM和SLA。主要设备为基于FDM工艺的MakerBot Replicator Z18和基于SLA工艺的CREALITY LD-006，切片工具为打印机配套软件，三维建模软件为CATIA P3 V5R21。

二、慧鱼创新实训

为了培养学生的创新思维，进一步提高学生的动手能力和团队协作能力，并锻炼其随机应变和语言表达能力，榆林职业技术学院根据机电一体化技术专业的人才培养方案开设慧鱼创新实训课程。该课程以慧鱼创意组合模型为载体，开展为期1周30学时的实训。该实训开设在五年制机电一体化专业第8学期，学生已经学习了机械制图、机械设计基础、UG、液压与气动技术、自动检测技术、PLC应用技术、创新创业等课程的相关知识，有一定的专业知识储备。

该实训一周五天的授课安排为：3D打印、机械作品创新设计、电子作品创新设计及编程、气动模型创新设计、综合创新设计及总结汇报。课程考核成绩构成为：平时成绩占比20%、创新作品设计占比40%、作品汇报（作品、视频介绍、说明书、PPT和路演成绩）占比40%。其中3D打印模块6课时，具体安排为：三维模型绘制（3课时）、模型处理及3D打印机操作（1课时）、创新设计2课时。由于上课时间有限，实训室全天向学生开放，学生可利用课余时间完成作品打印。

课堂上教师以启发式引导为主，通过生活中的案例的升級和改装，激发学生学习兴趣，让学生通过制作简单模型，提高其动手能力。利用不同的案例潜移默化，增强学生的创新思维意识，提升发现问题及解决问题的能力。在教学过程中及时调动学生参与课堂的积极性，培养学生的阶段性成就感，并在与团队的协作过程中培养学生与人沟通的能力和职业素养。实训中全程贯穿课程思政内容，构建全员育人、全程育人、全方位育人格局，实现教育立德树人的根本任务。

三、实训中的3D打印案例

（一）三维绘图：未来的她的礼物

由于学生已有三维软件建模的基础，再使用CATIA软件进行模型绘制会较容易上手。课程内容包括草图设计、零件建模、装配体设计和曲面设计等。由于实训时安排3D打印教学的时间较少，不能系统地讲授所有操作命令，对学生的吸收能力要求较高。

思路来源：课间休息时，一位学生谈论到他要设计一个3D打印作品送人，不知道该怎么设计。其他学生起哄说该同学要去约会，要为其女朋友设计礼物。为了提高学生设计热情，授课教师跟随气氛进行设计。

教学过程：

1.教师调侃道“随手画个图就能当礼物，那么大家就一起给未来的她设计一个礼物”，让学生跟着一起绘图。打开CATIA软件，选择“零件设计”模块，随即打开绘制草图命令，根据学生的意图，随意画了个图形，如图2所示。学生讨论该图形像半个翅膀、飞机、飞镖等。

2.退出草图，选中旋转体命令，随机选中轴线绘制出旋转体，如图3所示。有学生表示像音箱，建议安装语音模块，中间小圆位置安装传感器，当有人接近时播放录好的语音，设计出“具有表白功能的蓝牙音箱”。教师变换轴线，感受不同旋转轴时的图形变化，讲授回转体的相关知识。变换轴线后的作品如图4所示，分别被调侃为“老丈人的烟灰缸”“女朋友的花瓶”和“代替搓衣板的凳子”，学生学习的热情高涨。

3.练习“Ctrl+z”快捷撤销命令，撤销至图3。看到有学生在座位上晃动，调侃其坐上了“代替搓衣板的凳子”，被扎了一个洞，疼得来回晃，为大家展示其被扎后的样子。随后点击“凹槽”命令，在圆环的位置画一个圆形的凹槽，如图5所示。点击模型树上的“凹槽”命令，以“扎几厘米深”“扎到骨头”和“直接扎穿”等词的描述，形象地讲述定义凹槽时“尺寸”“直到平面”和“直到最后”等选项的区别。在草图中点击“标注”命令，进行尺寸标注。使学生在愉快的气氛中主动探索，学习模型树操作、定义凹槽和标注等功能。此外，还可以用“孔”命令绘制圆孔，由学生根据软件提示自行绘图。

4.通过“经常犯错误，被扎了好多次，怎么画图才能减少工作量？”引导学生建立出“阵列”意识。点击“圆形阵列”命令，阵列对象选择之前绘制的凹槽，选择环形平面为参考元素，实现圆形凹槽的阵列，如图6所示。随即演示“矩形阵列”的使用方法，让学生触类旁通。

5.点击“盒体”命令，选择圆环附近的曲面，完成“箱体”操作，如图7所示。该造型被学生想象为“水果篮”“烟灰缸”和“香皂盒”，该操作通过极少且不重复的命令调动了学生学习的主动性。

6.模型树中删除“盒体”命令，使其返回为图6，假设“香皂盒”棱角太锋利有可能割破手指，引导学生设计出倒圆角。点击“倒圆角”命令，选择最上端棱角，添加5mm倒圆，如图8所示。删除倒圆并添加倒角，为学生讲述倒圆和倒角的作用和区别，以及在生活中的应用。

7.点击“平面”按钮，选择“偏移平面”创建一个辅助平面，如图8所示。为学生讲授为何要做辅助面，同时讲述其他建立辅助面的方法。

8.以“用肥皂洗脸时照镜子”为例，向学生提问怎么快速绘制此类图形？部分学生根据提示在软件的工具栏中找到“镜像”命令，根据软件提示自行掌握了该命令的使用方法。点击“镜像”按钮，选择最下端的平面为“镜像平面”，绘制如图9所示，被称为“小姨子的空竹”。以上一步中绘制的平面为镜像平面，镜像后如图10所示，该图被戏称为“小舅子的溜溜球”。

9.通过与学生互动，找出该“溜溜球”设计得不合理之处是现有凹槽太浅，无法放置细绳，需要进行“环形挖槽”，引出“旋转槽”命令，使用该命令后如图11所示。

10.已经通过简单命令设计出了“空竹”和“溜溜球”的玩具，提示学生继续发散思维，最终联想出“腹肌轮”。通过引导，学生用“凸台”命令为该“溜溜球”拉伸出一端手柄，并利用“对称”命令使其成为“腹肌轮”，如图12所示。通过讨论，从草图中直接改变形状，使其直接变为“腹肌轮”，减少了绘图步骤。

11.引导学生继续发散思维，通过“腹肌轮”右侧平面进行镜像，完成“小舅子的杠铃”的设计，如图13所示。

12.“以杠铃太重，送给小舅子不方便”为切入点，讲述“缩放”和“仿射”命令，使模型按比例缩放，完成最终的三维绘图教学。

总结回顾：

通过随意绘制草图，完成“烟灰缸”“花瓶”“香皂盒”“空竹”“溜溜球”“腹肌轮”和“杠铃”等设计，通过融洽欢快的气氛引导学生应用“草图”“旋转体”“凹槽”“标注”和“圆形阵列”等16个绘图命令，学生充分融入课堂又能及时完成各项操作，高效掌握绘图技能。本案例涉及的操作命令如表1所示。

（二）创意设计：创意笔筒（图书馆造型）

为了培养学生的创新设计能力并提升绘图技能，以榆林职业技术学院图书馆为原型，进行文创产品设计，最终通过3D打印技术加工为创意笔筒，如图14所示[8]。

该作品尺寸200×85×110mm，为PLA材质，总重量110g。结构外形与榆林职业技术学院图书馆相似，为中空的镂空结构。绘制该作品时应用到“凸台”“凹槽”“倒圆”“倒角”“矩形阵列”“镜像”和“缩放”等操作命令。授课过程中教师只讲大体思路，给出图纸后由学生自行完成。完成绘图后导入切片软件，设置层高、速度和填充率等参数，导入3D打印机开始打印。打印完成后进行模型后处理，设计专用包装盒提升作品档次。

在设计中去除台阶和其他不必要细节，中间放置笔筒等物品，前端可放置优盘和橡皮等较小物品。笔筒背面预留有音乐盒机芯连接孔，放置音乐盒机芯后拧动发条即可发出音乐，如图15所示。下部空间可放置小抽屉，实现空间完美利用。笔筒将图书馆侧面的装置柱子抽象为凹槽，可放置银行卡和名片。

笔筒中间位置由于放置音乐盒占用空间，将其设计为凸台结构，其上方可定制文字内容，如图16所示，该位置可放置小夹子等物品。该笔筒可作为办公用品或工艺礼品，具有一定的市场推广价值，可在校园科技节、毕业晚会和招生宣传中广泛应用。

（三）思政作业：红歌音乐盒

为了让学生充分掌握绘图技能、提高识图能力和创新思维，给学生布置主题为红歌音乐盒的课程作业。为学生提供音乐盒机芯，鼓励其自主设计外壳并通过3D打印加工。加工好的外壳放置机芯后，拧动发条即可发出相关音乐，音乐盒机芯及其图纸如图17所示。

提供的音乐盒机芯曲目有《东方红》《我和我的祖国》和《国际歌》等，学生设计外壳时会用到一些相关元素，通过教师讲授相关背景知识，弘扬爱国主义精神，激发爱党、爱国情怀，将课程思政悄然融入其中。

四、结语

本文提出的将3D打印技术融入创新实训中并全程贯穿课程思政内容。通过实践教学，创新实训引入3D打印内容后，学生的创新能力明显提升，可自己独立设计并制作出多款3D打印作品，或为科技作品加工外壳。同时学生成立了3D打印创客社团，吸引了大量学生参加，还可为兴趣小组的学生开展培训。引入3D打印技術后，学生积极参加各级创新创业大赛、机械创新设计大赛和职业院校技能大赛，都取得了较好的成绩。所以，该教学模式能有效地发挥学生主观能动性，激发学生的创新热情和学习兴趣，从而提升教学效果。

参考文献：

[1]辛艳喜，蔡高参，胡彪，等.3D打印主要成形工艺及其应用进展[J].精密成形工程，2021，13（6）：156-164.

[2]徐巍，李翠超，凌芳.基于数字化建模的3D打印实践教学[J].实验室研究与探索，2020，39（11）：242-245.

[3]王小新，黄兆阁，温时宝.CAD-CAE及3D打印在《塑料制品设计》课程教学中的应用探索[J].高分子通报，2020（2）：54-58.

[4]张济明.中职3D打印项目课程开发研究与实践[D].广州：广东技术师范大学，2020.

[5]朱鹏.3D打印技术与机械制图教学结合创新应用的研究[J].当代教育实践与教学研究，2017（10）：181-182.

[6]赵翔.基于学生创新创业能力培养的思政管理创新[J].现代职业教育，2022，281（3）：103-105.

[7]吴国庆.3D打印成型工艺及材料[M].北京：高等教育出版社，2018：4.

[8]高波.创意笔筒[P].陕西省：CN305689523S，2020-04-07.

编辑 王亚青