创客时代3D打印技术在高职创意电子课程中的应用研究

2017-10-20苏州健雄职业技术学院电气工程学院施纪红

河北农机 2017年10期

苏州健雄职业技术学院电气工程学院施纪红

苏州健雄职业技术学院电气工程学院施纪红

针对电子产品设计与制造的特点和要求，将3D打印技术引入专业选修课《创意电子产品的设计与制作》的教学和实践活动中，配合课内教学体系，设置了“初-中-高”三层次课外创新制作项目，采用基于翻转课堂理念的混合式教学方法，激发了学生的学习兴趣，提高了学生自主学习能力，加强了学生的创新能力和动手能力，取得了良好教学效果。

3D打印技术；创意电子；创客教育

1 背景

2014年9月李克强总理首次提出“大众创业、万众创新”的号召；2016年6月，教育部印发《教育信息化“十三五”规划》，提出有条件的地区要积极探索信息技术在“众创空间”、跨学科学习、创客教育等新的教育模式中的应用。由创客运动引发的创客教育热潮，正式进入国家层面的教育发展规范。

“创客”(Maker)，是指那些出于自身兴趣与爱好，努力把各种创意转变为现实的人，他们注重在实践中学习新知识、新技能，强调创意思维、创造能力和创业精神的结合；而创客教育就是以3D打印、互联网等新兴科技为基础，以创客空间重构主要学习环境，以创造性实践活动为主要学习过程，在实践过程中学习各种学科以及跨学科知识，培养学生创新精神和动手实践能力的教育，这也是当代高职教育的目标。

2 3D打印技术对电子产品设计课程的影响

3D打印技术是创客教育的一个重要技术基础。3D打印技术是快速成型技术的一种，是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[1]。这种技术能够将电脑里的虚拟3D数字模型快速地打印出3D实物。桌面3D打印机的普及，让个性化的零部件与外观的快速制作成为可能。

3D打印技术对电子产品设计课程的影响非常巨大。第一，制作个性化的外观成为可能。在以往的课程中师生关注点主要是电子线路功能的设计与测试。课程成果永远是一个外观基本一样的电子线路板类型的半成品。在这个颜值当道的年代，除了内在的功能，学生更加希望有不同的外观展示自己的个性与创造力。独特外观的设计是学生自我个性的展现，可以更好地激发学生的设计欲望和动力。使用3D打印技术后可以不考虑传统开模方法的成本，快速经济地制作出样品的外观。第二，跳出专业限制，从制造者、使用者角度去考虑一个产品的设计。一个真实的产品不能仅考虑电子功能的简单实现，还需考虑电子部件和机械部件的配合、电路板和外观的配合、产品材料对电子功能的影响、制造者的可装配性、使用者的方便性等等。3D打印技术可以迅速、直接地加工出样品的关键零部件，进而进行预组装、可装配性测试、可使用性测试。利用高级金属3D打印机制作的零部件组装的电子产品还可以进行散热测试、电磁兼容测试及其他电气性能的测试[2]。

3 3D打印技术在课外选修课《创意电子产品的设计与制作》中的应用

3.1 课程的前身

本课程的前身是《电子产品的设计与制作》，教师和学生的关注点是产品功能的实现，注重电子线路的设计能力和焊接组装技巧的培养。课程中制作出的一块块线路板，由于零件外露、线头凌乱，很容易损坏，不能真正投入到生活中使用，而且这个几乎一模一样的电子半成品不能有效地展示学生的成果和个性，所以在测试完成后就被学生扔进了垃圾回收箱。

回顾电子类学生的专业课程体系，基本不涉及审美、造型、创意和材料的应用，所以我们培养的学生能够实现规定的电子电气功能，但是有时却缺少乐趣、创意和审美。如果我们能将3D打印技术引入课程，将使单调的电子电路板设计变成真正的电子产品设计，这不仅能够激发学生的设计、创作热情，还能有效地帮助学生逐渐发现产品设计过程中除了线路板外还需要考虑的更多实际问题，并想方设法采用合理化的措施进行补救改正。

3.2 《创意电子产品的设计与制作》课程的实践教学框架

由于专业课程体系设置的限制，《创意电子产品的设计与制作》作为课外专业选修课分三个学期开设，每学期32学时。配合学生课内课程的学习，本课程分成初级、中级、高级三个层次，分别要求学生具有一定电工电子技术基础、掌握一定单片机技术、熟悉嵌入式系统构建方法等。课程的设置框架如表1，课程项目的选择均和课内学习课题相关，具有一定的巩固和拓展性。以初级课程为例，设计了4个项目。这4个项目分别配合课程OTL功率放大电路（创意小音箱）、反射式的红外报警电路（创意阳台报警器）、声控延时电路（创意小夜灯），脉宽调制电路(创意台灯)进行拓展应用。这四个电路配上个性化的外壳，就变成了一个真正的电子产品，而不再是一个DIY的电子小制作了。同时在中高级课程中设计了自我创意项目，鼓励学生发挥创意创造作品。该课程采用基于翻转课堂理念的混合式教学方法，强调对学生自主学习能力、动手实践能力、团队合作能力的培养。教师提出功能要求，推荐经典的实现方案；学生以小组方式，分工合作。组内部分同学根据推荐自主查找资料、设计电子线路板、刻板焊接、实现规定的功能；部分同学负责创意设计作品的3D数字外观，打印3D实物、配合线路板进行修模装配；最终通过磨合形成个性化的作品。在一个个项目的完成中，学生不仅要完成电子功能的设计，还需要进行外形、颜色、材质的选择与设计，最终通过3D打印机将电子产品的功能与外观结合起来，使作品变成一个真正可以使用的电子产品，这个过程极大地激发了学生的学习热情和创造力[3]。