3D打印触摸教具设计与研究

贺晨媛

摘 要：根据《第二期特殊教育提升计划（2017-2020年）》中的要求：“支持特殊教育学校建立特殊教育资源中心”，全国特殊学校、接纳盲童的普通学校都需要更多形式、种类丰富的无障碍教具，触摸教具的市场潜力巨大。结合盲人实际教学需求，采用3D打印技术进行触摸教具的研究是必要且有实际应用价值的，本次研究着重在于需求分析、建模设计、打印成型等方面的探索与实践。

关键词：信息;设计;聋人教育

一、研究背景

据调查，目前关于盲教育存在着教学资源不够丰富、同质化严重、实用性不强的现象，特殊教育资源需求缺口大并且急需精细化开发。根据浙江特殊教育职业学院的盲人推拿专业教师、盲人学生的反馈，盲人儿童及成年人的信息接收主要靠盲文出版物、有声读物、电子图书来获取，但在实际教学中依然缺少个性化定制的教具。市场上现有的触摸感知教具则多为积木、微浮雕地图等，大小、尺寸受限制，不能根据盲教育师生的需求灵活定制，在盲教育中影响教师传递精细的知识。

随着3D打印技术的发展，应用于文物建筑修复、医疗、航空航天、制造业等领域的现象也正在普及，也可以作用在盲教具的定制。3D打印由三维建模、打印材料、打印参数管理、后处理工艺、3D扫描、逆向建模等方面的技术组成，三维建模方便完全可以满足各类盲教具的设计，并通过3D打印机打印成模具。

據走访的大型3D打印公司来看，如先临三维科技股份有限公司，承接的主要为建筑、机械类模型的打印，但对于小型、内容灵活的模型订单，属于按需求定制但是流程比较复杂，成本较高;小型的3D打印定制工作室，如“张飞打印”，多为小型礼品、器皿，不熟悉盲文，也没有提供音频结合的教具定制服务。

市场上现有的触摸感知教具则多为积木、微浮雕地图等，大小、尺寸受限制，并且不能与声音、盲文有机的结合成一个整体，不能根据盲教育师生的需求灵活定制，在盲教育中影响教师传递精细的知识。因特殊教育的行业需求以及社会上对盲教具设计的关注较少，熟悉盲人需求和熟悉盲教育内容、能灵活根据盲教育的需求设计、定制教具的组织机构较少。

二、设计与研究过程

根据现今盲人推拿与按摩专业中的教学需求，针对人体结构中的血管、血栓等精细的位置的变化过程，需要触摸实物教具进行感知，模具的设计需要以下流程：

（一）模型设计阶段

在设计教具的模型草图时，要根据教学内容对难点部位进行图像化，一个动态变化可按四个步骤进行绘制，后期可以每个步骤单独建模。考虑到盲人的触摸感知时，不能识别平滑教具中每个区域、细节，所以要对模型的部位分组、分区，特别是需要对每一部位进行纹理区分，纹理设计需要考虑后期建模和打印是否清晰的呈现出细节，用不同的颗粒、肌理来表现。比如大颗粒和小颗粒结合、同一部位、不同变化过程可以用不同宽度的同一类颗粒表示;不同部位的纹理可以用不同的颗粒表现。

分开的模型草图绘制完毕后，还应考虑模型之间的排列组合、收纳形式，设计的便于收纳，并且从排列上也能通过触摸识别从哪边的模型开始。模型的排列设计上需要根据盲人触摸惯用的方向来定，经与盲人的沟通得知，盲人触摸和人眼看书的顺序一样是从左往后，所以模型的排列设计也从左开始。每个模型之间需要串联，否则容易因多人触摸，在混乱中掉落。串联可以与底座的设计相结合，用一根扁平带子串联起四个模型。

考虑到盲人教学中，针对教具需要具备触摸发声的功能，在底座内要考虑触摸发声装置的配备，以及触摸感应芯片的嵌入还有每个模具上需要盲文标号。在底座的设计中要有盲文的位置、嵌入芯片的位置以及底座要有凹槽可放入装置的空间。这些都需要建模时根据设备装置确定底座的尺寸、凹槽厚度等。

（二）3D建模研究

3D建模的软件有很多，本次研究使用3DMAX建模，并输出.stl和.obj格式文件用于后期打印。在草图设计中，整体模型的动态变化过程分解成4个逐渐变化的模型，此阶段需要分开建模，并注意每个模型的大小、轮廓保持局部一致，从外形上能体现是同一个模型。建模的重点是表面颗粒的区分，主要用线形、圆球形对大的块面进行区分、针对重点讲解部位的颗粒凹凸的高等、密度也有相应的区别。其次是立体盲文的大小、间距、位置，因每个模型都需要标上盲文数字代表序列，盲文的颗粒间距可按国际标准参赛确定，但序号和数字之间的间距要大于数字本身的盲文间距，才能区分序号和数字。

在模型的底座建模时，要多次修改模型底座的凹槽厚度和表面开孔大小，来确定触摸感应器的放置位置。在对每一个模型的感应芯片的数量研究中，因配合教师的讲授，在集体授课环境下，每一个模型不需要多个触摸发声的部位，以免引起多个学生触摸时教室里声音太乱、太杂，发声的音量也不需要太大。

（三）触摸发声装置及打印后处理研究

因模具上需要简短的解说语音，在这方面采用米思奇编程和电子组件配套完成。在对嵌入触摸芯片的位置和电路的位置的设计中需要考虑模型大小、面积，进行调整。根据盲人触摸的习惯和认知特效，芯片放置在模型上，会破坏轮廓外观的整体性，不利于盲人以外的观众学习，限制了受众面，所以芯片要放置在盲文旁边比较合适。模型下面的底座包含了电路装置，不能线路过长，因模型面积有限，也不能放置太多零件。

现今3D打印材料种类丰富，很多材料都适合用于触摸教具，如工程塑料PLA、ABS;柔性材料TPE、TPU;木质感材料、金属质感材料、碳纤维等。因触摸教具需要一定硬度，不需要透明或特别的视觉质感，用可降解的PLA材料就可以实现触摸教具的硬度和密度，而且PLA材料无毒，冷却收缩程度小，普遍适用于教学或家庭使用。

在打印后处理方便，考虑到盲人实际使用时不需要很多色彩外观，但触摸教具也需要一定的普及性，按部位分解均匀涂上不同的色彩，也可用于各类青少年益智类科普机构。在涂色时需手工上色，并注意色彩过渡边界清晰，色彩组合可灵活多变。

（四）外观拓展设计

在完成针对盲人教学的3D打印触摸教具设计后，还应考虑正常观众的视觉感受，在色调上应进行美化，以及对各区域进行区分。采用后处理工艺中的手工涂色可适用于少量的、个别化的教学需求，但限制了后期批量化生产的需求，在拓展设计时要考虑批量生产的难度。3D打印技术制造的触摸教具，更多的属性是作为样品测试、为批量化生产做准备。在面对盲人学生、普通观众时，外观的拓展设计就要从配色和材质上美化，使之具有一定的美感。在此次研究的模型中，外观要呈现逐步变化的过程，保证一眼看到是同一个物体的不同状态，所以设计主体时可选一个色系，用深浅的变化来代表逐步变化的状态。

在对嵌入的盲文设计中，要研究盲文是否需要醒目突出的展示。在对教具使用者—专任教师的走访中了解，盲文因自身具有一定的凸凹感，已经能引起盲人的注意，不需要额外的色彩区分;因为盲文并不普及，正常观众的注意力也应放在教具本身而不是盲文的色彩、外形上。要讓盲文与教具整体和谐、融为一体，与模具相同色调即可。

（五）教学与市场化的应用研究

在对盲人的教学场景中，教具的作用是将难以理解的教学内容具象化、并且让盲人学生通过触摸这组教具理解抽象理论。教师在组织学生使用教具时，要对整个环节进行设计，是在讲授中人手一份的探索、发现还是集中排队触摸、讨论？这些都涉及到教具的数量分配。作为定制设计的3D打印教具，可以根据教学内容、教学难点不断的设计、制作出新的触摸教具，但要将这些教具应用、推广到更大的市场，让更多的盲生或正常学生使用，则需要工厂加工以及推广销售环节。这中间缺少最重要的一环，就是相应的研发、销售机构。目前并没有专门服务盲教育的3D打印机构，出品盲人教具的机构也鲜有3D模型设计和3D打印平台的技术团队。所以，拥有盲教育的特殊教育院校能作为主体，与社会相关机构组建一个拥有3D模型设计、3D打印、成品推广的团队，就能弥补教学与市场化应用的空缺，形成一个集研发、推广、销售的产业链，既丰富了盲教育的教学模式，也为大众科普了相关医学知识，能对成果进行最大化的合理利用。

三、总结与展望

本次研究与设计的触摸教具具有以下特点：

（一）多维立体：以将书本重点知识内容用三维模型触觉教具的形式再现，并根据盲人的需求加上盲文和解说音频，进行形象、声音、盲文的融合，综合地展示了教学内容的难点，具像直观，易于盲人触摸和理解。

（二）注重体验感：安排盲人大学生体验触摸教具，从实际需求出发对设计细节进行修改，真正做到以用户为中心的研发设计，在修改中熟悉盲人的触摸习惯、盲文的密度、大小等。

（三）具有兼容性：触摸教具类产品本身属于无障碍设计，开发的产品即可用作盲人群体，也可以作为正常的儿童青少年以及自闭症、智力障碍儿童等多类群体启智使用，适用于实物教学的各类学生。

（四）可延伸性：此次研究丰富了盲人教具中关于3D打印触摸教具的内容，并且积累了一定经验后，可根据不同的内容继续拓展一系列的教具教辅产品，满足盲人教育中教学内容多样化的需求。

随着3D打印技术的普及、打印设备的升级，未来将出现更多个性化的3D定制服务机构，3D打印产品也更加精细化，在此阶段就需要更多的3D定制机构着眼于对社会各类人群的人文关怀，特别是将此技术流程与各类特殊教育院校进行对接，以课题形式或社会服务性质进行合作去开发适用于盲人的教辅用品“特供版”，满足特殊教育人群的教育需要，也可在外观材质上进行提升和美化进阶为“科普版”，满足广大青少年启智、科普需要，让3D打印技术真正的走进普通大众的生活。

参考文献

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[3] 臧小鹿，李庆君.3D打印技术与计算机辅助设计[J].科技创新与应用，2020（14），82-83.