基于3D打印技术的创客实践研究

摘 要：3D打印技术作为新的工艺制造方式，已经融入现代社会的生产生活当中，其与数字建模技术结合能制作出各种各样的复杂模型。文章主要通过在艺术设计专业的3D MAX软件教学过程中，结合专业教学特点，将制作的数字模型利用3D打印技术完成从模型到实体的转换，完成小挂件的设计、制作到成品的完整过程，激发学生的创新思维，将创客实践教育与专业课程相结合，进行创客实践教育的探索研究。

关键词：3D MAX;3D打印;创客实践

注：本文系2016年湖南省教育厅科学研究项目“基于3D打印技术的高职艺术设计创客实践研究”（16C0424）研究成果之一;2016年湖南省职业院校教育教学改革研究项目“‘双创背景下的高职建筑室内设计创客式教学改革研究”（ZJGB2016154）研究成果之一。

一、创客教育与3D打印技术的发展概况

我国对培养社会主义建设人才提出了确切的要求，即培养创新型人才。《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》提到，教育主要是培养具有创新能力和创新精神的复合型人才[1]。创新教育是指：“依据社会主义现代化发展对人的要求，有目的地培养青少年学生的创新精神、创新能力和创新人格的教育。”[2]而创客教育的相关教育理念能够促进创新教育水平的提升，在具体的专业课程教学实施过程中将创客思维融入到课堂教学，可以增强学生的创新意识。我国的创客教育兴起时间比较晚，但教育信息化的快速推进让创客教育也随之快速发展。尤其是2015年李克强总理在两会的政府工作报告中提到“创客”一词后，创客教育迅速影响到了社会的各个领域，从高校到中小学都兴起了前所未有的创客实践活动[3]。很多学校将创客教育融入课堂教学，开展创客教育。

3D 打印是新兴的快速成型技术，它将制作的数字模型使用各类金属、塑料等粉末打印材料，通过分层打印烧结方式制作物体。3D 打印将以往个性化定制难以完成的关键技术成本等降到了最低，让人们能够利用创客空间借助互联网进行协同创新，使用3D打印机完成个人产品的创意与制作[4]。对于创客来说，3D打印技术是使创意快速成型并创新应用的保障。

二、利用3D打印技术培养学生创新思维

3D打印技术的前提是需要制作出数字模型，3D MAX是众多数字模型制作软件之一，而3D MAX软件课程在艺术设计专业或建筑设计大类专业中基本都有开设。例如环境艺术设计、动漫、室内设计、工业设计等专业都会应用到3D MAX或者3D其他软件。这就为3D打印的创客实践活动提供了很好的软件基础。在目前高职院校3D MAX课堂教学中存在一些问题，即大部分的教学主要是根据教材或教程完成模型的制作，缺乏创新思维的培养;在基础教学中学生无法看到实物，学习兴趣会慢慢缺乏，从而对本门课程学习兴趣降低。因此，将3D打印融入课堂教学，在基础教学中将学生做好的数字模型通过3D打印的方式呈现出来，能极大激发学生兴趣。

三、以3D MAX基础教学为例的3D打印技术的创客实践

要利用3D打印技术的特性来培养学生的创新精神开展创客实践教育，就需要了解3D打印技术的特点。要将做好的数字模型利用3D打印的方式将实物打印出来需要分为4步，分别是数字模型建立、模型检测转换、打印成型、后期打磨上色加工。3D MAX软件是一个综合性能很强的软件，能够在游戏、动画、电影、建筑、工业设计等领域应用。它是Discreet公司基于PC系统开发的三维软件，是世界上最早应用于电脑动画及工业三维制作的软件之一[5]。3D MAX的应用十分广泛，它的强大功能可以满足3D打印的普通数字建模工作。以艺术设计类专业日常教学中的3D MAX基础建模命令的学习课程为例，进行板凳的建模工作，之后使用3D打印技术完成板凳实体模型的制作。建模过程对于初学者来说并不复杂，所使用到的命令也仅为基础几何体建模命令，本案例的选择也能够满足初学者学习3D MAX软件的需求。同时利用3D打印技术进行创客教育实践，实现学习与创新的转化。现有打印设备和技术不能够打印出带有3D材质贴图和纹理色彩信息的作品，因此，在3D MAX建模过程中不需要模型的材质贴图的制作以及架设灯光等工作，因此3D MAX的基础建模教学适合完成从建模到3D打印的实体转换，从而实现最初的创客实践教育。

利用3D MAX基础命令教学，创建板凳模型，最终制作3D打印吊坠。

选择板凳作为基础案例主要是因为3D MAX建模最容易入门的是几何体建模，能够充分激发学生的学习兴趣，能够让学生享受学习带来的乐趣的同时初步了解3D打印的基本知识。让学生通过3D打印看到自己的第一件由模型转化为实物的作品，初步对其灌输创客思维。

首先，几何体板凳模型的创建。在创建板凳模型之前，需要确认最终打印尺寸，因为在日常教学过程中一般会根据现实生活中的实物大小进行创建与制作。将现实生活中的板凳缩小，可使得最后打印出来的板凳模型吊坠小巧可爱，并且能够使得3D打印的速度和效率、材质损耗达到一个平衡。因此在模型制作前期需要同学们对3D打印的价格和特点等进行全面收集和掌握，确保最终能够打印出精美漂亮的板凳吊坠作品。根据市面上的不同板凳的实际大小，学生最终选择了25cm×30cm×45cm这个尺寸。因这个尺寸与教室和机房的板凳接近，制作过程中有参考对象，制作完成后有纪念价值。模型使用3D MAX的基础几何体命令建成。在建模过程中，按照实际模型大小进行比例的确定，根据板凳大小，最终确定以10∶1的比例进行创建，在创建的过程中要注意软件的单位设置，这样做出的模型会更加精确。最终确定模型高度为2.5cm×3cm×4.5cm。建模完成后需对完成的模型进行检测。

其次，利用3D打印技术完成实物模型制作。学生使用3D MAX的基础命令完成板凳建模工作，3D打印的数字模型基本制作完成。市场主流的FDM 3D打印机能够识别STL格式，不能直接支持3D MAX文件，因此我们需要将做好的3D MAX板凳模型文件转化成STL格式文件进行保存。然后利用KISSlicer软件进行切片打印，最终完成板凳模型的打印制作。打印完成后将打印好的模型与平台分离取出，会发现模型上还附着很多支撑结构，需要对打印好的模型进行后期的处理和修饰。支撑结构主要和模型的造型有关，主要是为了防止模型的悬空部分在打印过程中坍塌。支撑结构会影响到成品的美感，其与底部网格结构都是用于保护打印模型，在打印完成后需要将其去除。通过使用美工刀、剪刀、钳子等工具将附着在模型本体上的支撑结构去除，然后使用砂纸等打磨工具进行精细打磨。在去除支撑结构的过程中需要注意保护板凳模型，由于板凳实物凳角等部分本身就尺寸很小，缩小打印后，凳脚部分会变得很细，这会让拆除支撑物过程变得艰难。为了解决这一问题，可以在制作模型过程中适当夸大凳脚尺寸，在分离凳脚内部空间时需要操作者耐心细致，不要造成凳脚断裂。在完成支撑物的修剪后，初步完成板凳的打印，但是模型还是会有残留和毛边，需要使用砂纸进行打磨使模型整体看起来精细。打磨完成后，可以对模型进行抹灰喷漆使其更加美观。最后安装金属环做成吊坠，完成整个作品。

四、结语

笔者尝试将创客教育融入到高职艺术专业的专业课堂教学中，用创客思维指导专业课堂教学，让学生成为学习的主体，要求学生主动学习、主动探索和架设知识框架，让学生由被动地学习变为主动去学，提升其创新意识和实践能力。让学生养成创新、合作、实践、分享的习惯。本文在創客理念的指导下以3D打印技术为技术支持，结合3D MAX专业课程教学，进行创客实践的研究探索，将创客教育融入到课堂教学中，鼓励学生将自己制作的3D模型通过3D打印的方式以实物呈现出来，让高职艺术设计类专业的教育能够借助3D打印的技术优势，探索创客教育实践路径。通过本次板凳模型的制作，让学生在掌握3D MAX建模技能的同时，对3D打印技术也有更深刻的认识，从而带来思维上的突破，逐步培养其创新创意设计思维。让学生自己动手从3D打印技术中挖掘和探索自我的创新意识和实践动手能力，摆脱传统教学学生难主动动手、主动思考的困境。

参考文献：

[1]杨现民，李冀红.创客教育的价值潜能及其争议[J].现代远程教育研究，2015（2）：23-34.

[2]薛惠芝，李培亮.论创新教育和创新人才的培养[J].中国成人教育，2003（4）：31-32.

[3]王健潼.中学3D打印创客课程开发及实践研究[D].沈阳大学，2018.

[4]李彦生，尚奕彤，袁艳萍，等.3D打印技术中的数据文件格式[J].北京工业大学学报，2016（7）：56-57.

[5]付晓.浅谈中学美术教学审美教育的重要性[J].中国校外教育（上旬刊），2017（11）：162.

作者简介：

詹松，湖南工程职业技术学院副教授。研究方向：室内设计、环境艺术设计、职业教育。