珠宝专业创客教育与创新人才培养——以3D打印设计生产一体化首饰为例

李 妍，滕 颖，李星枰，郝 亮

(1.中国地质大学珠宝学院，湖北 武汉 430074; 2.湖北省珠宝工程技术研究中心, 湖北 武汉 430074)

创客的说法来自英文单词“Maker”，是指在个人喜好的基础上，通过实践呈现其创意与构思的人。创客教育集以创意为本的创客文化与现代的教育理念于一体，是在学生个人喜好的基础上，以完成某种创作的学习方式，借助较为先进的数字化教学工具，提倡创意的实践，倡导创作过程的分享，使学生具备跨学科、跨领域解决问题的能力，增强学生团结协作能力和创新能力的一种新型素质教育。几个核心要素：(1)提倡以先进的教学工具作为创客教育的基础；(2)使学生养成动手实践的习惯，学会发现问题、反思并解决问题；(3)通过完成特定创作的学习方式，将现实的作品或产品作为学习成果。3D打印是比较常见的创客教育工具和形式，简单来说，创客教育就是通过提倡学生创新创造，在创造的过程中使用先进的数字化教学工具(例如计算机建模、3D打印、小型数字化机床等)，培养学生创作环节中的实干能力，让学生们在不断地实践探索中将自己的创意具象化，使其具备独立自主的创造性思维与主动解决问题的综合能力的一种教育方式[1]。

随着3D打印技术在首饰行业的普及，3D打印首饰的风格与种类变得越来越多元化，首饰的设计思路也变得越来越开阔。因此，将3D打印及创客教育融入首饰设计课程对于培养创新型人才是一件非常有意义的事情。3D打印对于珠宝首饰的柔性结构而言是一种非常有利的制造方式，因为它仅需设计出活动的三维结构模型，便可复制生成柔性结构首饰并直接打印出来。本文在创客教育的背景下，引导学生进行3D打印的柔性结构创新与探索，最终取得了较好的教学结果。现有的金属柔性结构的首饰设计大同小异，设计风格与表现形式也较为单一，在本次教学的学生作品中,柔性结构设计款式新颖独特，具有设计张力，从风格与设计思路上与已有的3D打印柔性结构首饰有所区别。本文提到的柔性结构原型来自湖北省珠宝工程技术研究中心的专利设计。

1 创客教育与创新人才培养

1.1 创新对教育和人才培养的影响

创新的影响力在使得科学技术与经济市场焕然一新之后，开始辐射到整个社会及文化层面。随着新技术的不断涌现，科技与文化不断的交融与碰撞，新的交流空间也应运而生，形成了各类跨越时空、鼓励创新、分享成果的平台。在国家大力推动创新的时代背景下，培养跨领域型人才是全社会的共同目标，跨学科和跨领域的教学方法和研究方法逐渐扩展到各个领域。如何实现不同学科与领域之间的相互融合，真正实现各学科领域的有机结合一直是探讨的重点。发展势头迅猛的创新活动为在校学生、教育工作者、创业者们提供了多学科、多领域交流的空间，以及综合高效的创新创意实践方法。各种创新活动不仅从全方位的视角推动了跨学科的教学研究工作，也让教育工作者们重新思考理论知识与实践能力的结合方式，不断加强对学生进行创新和实践训练的新型教育模式[2]。

1.2 创客教育面临的难题

“中国制造2025”战略需求明确了建设制造强国目标，增材制造可能颠覆传统珠宝首饰行业的生产加工模式，不仅大大提高生产力，而且能解决很多传统工艺不能实现的结构、材质和工艺等问题，同时产品的变革无疑也将给市场带来更多的活力。但是新兴技术的产业化应用涉及到交叉学科范畴，涉及到材料、设计、制造和标准制定等众多技术领域。构建跨学科研究平台对于促进技术的交叉融合，进行资源共享，提高研究效率，对实现新技术的快速社会化服务是不可或缺的。

传统的艺术设计类专业教学实践中有许多问题亟待解决，如学生所掌握的知识技能较为片面，对前沿技术的研究与探索仍不够及时与全面；由于专业领域和教学内容的限制，对于跨学科知识技能的横向研究能力不足，很难实现真正的跨学科研究。现有的教学模式限制了学生对有发展潜力的创新项目进一步探索，学生的创作在正式投入企业生产的过程中缺乏相关平台的支持。尽快建设跨学科的研究平台，构建新时代的艺术设计领域复合型人才的培养模式，真正实现具有前瞻性的艺术设计专业教育方式是一个巨大的挑战。

1.3 创客教育与3D打印首饰的结合

创新趋势与创造实践将在首饰3D打印中得到很好的体现，新兴技术促进了“个性化制造”的革命，带动了消费者们向着自主设计与制作的方向发展。拓展式的设计思维对文化创意类产品的设计产生了潜移默化的影响，从创新实验室的开发和以客户需求为导向等创意诞生开始，到运用3D打印等快速成型等技术的生产过程，再到线下体验、电子商务及其他新型营销模式等销售环节，这一连串的创新实践正逐渐改变着整个首饰行业，实现了创新创意与产业化的衔接。社会生产的创新理念，也会使学生对创新的认知产生深刻的影响[3]。

艺术设计类专业在创客教育中有巨大的发展空间，创客教育在对社会发展所需的创新型、跨领域型人才的培养和提高国家的文化创新水平中发挥着极大的作用。创客不仅仅需要进课堂，也需要将创客的科技艺术成果在行业中进行孵化，以案例的方式推进。艺术设计专业的创客培养着重在于如何养成学生的创新人格，如何建成创新课程的相关体系，如何利用集合各方资源的第二课堂，推动创客教育在珠宝学院艺术设计专业茁壮成长，促进各种创新创意在珠宝行业不断涌现。

由此可见，将创客思维运用到艺术设计专业的教学实践中是必然的。将创客思维模式运用到首饰设计专业教学中，根据首饰的风格，指引学生从不同角度与层面思考问题，本文中笔者团队基于产学研合作项目“贵金属3D打印在高端珠宝首饰定制中的应用研究”开展的创客式设计及制作，记录了从金属柔性活动结构中获得的灵感，并通过贵金属3D打印设计并制作的《川·流》《HONEY》等系列首饰[4-5]。

2 创客教育下的3D打印首饰设计前期调研及实践

2. 1 前期调研：3D打印首饰与柔性结构

3D打印作为一种增材制造技术，能够便捷地创造复杂精巧的首饰，近年来3D打印珠宝首饰的国内外关注度也不断上升。国内研究主要集中在：(1)对异形珠宝的设计和镶嵌，如异形珍珠[6]、异形琥珀[7]等；(2)对金属柔性结构及活动结构的探索，如球套结构[8]、百叶窗结构[9]等。国外的研究中除了首饰结构的研究外，对多种材料打印的珠宝首饰用途研究也较多。荷兰设计师Elleke Van Gorsel在首饰设计中运用了3D打印陶瓷，使陶瓷变得灵动轻巧。英国伯明翰城市大学珠宝设计专业也通过3D打印实现了三色金属手链的快速增材制造，在多种金属的3D打印方面取得了突破。

随着首饰制作技术的进步，越来越多的首饰生产环节需要3D打印技术的支持，所运用的材料也不再单一，3D打印首饰风格愈加多样。金属柔性结构是通过其部分或全部具有柔性的构件变形而产生位移、传动力的机械结构，多由活动单元格构成，其设计是近年来学界广泛关注的问题，它不仅在首饰设计方面给设计师带来了巨大的创新空间，同时由于其卓越的产品性能受到了航空航天和智能穿戴行业的关注。目前3D打印的金属柔性结构多数采用选择性激光熔融(Selective Laser Melting，SLM)技术制造，无论从打印的成功率还是结构的牢固性方面来说都比传统工艺有了很大改进。NASA[10]在2017年提出了一种由细小金属组成的类似锁子甲的柔性金属结构，能够在太空中进行有效的热管理。孙乐葳等[11]研究了支撑结构设计与活动性结构间的关系，探索出隐藏结构及立体多层三维结构，使打印物件减少了支撑结构和损耗。笔者在过去的实践中也成功探索出活动鱼鳞结构和活动镶钻结构[12]。现有的金属柔性结构的首饰外观大多较为呆板，研究更多地集中在结构本身而忽略了整体造型的艺术性。

对3D打印金属柔性结构的首饰创作进行多方面可能性的探索，需要采用实验法从已有的设计作品及实验操作中分析结构的优势与可改进部分，通过设计上的改进与实验室打印实践相结合，完成从理念构想到图纸设计再到实验分析、成品制作的一系列工作。本文中案例的主要研究方向在于尝试运用柔性结构进行不同风格的首饰设计，例如3D打印柔性结构首饰作品与近年来颇为流行的“颤动的钻石”等款式[13-15]。

在已有的研究基础上，进行柔性结构新的表现形式的探索如图1中的方格状、鱼鳞状的柔性结构，并将其运用到首饰设计中，产生了不同以往的感官效果：视觉上的灵动活泼与触感上的柔软坚韧。在实践过程中找到了较为适合柔性结构的镶口形状与尺寸，通过参数调整在一定程度上解决了结构的灵活性与牢固度之间的矛盾，柔性结构的灵活性方面还有进步的空间。

图1 “云之梦”耳饰(a),“踏浪”系列首饰(b)及柔性结构单元(c)Fig.1 Dream of Clouds earring (a), Wave Treading jewelry series (b) and flexible structure cell (c)

2.2 创客教育下3D打印首饰设计实践

2.2.1 概念风格——川·流

川，本义是指河流。从象形文字的角度来看“川”字像是流水形，两边是岸，水流于其中。 河流千变万化，其表面的水纹也姿态万千，无论是江河流水的波纹状态还是湖面上的涟漪，都给人活泼而亲切的感觉，具有向四周延伸的视觉张力。此系列作品以水纹为主要设计元素，借“川”字之形，描绘一幅流水潺潺、川流不息的场景。水纹有一种流动而柔和的美感，在以往的水纹元素首饰设计中很少有将这种动态的美感展现出来的，3D打印柔性结构可以更好的展现水纹的流动性，呈现出与众不同的动态美。

在进行首饰设计教学时，学生常采用小组讨论的方式对设计提出意见或建议，这在创客式教育中是非常关键的一环，此过程可以培养学生对设计方案反思与修改的能力,开拓设计思路。“川·流”系列首饰将金属3D打印柔性结构与水纹元素首饰设计相结合，以自然形态作为柔性结构的单元形状，不同单元之间形状多变，所呈现出的水纹形态各异，有凸起和凹陷，有纹路和镂空，其间点缀锆石，展现波光粼粼的美感，彩色滴胶填充镂空部位呈现出类似透胎珐琅的效果，不同材质的组合使首饰的视觉效果更加活泼生动，改变以往3D打印柔性结构首饰的单调和水纹元素的僵硬死板设计。

建模过程中在镶钻的位置没有设置镶爪，而是采用起钉镶方式降低抛光难度，在背面也留有透光的小孔，使镶石部分更加闪亮。为了整体减重，除了正面可见的镂空之外，还将突起单元的背面做了镂空处理。成品制作的原材料是银粉，打印设备是SISMA，运用的是选择性激光烧结技术，学生在制作过程中便是运用该设备将首饰打印成型，创客教育重视的动手实践能力也在这次首饰制作中得到了很好的锻炼。

在这一创客教育实践案例中，随着学生对3D打印金属柔性结构相关研究的深入，对于3D打印后期处理方式了解较少的问题也凸显出来，特别是关于金属表面处理方式的知识技能较生疏，对较为新颖的表面处理方式的研究与探索不够全面。3D打印金属的结构特点常会造成的砂眼问题，首饰设计专业的学生对此的解决方法大多局限于抛光后做电镀或喷砂。这时就需要发挥创客式教育的优势，在实践过程中引导学生从其他的表面处理方式入手，例如根据砂眼的严重程度，选择表面金属漆的喷涂、烧珐琅或冷珐琅的填补等。这样的教学既可使学生做到首饰的表面效果与其设计风格相吻合，同时提高学生的自主创新能力。此外，除了执模、抛光、焊接和电镀等常规后期处理工序外，学生在表面处理上还进行了一定的创新，例如，采用具有金属幻彩效果的魔镜粉，使金属表面呈现出如同钛金属首饰般的绚丽效果，既安全环保又解决了钛金属分色电镀困难的问题，也为今后的首饰表面处理提供了新思路。最终效果如图2的实物图所示。

图2 水纹元素素材图(a)及“川·流”系列作品实物展示(b)Fig.2 Water ripples elements (a) and Chuan Liu jewelry series (b)

2.2.2 轻奢风格——HONEY

发散性思维在艺术类学生的创客式教育中也是值得重视的环节，通过对不同的创作元素进行联想和想象，有助于学生在一些常见的创作题材进行表现形式的创新。“HONEY”系列作品的创作灵感源于近几年的畅销款首饰“灵动”系列钻石吊坠“颤动的钻石”。

结合金属柔性结构灵巧、精细等特点，考虑将其与“灵动”结构相结合进行改进。根据灵动、跳跃、闪耀等关键词，联想到了星光、翅膀等有关画面，最后选择了蜂巢作为设计元素。在造型设计上以蜂巢和蜜蜂为主要设计元素，表现甜蜜的主题。将蜂巢的集合六边形作为框架，结合“3D打印活动结构”排列组合形成规律秩序的满载蜂蜜的蜂巢。提取蜜蜂快速抖动的翅膀，用几何形组合形成跃动的翅膀(图3)。

图3 蜜蜂与蜂巢素材图(a)及“HONEY”系列首饰设计效果图(b)Fig.3 Images of bees and hives (a) and HONEY jewelry series design rendering (b)

将聚满蜂蜜的蜂巢结合简约的珠宝结构设计，使跃动的黄色宝石如同满满的蜂蜜随之涌动，又像是辛勤采蜜归家的小蜜蜂在整理蜂蜜。小巧跃动的结构展示蜂蜜、蜂巢、勤劳的蜜蜂形态，寓意辛勤劳作、沉甸甸的收获、甜蜜的幸福。

学生的创意主要体现在对“颤动”效果的实现上，建模过程中对现有的柔性结构组合方式进行了修改，单元格基础模型为可晃动的四爪镶嵌宝石结构，外边框与镶口直接打印可实现颤动、体积小、结构紧密等效果。

将3D打印金属结构与金属浇铸配件进行局部焊接使其组合。对金属处理方面采用喷砂工艺，做出较为柔和的视觉效果，与黄色跳动的、闪耀宝石相辉映，突出活动的宝石群，呈现图4跳动、闪耀的视觉效果。

图4 “HONEY”系列作品实物Fig.4 The HONEY jewelry series

金属柔性结构的表现形式可以有很多种，但学生在实践过程中往往会集中在某一种表现形式上，逐渐形成思维定势而失去创新意识，学生们在前一个案例中运用到的金属柔性结构表现形式并不是唯一的，其他表现形式就需要学生们充分发挥想象力。颤动结构的设计是本次创客教育实践案例中最为成功的环节，在此过程中学生们的创意思维得到了很好的锻炼。然而在之后与相关企业的沟通中发现，成本问题使之前有合作意向的企业望而却步。创客教育的实践过程需要相当的时间成本和物质成本的投入，这也限制了学生对有发展潜力的创新项目做进一步的研究，学生的作品在正式投入企业生产的过程中缺乏相关平台的支持。

3 讨论

3.1 创客教育案例的总结分析

本文创客教育的案例中引导了学生结合3D打印技术将柔性结构应用到不同风格的首饰设计中，充分彰显了学生的个性，将先进技术落实到实际应用中，培养了学生的创新思维和国际视野。学生学习时由传统的教师管理教育模式转变为学生自主教育模式，做到了知行合一、学以致用，课堂氛围自由开放，在知识交流中共享创意理念，在交流过程中迸发了许多新的创意。在“HONEY”系列首饰的创作中，学生在自主讨论中逐渐从最初的“颤动的钻石”一步步发展到蜜蜂抖动的翅膀，这种发散的联想在传统的课堂上是罕见的，而正是由于创客教育中没有对学生的束缚，才使得创意的火花得以迸发。基于创客教育的项目式教育，由师生共同开展项目研究，在实践中发现、思考、解决问题，不断提高学生的创新意识和创造能力。在“川·流”系列首饰的创作中，老师主要给予了技术和方向上的指导，在遇到问题时学生需要独立面对和解决，由此在实践时激发了学生大胆使用新的材料和工艺，例如在金属表面效果的处理时创新地使用了魔镜粉，达到了类似钛金电镀的效果。

创客教育与首饰设计课程的结合，不仅激发了学生的创新思维和创造能力，同时也锻炼了学生的动手能力和对先进技术的应用能力。较之传统课堂中老师单方面讲解工艺技术的模式，创客教育“在实践中学习”的方式使学生能够更加深刻地理解技术及设备以及如何灵活调整以面对不同问题。例如在柔性结构设计中，学生需不断尝试3D打印的零件的不同倾斜度，以设计出能够自支撑的柔性结构模型。在这个过程中，学生对于3D打印时的局部坍塌问题有了更深刻的理解，同时也熟悉了SLM技术。

在本次创客教育的实践中，虽然体现了创客教育在首饰设计教育中的优势，但是初次的尝试仍有许多有待完善的地方：(1)未能将创新与市场及实际生产相结合，产生的社会效益有限，成果未能向市场进一步转化。课堂中的首饰设计与现实生产中有较大区别，本项目中的首饰设计仅强调了设计师的想法，但并未考虑成本、效益以及消费者的心理；(2)创新创业的创客教育理念尚未完全下沉到学生当中，存在老师热情高涨而部分学生参与被动的不适应现象。当今大学生的教育需求包含知识、技能、创新、社交、合作、分享、政策、市场等多层次的需求，在本次实践中，许多层次的需求未包含以及创客思维未普及是学生参与被动的主要原因；(3)缺乏多学科的交叉互动，首饰创作局限于艺术设计的视角。本次案例中虽然引入了3D打印技术，但是在柔性结构的探索中缺乏材料、力学、人体工学等其他学科的视角，设计存在有待进一步完善的空间。

3.2 创客教育在首饰行业应用的建议及展望

创客式教育与珠宝首饰行业的发展如果能达到很好的契合度，那么创客教育促进珠宝专业学生发展的作用将发挥得更加明显。在开展创客营以及与校企产学研的实践研究发现，立足珠宝行业的创客式教育需要重点考虑以下因素：(1)依托湖北省珠宝工程技术中心基础条件和优势，不断优化教师配比、场地、增材制造或3D扫描设备等基础条件；(2)主动并积极地对接市场需求，找准珠宝首饰行业切入点，同时开辟校内、校外两个市场，为创客教育和设计师打造发展环境；(3)积极开展产学研合作。校企合作是创新创业的发展之路，也是新技术市场验证的关键一步。通过与珠宝知名企业的有效合作，企业负责对3D打印珠宝首饰的创客教育提供市场定位、运行机制、创意指导、技术支持、销售帮扶等专业咨询和帮助；(4)提供大学生创新创业机会，创客教育融入珠宝首饰行业必须充分挖掘出珠宝特色的活动项目，充分考虑到学生的能力特点，当地经济社会发展的需要，当地的特色资源等。“创新—实践—共享”是一种新型的互动体验式创新教育。通过珠宝首饰设计、建模、扫描和3D打印制作的一整套产品开发思路，学习知识、原理和方法，大学生通过项目团队进行开放式平台分享学习的过程和经验，能够充分感受到创新和实践带来的成就感。

本次实践在完成了这两种不同风格的首饰作品的过程中，发现运用金属柔性结构设计首饰方面还有很大的发挥空间，对的3D打印首饰创作实践有着巨大的指导意义，尤其是为3D打印和柔性结构在首饰设计中的应用提供新的方法，有助于探索有关3D打印技术与首饰相结合的课题。

4 结语

创客思维是发展脑力的过程，其强调创造、鼓励、创新、探索、追求，并且较为注重知识结合的一种思维能力。而将创客思维运用到艺术设计专业教学中，不仅是教育关系的必然性，同时也是社会企业对人才培养模式的需求。因此，在艺术设计专业教学中，教师应该与时俱进，以培养学生创客思维为教育导向，发展学生思维，启迪学生的智慧，提升学生创造能力与创新意识，使学生能够更好的进行就业、创业，进而满足社会企业对人才的需要。

熊玮博士在建模过程中给予帮助，匡亢实验员和孙乐葳同学在3D打印过程中给予帮助，在此一并表示感谢。