3D 打印技术在《模型制作》课程中的应用研究

工业设计是一个以产品为对象，塑造学生对造型感知、理解、想象与创造能力的专业。各高校经历多轮培养方案的改革与修订，《模型制作》课程仍作为承接造型基础课与专业设计类课程的一门必修课，在工业设计专业教学过程中占有一席之地。《模型制作》课程可在低阶阶段帮助学生加强对产品造型的认知，也可以在高阶阶段培养学生的造型创造能力

。3D 打印因其快速成型的技术特征逐渐融入工业设计专业，也逐渐走进模型制作的课堂教学中，在培养学生创造性方面扮演着重要角色。

企业或施工项目部应将符合“师傅”条件的人员情况向新员工进行详细介绍，并通过在一起工作生活一定时间段（可暂定一个月）进行进一步了解，让新员工自主选择师傅，本着双方自愿的原则结对，并签订“以师带徒协议书”，明确双方责任、学习培养内容及目标。培养期限为一年，培养期满后企业通过笔试和面试的方式考核“徒弟”是否学成出师。在带徒期间，企业应给“师傅”一定的带徒补助，以提高其“传、帮、带”的积极性和责任心。

(2)设计一个简单的实验方案,证明上述所得的块状熔融物中含有金属铝。该实验所用试剂是____,反应的离子方程式为____。

1 3D 打印技术概述

3D 打印技术又称快速成型技术或增材加工技术，这是基于不同角度对该成型工艺的精确描述。3D 打印技术与计算机辅助设计相辅相成

，这便造就了3D 打印在使用思路和方法上与传统材料及成型工艺有很大区别。高度依赖计算机辅助设计的3D打印技术对造型的推敲过程以计算机虚拟展示的样态进行，而传统的《模型制作》课程在成型过程中多以学生的手工参与为主，造型推敲的环节则具备草图、数字模型和实体草模的多样性选择的特点。这样的差异注定在模型制作课程中想要因地制宜地引入3D 打印技术需要将其技术特征与学生能力培养的指标进行相互关联。

3D 打印技术与以手工为主的传统模型制作项目在成型原理、技术门槛，以及对学生能力的培养等方面存在诸多差异，甚至大相径庭。如表1 所示，3D 打印主要应用的材料为工程塑料和ABS 材料，按照打印原理的不同，3D 打印还可以使用光敏树脂和金属。3D 打印技术与传统加工和成型工艺在使用材料上有所交叉，但是对加工材料的状态有不同的要求，传统加工成型技术除了材料的机加工之外，木材、金属和塑料还可以以手工成型为主。比如对ABS 板的加工，在传统《模型制作》课程中多采用双人合作热压成型。手工艺的参与决定了传统成型工艺对材料的反复使用及对既定造型的多次修改，而这是以3D 打印为代表的快速成型技术所不具备的特征。3D 打印技术作为机加工的更高级形式也有自己的技术特征，它甚至引领了制造业的变革。将其引入课程教学，更重要的是对学生思维模式的扩展与改变。

2 《模型制作》课程概述

星载天线展开机构属于空间三维展开机构，是空间可展开机构中结构最复杂、功能最重要的部分，其发射时折叠为一个可以接受尺寸的系统(收拢状态)，而在达到预定轨道后通过展开机构按设计的方式解锁、展开、锁定，展开成为天线(展开状态)。可展开机构有效口径和形成的型面精度决定了卫星通信的频率波段和质量。随着航天技术的发展，星载天线形成了大口径、高精度、轻量化的发展趋势。但是考虑火箭搭载能力有限以及搭载发射的成本，对大型可展开天线提出了较高要求的收纳比。

3D 打印技术高度依赖计算机，与传统以学生动手为主的模型制作实践活动相比，在思维和实践过程上存在着很大的区别，这将为3D 打印引入《模型制作》课程提供了空间，也是其价值所在。首先，在知识层面，《模型制作》课程能培养学生对材料的认知与加工能力，3D 打印制作出来的模型零部件在精确度和操作安全性上相比较手工件更有优势。3D 打印设备的使用降低了电锯、钻床等传统机加工机械给学生带来人身伤害的可能性，其代表的数控技术也弥补了《模型制作》课程中对机加工模型部分的教育缺失，使学生认识模型加工的维度更加全面；其次，在素质培养方面，《模型制作》课程重视学生的思维能力创新，3D打印与手工加工存在很大的区别，能激发学生的创新思维，是对其模型制作综合素质的补充；第三、从学生能力培养方面，抛开单体造型的塑造，大部分模型是多材料与多零件、多工艺的组合品，学生对模型的策划和配合是综合能力的体现，3D 打印零件的适应性很强，可以与多数其他材料的零部件相互配合、组装，促进学生综合能力的提升。

以多数高校的教学大纲及采用的相关教材为依据，梳理了工业设计教学中《模型制作》课程的教学内容，大致可分为：模型的基础理论知识、模型的制作过程与实例分析、模型制作任务的实践三个部分

。从具体的内容上看，在模型制作基础理论知识部分，要求学生认识和了解常用于产品模型制作的材料与特性、加工工艺和主要工具的使用方法、模型的作用与分类方法等内容，助力其在实践过程中对材料特性和工具使用的预判；第二部分，木材、纸质、ABS、石膏和玻璃钢等多种材料的加工及成型方法会给出较为精细的讲解，其目的是让学生能够对重点材料及其加工工艺有更深刻的认识，要求学生掌握模型制作的前期准备工作，如测量、计算、按比例绘图等，提高学生对模型制作过程和用材等的整体把控；在第三部分的实践中，学生发挥动手能力，将平面图形转化为立体模型，其中包含转换、加工、组装等工作。课程知识与学生能力培养的对应关系，如图1 所示。

3 3D 打印技术在《模型制作》课程中的应用意义

3.1 对学生能力培养的增值

模型制作是表达自己设计方案非常重要的一个途径，能通过策划将设计方案转化为实物，这一过程锻炼了学生多方面的动手能力，包括测绘、造型塑造、不同材料与部件的组合加工与装配等。参考大多学校的课时分配情况来看，模型制作实践任务环节所占据的课时量最大，学生对造型的感知、分解、塑造与再现，以及表现的综合素质与能力得到了大幅度的提升，也为后续的课程设计打下了坚实的基础

。《模型制作》不仅是一门课，在工业设计大量后续专业课的考核环节中也对实物模型有具体的要求，比如在《仿生设计》课程中，草模的制作有利于在方案推敲的过程中增加学生对造型的感知，启发其创造思维；在毕业设计等综合设计课业中，精美的展示型模型也被作为评价学生的一个重要方式。

3.2 完善实践与课程体系的建设

新鲜事物的运用需要时间的验证，逐渐成熟，3D 打印技术在《模型制作》课程中的运用尚未有成熟的体系，因此教师在从事该课程的教学任务时，更应注重教学设计

。高校本科教育以培养学生的综合能力为目标，区别于职业教育，要求学生具有大量的知识储备、良好的思维素质，以及综合能力。3D 打印技术归根结底代表了计算机辅助设计、计算机辅助加工技术，在知识层面应引导学生更多地掌握该领域的基础知识和前沿知识，拓展其模型制作的知识广度；在素质层面，应加强学生积极学习相关知识和实践技能的思想意识；在能力培养方面，应充分利用教学资源为学生提供实践机会，增强其实操经验和实操能力，做到知行合一，形成3D 打印技术的教学闭环，用以作为《模型制作》课程传统教学项目的补充。但具体的教学设计应遵循课时分配的科学性和有效性，一定的课时限制能够保证教学任务的执行，想要确保教学环节的完整性，应充分发挥3D 打印技术的优点，将其与其他教学环节融会贯通。模型制作的传统方式和3D 打印本身也具备相互融合的技术特点，只要在教学初期引导学生确立系统的模型制作方案，即可取得良好的教学效果。例如，某高校工业设计专业以船舶模型为典型案例，在《模型制作》课程中将多种材料及加工技术融为一体（如图2），《一个精致的船体模型》需要将船体与上层建筑分开制作，3D 打印的上层建筑增加了精致感，在制作精细模型前，同学们还利用了油泥和泡沫材料制作了船体草模。

在传统教学过程中，很容易忽略一个问题，就是学生的就业问题，3D 打印技术及其上下游产业在不断发展壮大，无疑也刺激了劳动市场，与传统材料加工相比，3D 打印技术代表不同的就业区块，这也是对毕业生劳动力匹配市场的良好补充。

《模型制作》课程具有很好的延展性，3D 打印技术的引入有很好的适应性，对学生能力和综合素质培养所能发挥的作用也值得肯定，但需要恰当的设计教学环节，使模型制作的传统教学项目和3D 打印技术融会贯通。虽然在多数高校内尚未明确形成3D打印技术引入《模型制作》课程之后的成熟教学体系，但可以肯定的是二者在培养学生能力方面有着相似和互补之处。作为一个教学项目或环节，3D 打印在课程中的引入并不难，难得之处是能够将其与成熟教学体系中的其他教学项目充分融合，并依据各个学校的专业特点呈现出差异化的特色，而这需要长时间的实践积累和经验总结。

4 3D 打印技术在《模型制作》课程中的应用思路

4.1 以培养目标为依据做顶层设计

将3D 打印技术引入《模型制作》课程是一种尝试，在现有教材中出现得并不多，或在部分书籍中以概论形式出现，且占据的篇幅较少。课程教学环节需要有成熟的设计作为支撑，内容设计应包括各知识点选用及其占用课时的长短。由于3D 打印技术引入《模型制作》课程没有形成固定和统一的模式。因而，与之相关的教学问题充满不确定性，容易形成学生对该部分知识学习的误区。

4.2 充分调动学生的自主学习能力

提高对自我的要求是认真实践的一个必要前提，《模型制作》课程的实践作业没有统一的标准答案，应根据教师要求体现出对造型的认知与塑造能力，对模型制作的整体策划和组织能力，对各种材料的不同加工工艺的掌握及其之间相互配合等。多样化的评价标准和繁重的作业量往往是学生追求优秀的绊脚石，为此，应以综合多种材料和多个部件的组合模型为实践任务，分小组多人合作完成，保证学生具有充分的时间提高对自己的要求，同时通过同学之间和不同材料之间的相互配合，锻炼其团结协作和整体策划的能力。此外，提供几个不同类型的高质量模型样版是学生实践时的重要参照，一方面可以给学生树立一个优秀的标准，避免其在学习时的恐惧与实践时的盲目性；另一方面也能兼顾不同兴趣类型的学生在制定模型方案时的不同需求。

4.3 合理控制实践作业量

《模型制作》课程有明显的实践性，注重学生实操能力的培养，多数教学环节多在实验室内进行，而3D 打印由于其本身的技术特征，也脱离了传统手工艺主要依靠师傅带徒弟的形式需求，这为学生的课外学习留下了更多的自我发挥空间。学生的知识、技能和综合素质在有限的实践过程中得到了提升。在不断地形态塑造、转化与修改的过程中也加深了对多种材料的特性认知。但在有限的课内时间内，学生的主观能动性很难发挥。因此，引导其高效利用课外时间进行实践创作就显得十分重要，既能解决课时压缩与知识点密集之间的矛盾，也能很好地激发学生的自主学习能力，甚至收获意想不到的培养效果。学生有了大量的实操机会，也会遇到不同的问题，对此，教师的引导和监督作用至关重要。除了在理论知识讲述部分要深入浅出地激发学生兴趣，辅助学生制定恰当的实践任务外，高标准的示范也能提高学生对自我的要求，促进其形成良好的学习氛围。

5 结语

课程体系和教学环节的设计还应考虑具体教学环节与总体教学目标的适应性。从《模型制作》课程的开课时段、门槛，以及体量上来看，多数高校将其设置在第4 或者第5 学期，学生在此之前完成计算机辅助设计等相关课程的学习，而3D 打印技术在《模型制作》课程中所要承担的培养任务是除计算机辅助设计之外的实操环节，具备足够的技术先决条件和良好的学习基础，因而在此环节的教授并不需要较多的课时。据实践经验和对多所高校的了解，3D 打印设备的配备率较高，在工业设计本科生中人数和机器数量之比小于等于10，在职校中更低。就单一中低端的3D 打印机而言，其使用简单方便，损耗率也较低。总体看来，3D 打印机在《模型制作》课程教学中不需要占据很多课时，但是具有很好的教学效果，在教学目标上与《模型制作》课程的传统教学环节相得益彰，在教学环节的设计上，也与《模型制作》课程的传统教学环节有较好的适应性。

宝玉爹哈哈大笑，你会，开口就说你会？跟你讲，我们嗡琴戏讲究的是唱做念打全面发展，单就表演方面，就分“内八功”和“外八功”两种，“内八功”包括喜、怒、哀、乐、悲、愁、恨、惊，“外八功”包括手、腿、口、身、颈、武、道、扎等等，冰冻三尺，非一日之寒，你说你会，这不是空口打哇哇！

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