《3D打印技术》课程教学项目的开发与实施
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一、引言
3d打印技术作为一种快速成形技术，于最近两年开始流行，广泛应用于产品设计的各个领域当中。但3D打印目前处于初步发展阶段，国内针对学生的教材不完整，教育方案不够系统化，师资力量紧张，配套设备比较昂贵。为了跟上时展的潮流，各中职学校克服困难，创造条件，纷纷开设3D打印技术课程，普及3D打印技术。
湛江机电学校作为地方中职龙头学校，于2014年投入资金购买了基础型3D打印桌面机，选派教师到企业学习3D打印技术，解决了师资、设备等问题。2015年在模具制造技术、数控技术应用、机电技术应用等专业开设《3D打印技术》选修课，我们在课程教学内容的选择、教学项目的开发以及教学过程的组织与实施方面做了一些探索与实践，本文通过具体案例讲述了笔者在《3D打印技术》课程教学项目的开发、实施等方面所做的探索与实践，并展示了教学成效。
二、教学项目的开发与研究
为了选择适合中职学生的课程教学内容，我们先对3D打印的原理及工作过程进行了研究和分析。
1.3D打印的原理
传统的机械加工方法是“减材制造”，在其制造过程中材料逐渐减少；锻造、铸造、粉末冶金等热加工方法，可粗略地看作是“等材制造”；3D打印则属于“增材制造”，通过一层层地累加材料最终达到物体的成形。3D打印机就是可以“打印”出真实3D物体的一种设备，功能上与激光成型技术一样，采用分层加工、叠加成形，即通过逐层增加材料来生成3D实体。称之为“打印机”是参照了其技术原理，因为分层加工的过程与喷墨打印十分相似。
2.3D打印的工作流程
3D打印是利用设计产品的3D数据，采用分层、叠加成形的原理进行打印，其工艺流程一般分为三维建模、数据分割、3D打印、后处理四步（如图1所示）。
（1）三维建模
三维建模是3D打印的基础，即在打印之前需在三维软件中对产品进行建模，因此3D打印需计算机辅助设计（CAD）技术的参与。建模过程可使用AutoCAD、Mastercam、Pro/E、UG、Solidworks等主流软件完成，需注意的是在整个建模过程中产品尺寸要准确无误，打印机是严格根据这些数据来控制产品最终外形的。
（2）数据分割
数据分割是将建好的模型数据导出为.stl或者.obj（这两者是世界通用的中间交换格式），再将中间格式的.stl或者.obj文件载入切片软件（当前通用的切片软件有cura，make bot，Xbulider，Repetier host等）中，进行切片操作，即生成打印机能识别的数据流格式文件（.gcode或者.x3g.s3g等格式），从而指导打印机逐层打印。
（3）3D打印
通过SD卡或者U盘把.gcode格式文件拷贝到3D打印机中，进行对应的物理打印参数的设置（不同打印机物理参数设置不同），打印机就可以把它们打印出来。打印机通过读取文件中的横截面信息，用合适的材料将这些截面逐层地打印出来，再将各层截面以各种方式粘合起来从而制造出一个实体。
（4）后置处理
三维打印机的分辨率对大多数应用来说已经足够（在弯曲的表面可能会比较粗糙，像图像上的锯齿一样），要获得更高分辨率的物品可以通过如下方法：先用当前的三维打印机打出稍大一点的物体，再稍微经过表面打磨即可得到表面光滑的“高分辨率”物品。有些技术可以同时使用多种材料进行打印，有些技术在打印的过程中还会用到支撑物，打印完成后需要去掉支撑物及表面毛刺等。
3.3D打印校本教材
基于以上研究与分析，根据我校实训条件及学生知识储备，编写了基于3D打印工作过程的校本教材《三维建模与3D打印》（教材目录见图2）。
教学内容及项目的选用以完成一个完整作品为主线，由浅入深地设置层次递进的项目。作品实用又有趣，有利于调动学生的学习积极性；任务由简单到复杂，有利于学生克服畏难情绪，一开始就能感受成功的喜悦；不断上升的难度能持续引起学生的关注，将学习进行到底。
三、教学方法的选择与确定
开设本课旨在让学生了解制造前沿新技术，跟上时展的潮流。通过项目教学，帮助学生了解实际工作的思维路径，获取三维建模与3D打印技术的实际操作技能。
本课程是我校模具制造技术、数控技术应用、机电技术应用等专业的专业选修课，二年级下学期开设，学生已经学习了AutoCAD、Mastercam等计算机辅助设计软件，对三维建模及加工制造比较感兴趣。学校建有专门的模具设计与3D打印实训室，配置72台学生用计算机、15台套桌面型3D打印机（可计算机驱动，也可SD卡驱动），可以使用多媒体教学平台教学。
依据教学目标及学生学情，努力实践“教、学、做”合一的项目化教学模式，主要采用任务驱动法、演示法、合作学习法等。项目一应以讲授为主，可配以相关内容的教学视频、动画演示、教学PPT等，并通过提问、书面作业等形式巩固课堂知识；项目二、三、四则主要使用任务驱动法，以学生为学习主体，教师为主导，让学生带着任务分析思考，通过学习互助完成作品的设计制作，再通过优秀作品展示评讲，引导学生自我评价，修改完善作品，培养创新意识与精益求精的工作态度。
《3D打印技术》课程教学项目的开发与实施
四、项目教学的组织与实施
我们对每一个项目都进行了精心的教学设计，并据此进行教学组织与实施。这里以“项目三：走进3D打印体验馆――吉祥挂件的设计与制作”为例进行介绍。
根据教学设计，做好充分的课前准备。制作教W资源文件（如图3所示），撰写了工作任务书、参考案例、灵感图例等，旨在让学生明白他们在课堂上要做什么、怎么做；制定工作过程记录表、学习过程评价表、作品展示评价表等，要求学生在学习过程中按要求填写并上交，引导学生自学、自评、互评，从而督促学生完成课堂任务。采用分组教学，根据班级人数（60人）及实训设备数量（15台打印机），将学生分成4人一组，独立设计，轮流打印，提高课堂学习效率。准备好教学设备，检查电脑及打印机是否能正常工作，安装打印材料，保障教学正常进行。
教学过程从“创设情景，导入任务”“解析任务，层层推进”“合作探究，完成任务”“交流赏析，体验美好”“自我完善，体验成功”等多个教学环节，循序渐进的学习让学生能力一步步提升。把教学总任务由浅入深分解为6个子任务（以“帧弊止壹的设计与制作为例）：绘制“帧弊窒呒堋创建“帧弊质堤迥P汀输出“.STL”模型文件装载“.STL”模型文件切片生成并保存GCode打印“帧弊止壹，清晰的指引让学生像玩游戏一样过关斩将，轻松完成作品的制作。
由于打印机数量有限，为了提高课堂学习效率，还安排了拓展任务：要求每位学生在打印操作间隙自主设计3个以上不同创意的作品，挑选最满意的作品进行创意阐述，制作作品展示文档，既培养学生分析问题、解决问题的能力，又锻炼学生综合运用多学科知识的能力。
五、教学成果的展示与分析
我们将作品评价贯穿于项目教学全过程，通过自我评价、优秀作品赏析、缺陷作品分析等引导学生分组讨论、互相学习、互相评价，进行思维大碰撞，激发学生的好胜心，满足他们自己动手完成任务并最终制作出精美作品的心理需求。这里仍以“项目三：走进3D打印体验馆――吉祥挂件的设计与制作”为例进行介绍。
1.自我评价
每人以最佳作品为例进行过程评价，填写自评资料。边操作边记录，完成“工作过程记录表”；认真思考，撰写“作品展示评价表”；客观公正进行自我评价，填写“学习过程评价表”。
2.秀作品赏析
对于优秀作品（如图4所示）的赏析，采用组内互评+组间互评+教师点评的方式进行。
（1）通过组内互评，选出本组完成最好的设计模型及打印作品。
（2）每组派代表展示本组完成最好的设计模型及打印作品，并进行创意说明。
（3）教师点评，组间互评，进一步升华完善作品。
3.缺陷作品分析
对有明显缺陷的作品（如图5所示），要及时跟踪，发现问题，提出改进意见，这样有利于学生进一步完善。
六、结束语
最早的课堂里，学生只能坐着听，多媒体技术出现后，许多教学内容变成可视的，3D打印技术引入后，教学内容将变成可触的。由于3D打印技术能实现虚拟世界与实体世界的有机结合，3D打印机进校园将使得学生在创新能力和动手实践能力上得到训练，将学生的创意、想象变为现实，将极大发展学生动手和动脑的能力，从而实现学校培养方式的变革。3D打印作为一门新的实践型课程，课程标准、教材、培养方案、教学资源等还有待于完善、规范，我们将在教学实践中不断摸索，为培养高素质人才贡献一份力量。