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工业设计教学中3D打印技术的应用

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摘要:3D打印技术在高校工业设计教学中具有重要的意义,一方面要继续发挥3D打印技术的积极影响力,另一方面要努力探索3D打印技术深入应用的关键因素,致使3D打印技术在教育教学中取得更大的成效。

关键词:3D打印技术;工业设计;教学应用

一、前言

3D打印技术在制造行业被俗称为增材制造技术,3D打印的过程可以概括为模型设计、切片处理、分层打印三个步骤,即首先依靠计算机绘制好设计产品的三维模型,再将三维建模文件转换为能够被3D打印机识别的数字文件,然后驱动3D打印机将打印材料按照三维模型设计的要求进行分层叠加黏合,最后形成一个完整的立体加工产品[1]。3D打印思想始于19世纪末在美国萌芽,其后在世界范围内开创了高度区别于传统生产工艺的新兴制造技术时代,发展至今3D打印技术以快速成型的时效性和时尚性受到社会各行各业的关注与追捧,在医疗、建筑、考古、服装、食品等领域都有所应用,3D打印材料和3D打印产品也变得更加丰富多彩。我国在“十三五”发展规划中也明确将增材制造产业作为重点培养和发展领域,旨在深化3D打印技术的创新应用范围不断扩大,逐步成为新时期引领我国乃至全球制造业革命的中坚力量[2]。3D打印技术的蓬勃发展同时为教育领域注入了新鲜的活力,把3D打印技术融入教学应用有诸多优势,可以进一步完善学科教育的专业化科学化机制,给高校教育教学改革创新提供方向,为增材制造行业输送兼具3D打印技术的复合型设计人才也是学校与社会的共同期待。

二、3D打印技术在教学应用中的促进作用

(一)3D打印技术促进课程思政建设推动教学进程在传统教学课堂上教师讲授理论知识往往占据了课堂的大部分时间,而工业设计又是一门实践性很强的专业,教学过程中常常需要引导学生在大脑中构建立体的想象空间并进行科学合理的逻辑思维,学生才会准确地理解一个完整的产品结构设计,这样教学进程慢效果也不不尽人意。3D打印技术为教师开发课堂教学创新模式提供支持,通过把3D打印技术引入课堂,学生直接可以观看3D打印的实物模型,突破了传统课堂上费时费劲单纯依靠学生在大脑中想象的局限性,每个学生都受益于3D打印技术的形象性特点,教师在进行理论讲解的时候也会轻松很多,争取到更多地时间让学生自主消化吸收。学生主动参与课堂的积极性提高,师生互动加强了,又会启发教师在教学过程中不断地思考如何与学生相处,如何把握学生的思想,加强课程思政建设,寻找更加合理的教学沟通方式方法去提高教学效率,在这种良性的循环下自然会积极推动课堂教学进程,这对教师本身教学能力的提高是极好的实践经验。

(二)3D打印技术促进教学质量提高有了3D打印技术来辅助教学后教师们如虎添翼,在教学应用实践中充分发挥出3D打印技术优势是提高课程教学质量的法宝。例如在机械工程类的课堂中,教师利用3D打印技术能够向学生展示一些复杂的机械零件的生产加工过程,尤其是突破了传统制造工艺技术的特殊造型结构,点燃学生对先进生产加工技术的学习欲望;在环境设计类的课堂中,教师利用3D打印技术可以向学生展示优秀的室内环境设计方案,由平面设计图纸转变成三维立体空间模型,让学生对环境设计的尺寸和布局有更加真实的感受,提醒学生在平时的设计当中注意避免想当然的脱离实际的设计;在动画设计类课的课堂中,教师利用3D打印技术可以直观地改善动画人物的表情与动作设计等,令动画人物形象鲜明逼真。同时教师可以通过3D打印技术随堂检验学生的学习效果,第一时间对电脑绘制的三维模型进行参数校核,及时纠正错误,避免打印失效,提高教学质量。

(三)3D打印技术促进项目式教学发展教师探索新型教学模式除了要求学生掌握专业知识之外也注重培养学生的创新能力,项目式教学可以把这两点结合起来,依靠3D打印技术能进一步优化项目式教学成果。通常一件设计作品可以分成几个部分来整合,教师结合3D打印技术特点把一个完整的教学设计作品拆分成若干项目再分配给学生小组,各小组成员进行思考并解决项目实践过程中碰到的问题,发挥团队协作的积极作用,亲自将3D打印技术与教学理论应用于具体实践,最后大家把项目成果整合成一个完整的设计作品,达到教学目标。其中的每一个步骤都依靠学生动手,激发出学生学习的主动性与创造性,学生对相关知识的掌握程度教师也了然于心,这种寓教于乐的教学现场也会充满活力。这也是“以人为本”的教学模式,教师可以跟学生互动但不指挥学生,让学生真正成为课堂的主角,鼓励学生碰到问题协作解决,自由发散创新思维,这种教学模式也顺应了新时代新人才的培养目标。(四)3D打印技术促进毕业设计作品快速成型毕业设计是对学生的理论知识、动手实践、独立思考、解决问题、逻辑思维、探索创新等能力进行综合考核,是高校全面检验教育教学质量的重要材料,是学生走出校园走向工作岗位的最后一道关卡。对于设计类专业的学生来说,毕业设计过程是从工业理念创新的思维过程到全方位设计的实践体验,因此毕业设计作品实物模型的呈现显得尤为重要。基于3D打印技术的先进性和时效性,学生在完成毕业设计作品的设计阶段后就可以利用3D打印机及时把作品模型打印出来,这样便于学生检查作品设计过程中是否存在不合理的地方,同时便于学生思考是否有更优的改善方案。3D打印技术把设计灵感与产品制作连接起来,不仅能够检验学生的软件熟练程度,还锻炼学生的观察能力,尽管设计作品打印任务交付于3D打印机执行,但是打印过程中碰到的软件问题仍然靠学生自己仔细分析,开动脑筋去解决,一套完整的毕业设计作品能够顺利打印成型需要学生做好每项相关工作,一套打印成型的毕业设计作品能够给学生的创作与表达增辉添彩。

三、3D打印技术对学科建设的积极影响

(一)3D打印技术加强各学科之间的联系工业设计专业是一门多学科相互交叉融合的专业,设计作品或者设计案例需要利用多学科的知识来进行综合分析,但在传统教学课堂当中各个课程间的关联度不够,而如果各学科知识只是单纯靠理论结合学生又不能很好地理解和吸收。3D打印技术具有广泛地适应性和开放性,能够快速搭建起各学科知识之间关联的桥梁,在3D打印技术以及在不同学科知识的支撑下,学生创作出的优秀设计理念变成实物才真正实现了设计价值。同时,在工业设计专业传统课程考核中,教师们通常是根据学生的平面软件绘图和三维软件建模加上渲染与动画制作水平来考核学生成绩,有3D打印技术辅助教学以后,学生可以考虑3D打印工艺与3D打印材料特点打印出立体模型来表达自己的设计作品,无论是跨学科知识的具体的应用还是设计结构的展示操作都能有所体现,教师对学生的设计与工程知识的考核评价更全面也更有说服力。3D打印技术适用性范围广,操作灵活,很多学科都需要3D打印技术来促进教学改革创新,工业设计专业学科建设中要积极寻找各学科之间的联系,为复合型设计人才培养目标服务。

(二)3D打印技术有助于实验室向工作室转型工业设计实验室是完成基础实验教学与模型加工制作的场所,也是保障工业设计教学的基本物质条件,但普遍存在实验设备质量不高及功能边缘化等问题。工业设计专业十分重视学生的动手操作能力,根据社会对工业设计人才的要求标准,以3D打印技术的影响力带动实验室建设向工作室转型,在满足基础教学之外打造专门针对设计类学生进行设计实践的专业工作室,配备轻工业级3D打印设备,能够打印多种类的初级工业产品模型,真正帮助学生实现设计师梦。在工业设计相关的学科竞赛中,专业工作室能充分发挥优势3D打印技术的优势帮助学生呈现创意设计想法,甚至在考古艺术文化领域都可以利用3D打印设备来打印学生喜欢的珍藏品模型,这对文化艺术的推广有积极地现实意义和价值,因此专业工作室建设具有很强的创新扩展空间,并且可提高3D打印设备的资源利用率。

(三)3D打印技术拓宽校企合作,实现社会实践与创收双受益3D打印的材料贵,产品一次成型的使用量多,另外满足专业化人才培养目标的3D打印设备的价格也不便宜,故在工业设计专业教学应用中专项资金缺口大。当前国家投入了大量财力物力鼓励支持3D打印产业发展,越来越多的企业逐步取得了很多创新成果。学校要立足于地方经济多多挖掘社会资源,开发3D打印技术的创造性建立多类型的校企合作方式,让学生参与到企业产品设计的研发中去进行社会实践,既突出人才培养模式特点又提升学生的综合素质,同时以学校专业工作室的设备资源吸引企业来到学校投资,增加的创收还能够减轻一部分3D打印教学负担,尤其现在国家对工业设计专业的关注度及3D打印技术的应用度逐年攀升,3D打印技术在校企合作方面有着非常好的发展前景。

四、3D打印技术在教学应用中进一步突破的关键因素

(1)目前多数学校基于3D打印技术的科学理论和技术研究处于基础性教学阶段,学生对3D打印技术的认识较浅,加上3D打印设备成本与维护费用高,3D打印技术辅助教学的程度相对不高,因此高校教育教学想要承担起3D打印科技研发的重担就必须提高专项资金额度,此外学校还需有意识地加大3D打印专业技术人员引进力度,壮大专业师资队伍。(2)增材制造行业相关的重点高校研究所和企业集中落在北上广深等经济发达的地区,资源分配悬殊使得其他地方校企合作的选择性偏弱偏小,因此加强优势地区与弱势地区之间的专家访问与技术交流,让发展滞后的院校也能与全国优势高校及企业进行资源对接。(3)在高校教学中通常使用工程塑料来打印产品模型,甚至多家承接3D打印产品的企业也多采用工程塑料,工程塑料有良好的热塑性和热固性,价格也比较便宜,但是在产品材质表现上不尽人意,使得设计的质感和美感效果出不来,影响到设计者的专业判断,因此专业工作室要增加多类型的3D打印机,能够打印如木质材料、金属材料产品,甚至能涉及光敏树脂材料、高性能陶瓷粉末材料的产品,扩大3D打印技术的应用范围和应用程度。

【参考文献】

[1]卞昱婷,季莹.3D打印技术在高校艺术设计专业教学中的应用初探[J].赤峰学院学报(自然科学版),2017,33(11):199-200.

[2]李方正.中国增材制造产业发展及应用情况综述[J].工业技术创新,2017(4):1-5.

作者:姚轩 程冕 段家现 单位:梧州学院

工业设计教学中3D打印技术的应用责任编辑:张雨    阅读:人次