【解析】3D打印技術(shù)在三維建模教學(xué)中的實(shí)踐探索

3D打印技術(shù)是一種快速成型技術(shù)，它無(wú)需機(jī)械加工或模具，就能直接從計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)中生成實(shí)體模型，大大縮短了產(chǎn)品的研制周期。從3D打印的小件文創(chuàng)飾品，到鞋、燈具等生活用品，到3D打印的房屋、汽車(chē)等，應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛。在教育教學(xué)領(lǐng)域，3D打印技術(shù)將成為未來(lái)教育領(lǐng)域教育技術(shù)的重要發(fā)展之一。3D打印技術(shù)應(yīng)用到課程教學(xué)，激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新思維，拓寬了教學(xué)目標(biāo)和內(nèi)容，改變了教學(xué)方式和手段，對(duì)于學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的培養(yǎng)有著不可替代的意義，促進(jìn)了高職院校復(fù)合型創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。

一、3D打印技術(shù)在三維建模教學(xué)中的積極作用
（一）3D打印技術(shù)簡(jiǎn)介
三維打�。�3D打印）是一種實(shí)用、便捷、運(yùn)營(yíng)成本相對(duì)低廉的新興科技成果，其首先以數(shù)字化的三維建模為依據(jù)，運(yùn)用相關(guān)軟件并通過(guò)先進(jìn)技術(shù)為支撐，將金屬、塑料等材料粉末化后作為可塑材料，通過(guò)3D輸出裝置來(lái)塑造立體化模型的技術(shù)。人們利用這一科技成果，可以將電腦中的虛擬模型轉(zhuǎn)變成現(xiàn)實(shí)中真實(shí)具體的三維模型。
3D打印分三維設(shè)計(jì)過(guò)程和3D打印過(guò)程。三維設(shè)計(jì)過(guò)程是通過(guò)計(jì)算機(jī)三維建模軟件設(shè)計(jì)模型，或者通過(guò)三維掃描儀對(duì)物體進(jìn)行掃描成為數(shù)字化模型。3D打印過(guò)程就是把數(shù)字化模型導(dǎo)入分層處理軟件，設(shè)定打印參數(shù)，用液體狀、粉狀或片狀的材料將這些界面逐層地打印黏合成真實(shí)物體。
3D打印作為一門(mén)嶄新的應(yīng)用技術(shù)得到飛速發(fā)展，滲透到工業(yè)制造、文化創(chuàng)意、數(shù)碼娛樂(lè)、航空航天、生物醫(yī)療、建筑工程等各個(gè)行業(yè)。

圖1 學(xué)生設(shè)計(jì)的文創(chuàng)產(chǎn)品

（二）激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)造思維
在傳統(tǒng)的三維模型課程中，學(xué)生設(shè)計(jì)制作的模型只能展現(xiàn)在電腦的虛擬空間里，看得見(jiàn)，摸不著。3D打印技術(shù)正好突破了虛擬世界，可以將電腦中虛擬的三維模型打印出來(lái)，成為實(shí)物化的真實(shí)模型，這大大吸引了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)造性思維。通過(guò)3D打印的實(shí)訓(xùn)過(guò)程，提高了學(xué)生對(duì)三維建模設(shè)計(jì)制作的實(shí)操能力、3D打印的動(dòng)手能力和整個(gè)過(guò)程中解決實(shí)際問(wèn)題的能力。對(duì)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)具有積極意義。

（三） 提高了學(xué)習(xí)效果
3D打印激發(fā)了學(xué)生DIY（Do It Yourself）的興趣，通過(guò)3D打印技術(shù)融入課程，學(xué)生在三維軟件中設(shè)計(jì)的三維模型轉(zhuǎn)變成真實(shí)的立體實(shí)物，使學(xué)生腦海的抽象設(shè)計(jì)變成了現(xiàn)實(shí)，使學(xué)習(xí)更加生動(dòng)。有效地激發(fā)了學(xué)生內(nèi)在的學(xué)習(xí)動(dòng)力，教學(xué)效果顯著提高。

（四）促進(jìn)了文創(chuàng)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)
3D打印技術(shù)應(yīng)用在三維建模教學(xué)中，學(xué)生的創(chuàng)意設(shè)計(jì)模型從虛擬的設(shè)計(jì)變成了現(xiàn)實(shí)的實(shí)物，利用互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，學(xué)生將自己的作品放在網(wǎng)上銷(xiāo)售，成為了名副其實(shí)的文創(chuàng)設(shè)計(jì)產(chǎn)品（如圖1、2、3）。

圖2 學(xué)生設(shè)計(jì)的文創(chuàng)產(chǎn)品

二、3D打印技術(shù)對(duì)三維建模教學(xué)中的改革

（一）3D打印技術(shù)引入教學(xué)，創(chuàng)新了教育教學(xué)方式
3D打印機(jī)工作步驟：先通過(guò)計(jì)算機(jī)建模軟件建模，然后通過(guò)SD卡或者USB優(yōu)盤(pán)把它拷貝到3D打印機(jī)中，進(jìn)行打印設(shè)置后，打印機(jī)就可以把它們打印出來(lái)。因此3D打印技術(shù)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)就是虛擬三維模型的制作。

圖3 學(xué)生設(shè)計(jì)的文創(chuàng)產(chǎn)品

在傳統(tǒng)的三維建模教學(xué)中，盡管在教學(xué)模式和教學(xué)方法上我們進(jìn)行了各種嘗試和設(shè)計(jì)，比如案例教學(xué)法、講練結(jié)合法、項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)法進(jìn)行教學(xué)改革，但是仍然有很多學(xué)生對(duì)三維建模學(xué)習(xí)感到力不從心，不能熟練掌握軟件制作的技能，逃避甚至放棄對(duì)該課程的學(xué)習(xí)。
3D打印技術(shù)引入教學(xué)，學(xué)生在三維軟件中設(shè)計(jì)制作的模型，通過(guò)3D打印，就可以直接直觀地變成真實(shí)的物體，極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)三維建模的積極性，課程教學(xué)中，理論、操作講解、實(shí)訓(xùn)室實(shí)訓(xùn)三位一體。課堂教學(xué)從過(guò)去以教師為中心的講授式，逐步轉(zhuǎn)換為以學(xué)生為主體、教師為輔導(dǎo)的新型教學(xué)模式，創(chuàng)新了三維模型教學(xué)模式。

（二）教學(xué)內(nèi)容的改革
3D打印技術(shù)引入教學(xué)，教學(xué)內(nèi)容也相應(yīng)作出了調(diào)整，不再是以軟件命令學(xué)習(xí)、實(shí)操為主線，而是以企業(yè)制作流程設(shè)計(jì)課程教學(xué)，以實(shí)例工程項(xiàng)目為主線構(gòu)建教學(xué)內(nèi)容，將三維建模軟件3dsmax中命令教學(xué)融入工程項(xiàng)目中，與3D打印技術(shù)相結(jié)合，在項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)過(guò)程中讓學(xué)生掌握三維建模的實(shí)操方法和技巧。

圖4 三維模型打印的過(guò)程

三、3D打印技術(shù)在三維建模教學(xué)的實(shí)踐

（一）通過(guò)深入企業(yè)提煉項(xiàng)目，結(jié)合項(xiàng)目實(shí)例，開(kāi)展課程教學(xué)
本課程教學(xué)前期，任課教師利用假期深入相關(guān)企業(yè)進(jìn)行學(xué)習(xí)實(shí)踐，在企業(yè)參與真實(shí)項(xiàng)目制作，將企業(yè)參與的項(xiàng)目?jī)?nèi)容進(jìn)行提煉成該課程的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。本課程以一個(gè)個(gè)項(xiàng)目實(shí)例串聯(lián)起來(lái)，構(gòu)成該課程的教學(xué)內(nèi)容。這里以多邊形建模為例演示三維建模的教學(xué)設(shè)計(jì)過(guò)程。
教學(xué)目標(biāo)：熟練掌握三維建模軟件3dsmax多邊形建模的方法，完成卡通角色三維模型創(chuàng)意、設(shè)計(jì)、制作及最終的3D打印實(shí)體模型，班級(jí)2-3人為一個(gè)項(xiàng)目學(xué)習(xí)小組。

教學(xué)重難點(diǎn)：三維建模軟件3dsmax多邊形建模
教學(xué)準(zhǔn)備：課前給學(xué)生提供課程學(xué)習(xí)網(wǎng)站——我校自主開(kāi)發(fā)的“空中課堂”課程網(wǎng)站，上傳3dsmax多邊形建模操作演示微視頻，給出課堂項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)要求，提供參考教材。實(shí)訓(xùn)室提供3D打印機(jī)及其打印材料，后期處理工具和上色材料。

圖5 3D打印出的模型組裝成的游戲《戰(zhàn)獸》中角色

教學(xué)項(xiàng)目要求：課堂教師首先展示本項(xiàng)目制作案例（即教師在企業(yè)參與項(xiàng)目的制作）。提出各小組參照案例自行設(shè)計(jì)一個(gè)動(dòng)畫(huà)故事或者一款游戲故事，將故事中的主角在3dsmax軟件中建立三維模型，并通過(guò)3D打印機(jī)打印出來(lái)，再進(jìn)行打磨、上色等后期處理。最后每小組制作答辯PPT，以小組為單位上臺(tái)課堂展示小組的創(chuàng)意設(shè)計(jì)及最終的3D打印卡通模型。
教學(xué)時(shí)間：4學(xué)時(shí)，其中2學(xué)時(shí)是教師進(jìn)行項(xiàng)目講解，2學(xué)時(shí)是學(xué)生作品答辯。3D打印實(shí)訓(xùn)室全天候?qū)�學(xué)生開(kāi)放。
教學(xué)過(guò)程：

1.各小組創(chuàng)建小組名稱(chēng)，開(kāi)展小組討論，進(jìn)行項(xiàng)目故事創(chuàng)意。
2.小組成員分工合作，開(kāi)展故事角色設(shè)計(jì)過(guò)程，有故事創(chuàng)意設(shè)計(jì)、有手繪角色設(shè)計(jì)、有二維畫(huà)圖、有三維角色建模。
3.小組進(jìn)行三維建模，制作過(guò)程中遇到問(wèn)題或困難，成員一起找視頻、咨詢(xún)老師，共同解決。
4.三維模型的轉(zhuǎn)格式輸出，進(jìn)行3D打印角色模型，期間模型打印尺寸、輸出文件出錯(cuò)，打印過(guò)程突然中斷等問(wèn)題百出，學(xué)生在教師配合下逐一解決（如圖4）。
5.3D打印出角色模型，對(duì)模型進(jìn)行去除支架、模型組裝、拋光、上色過(guò)程。有時(shí)候拋光過(guò)度，模型破了，就需要重新打印模型（如圖5、6）。
6.小組制作答辯PPT，將故事創(chuàng)意、設(shè)計(jì)、制作過(guò)程講述出來(lái)，將最終3D打印的卡通角色模型現(xiàn)場(chǎng)展示。教師根據(jù)作品現(xiàn)場(chǎng)考核評(píng)價(jià)。

圖6  3D打印上色后的戰(zhàn)龍

（二）3D打印融入課程項(xiàng)目，教學(xué)效果顯著提高，教學(xué)成果不斷
學(xué)生通過(guò)3D打印技術(shù)的融入，分小組項(xiàng)目式改革課程教學(xué)，作品從創(chuàng)意、設(shè)計(jì)到3D打印、后期處理，最終發(fā)展成為文創(chuàng)產(chǎn)品。這樣的學(xué)習(xí)過(guò)程，促進(jìn)了學(xué)生三維建模能力、創(chuàng)意能力、3D打印實(shí)操能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作創(chuàng)新能力的發(fā)展，有利于學(xué)生自主學(xué)習(xí)鉆研能力的培養(yǎng)。這樣的教學(xué)改革，學(xué)生親身實(shí)踐、自主設(shè)計(jì)，運(yùn)用3D打印技術(shù)進(jìn)行模型制作，在過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)自己設(shè)計(jì)的不足并有針對(duì)性地對(duì)方案進(jìn)行改進(jìn)，直到符合要求與標(biāo)準(zhǔn)，這種反復(fù)改進(jìn)的過(guò)程是以往教學(xué)過(guò)程中缺乏和無(wú)法訓(xùn)練的，這樣的過(guò)程也讓學(xué)生體驗(yàn)到設(shè)計(jì)、實(shí)踐的科學(xué)性與嚴(yán)謹(jǐn)性。

將3D打印技術(shù)應(yīng)用于三維建模的實(shí)踐教學(xué)，增加了實(shí)踐教學(xué)的途徑，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和學(xué)習(xí)能力起到了推動(dòng)作用。自2014年以來(lái)，作者團(tuán)隊(duì)指導(dǎo)學(xué)生完成優(yōu)秀實(shí)物作品16件，正在申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利8項(xiàng)，申報(bào)廣州市級(jí)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目2項(xiàng)，學(xué)生的課堂項(xiàng)目的作品參加全國(guó)三維數(shù)字化創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽“微深杯”3D打印創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽廣東省賽區(qū)特等獎(jiǎng)1項(xiàng)，一等獎(jiǎng)1項(xiàng)，二等獎(jiǎng)3項(xiàng)。獲全國(guó)三維數(shù)字化創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽“微深杯”3D打印創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽現(xiàn)場(chǎng)總決賽一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、二等獎(jiǎng)2項(xiàng)。學(xué)生的3D打印原創(chuàng)設(shè)計(jì)作品“原創(chuàng)遙控活動(dòng)機(jī)器人”參加首屆廣州市屬高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育成果展。
結(jié)語(yǔ)

三維建模課程是高職藝術(shù)設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)的必修課程，3D打印技術(shù)應(yīng)用于三維建模教學(xué)，的確能夠提高課程教學(xué)質(zhì)量，改進(jìn)教學(xué)模式，創(chuàng)新教學(xué)方法，使枯燥難學(xué)的內(nèi)容變得生動(dòng)有趣，是數(shù)字化教育的升華。3D打印技術(shù)在促進(jìn)專(zhuān)業(yè)教育教學(xué)方面將發(fā)揮更大的作用和巨大的創(chuàng)新潛能。



編輯：南極熊
作者：廣州工程技術(shù)職業(yè)學(xué)院  郭 涌