基于3D打印技術的創客實踐研究

摘 要：3D打印技術作為新的工藝制造方式，已經融入現代社會的生產生活當中，其與數字建模技術結合能制作出各種各樣的復雜模型。文章主要通過在藝術設計專業的3D MAX軟件教學過程中，結合專業教學特點，將制作的數字模型利用3D打印技術完成從模型到實體的轉換，完成小掛件的設計、制作到成品的完整過程，激發學生的創新思維，將創客實踐教育與專業課程相結合，進行創客實踐教育的探索研究。

關鍵詞：3D MAX;3D打印;創客實踐

注：本文系2016年湖南省教育廳科學研究項目“基于3D打印技術的高職藝術設計創客實踐研究”（16C0424）研究成果之一;2016年湖南省職業院校教育教學改革研究項目“‘雙創背景下的高職建筑室內設計創客式教學改革研究”（ZJGB2016154）研究成果之一。

一、創客教育與3D打印技術的發展概況

我國對培養社會主義建設人才提出了確切的要求，即培養創新型人才?！秶抑虚L期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020年）》提到，教育主要是培養具有創新能力和創新精神的復合型人才[1]。創新教育是指：“依據社會主義現代化發展對人的要求，有目的地培養青少年學生的創新精神、創新能力和創新人格的教育?！盵2]而創客教育的相關教育理念能夠促進創新教育水平的提升，在具體的專業課程教學實施過程中將創客思維融入到課堂教學，可以增強學生的創新意識。我國的創客教育興起時間比較晚，但教育信息化的快速推進讓創客教育也隨之快速發展。尤其是2015年李克強總理在兩會的政府工作報告中提到“創客”一詞后，創客教育迅速影響到了社會的各個領域，從高校到中小學都興起了前所未有的創客實踐活動[3]。很多學校將創客教育融入課堂教學，開展創客教育。

3D 打印是新興的快速成型技術，它將制作的數字模型使用各類金屬、塑料等粉末打印材料，通過分層打印燒結方式制作物體。3D 打印將以往個性化定制難以完成的關鍵技術成本等降到了最低，讓人們能夠利用創客空間借助互聯網進行協同創新，使用3D打印機完成個人產品的創意與制作[4]。對于創客來說，3D打印技術是使創意快速成型并創新應用的保障。

二、利用3D打印技術培養學生創新思維

3D打印技術的前提是需要制作出數字模型，3D MAX是眾多數字模型制作軟件之一，而3D MAX軟件課程在藝術設計專業或建筑設計大類專業中基本都有開設。例如環境藝術設計、動漫、室內設計、工業設計等專業都會應用到3D MAX或者3D其他軟件。這就為3D打印的創客實踐活動提供了很好的軟件基礎。在目前高職院校3D MAX課堂教學中存在一些問題，即大部分的教學主要是根據教材或教程完成模型的制作，缺乏創新思維的培養;在基礎教學中學生無法看到實物，學習興趣會慢慢缺乏，從而對本門課程學習興趣降低。因此，將3D打印融入課堂教學，在基礎教學中將學生做好的數字模型通過3D打印的方式呈現出來，能極大激發學生興趣。

三、以3D MAX基礎教學為例的3D打印技術的創客實踐

要利用3D打印技術的特性來培養學生的創新精神開展創客實踐教育，就需要了解3D打印技術的特點。要將做好的數字模型利用3D打印的方式將實物打印出來需要分為4步，分別是數字模型建立、模型檢測轉換、打印成型、后期打磨上色加工。3D MAX軟件是一個綜合性能很強的軟件，能夠在游戲、動畫、電影、建筑、工業設計等領域應用。它是Discreet公司基于PC系統開發的三維軟件，是世界上最早應用于電腦動畫及工業三維制作的軟件之一[5]。3D MAX的應用十分廣泛，它的強大功能可以滿足3D打印的普通數字建模工作。以藝術設計類專業日常教學中的3D MAX基礎建模命令的學習課程為例，進行板凳的建模工作，之后使用3D打印技術完成板凳實體模型的制作。建模過程對于初學者來說并不復雜，所使用到的命令也僅為基礎幾何體建模命令，本案例的選擇也能夠滿足初學者學習3D MAX軟件的需求。同時利用3D打印技術進行創客教育實踐，實現學習與創新的轉化?，F有打印設備和技術不能夠打印出帶有3D材質貼圖和紋理色彩信息的作品，因此，在3D MAX建模過程中不需要模型的材質貼圖的制作以及架設燈光等工作，因此3D MAX的基礎建模教學適合完成從建模到3D打印的實體轉換，從而實現最初的創客實踐教育。

利用3D MAX基礎命令教學，創建板凳模型，最終制作3D打印吊墜。

選擇板凳作為基礎案例主要是因為3D MAX建模最容易入門的是幾何體建模，能夠充分激發學生的學習興趣，能夠讓學生享受學習帶來的樂趣的同時初步了解3D打印的基本知識。讓學生通過3D打印看到自己的第一件由模型轉化為實物的作品，初步對其灌輸創客思維。

首先，幾何體板凳模型的創建。在創建板凳模型之前，需要確認最終打印尺寸，因為在日常教學過程中一般會根據現實生活中的實物大小進行創建與制作。將現實生活中的板凳縮小，可使得最后打印出來的板凳模型吊墜小巧可愛，并且能夠使得3D打印的速度和效率、材質損耗達到一個平衡。因此在模型制作前期需要同學們對3D打印的價格和特點等進行全面收集和掌握，確保最終能夠打印出精美漂亮的板凳吊墜作品。根據市面上的不同板凳的實際大小，學生最終選擇了25cm×30cm×45cm這個尺寸。因這個尺寸與教室和機房的板凳接近，制作過程中有參考對象，制作完成后有紀念價值。模型使用3D MAX的基礎幾何體命令建成。在建模過程中，按照實際模型大小進行比例的確定，根據板凳大小，最終確定以10∶1的比例進行創建，在創建的過程中要注意軟件的單位設置，這樣做出的模型會更加精確。最終確定模型高度為2.5cm×3cm×4.5cm。建模完成后需對完成的模型進行檢測。

其次，利用3D打印技術完成實物模型制作。學生使用3D MAX的基礎命令完成板凳建模工作，3D打印的數字模型基本制作完成。市場主流的FDM 3D打印機能夠識別STL格式，不能直接支持3D MAX文件，因此我們需要將做好的3D MAX板凳模型文件轉化成STL格式文件進行保存。然后利用KISSlicer軟件進行切片打印，最終完成板凳模型的打印制作。打印完成后將打印好的模型與平臺分離取出，會發現模型上還附著很多支撐結構，需要對打印好的模型進行后期的處理和修飾。支撐結構主要和模型的造型有關，主要是為了防止模型的懸空部分在打印過程中坍塌。支撐結構會影響到成品的美感，其與底部網格結構都是用于保護打印模型，在打印完成后需要將其去除。通過使用美工刀、剪刀、鉗子等工具將附著在模型本體上的支撐結構去除，然后使用砂紙等打磨工具進行精細打磨。在去除支撐結構的過程中需要注意保護板凳模型，由于板凳實物凳角等部分本身就尺寸很小，縮小打印后，凳腳部分會變得很細，這會讓拆除支撐物過程變得艱難。為了解決這一問題，可以在制作模型過程中適當夸大凳腳尺寸，在分離凳腳內部空間時需要操作者耐心細致，不要造成凳腳斷裂。在完成支撐物的修剪后，初步完成板凳的打印，但是模型還是會有殘留和毛邊，需要使用砂紙進行打磨使模型整體看起來精細。打磨完成后，可以對模型進行抹灰噴漆使其更加美觀。最后安裝金屬環做成吊墜，完成整個作品。

四、結語

筆者嘗試將創客教育融入到高職藝術專業的專業課堂教學中，用創客思維指導專業課堂教學，讓學生成為學習的主體，要求學生主動學習、主動探索和架設知識框架，讓學生由被動地學習變為主動去學，提升其創新意識和實踐能力。讓學生養成創新、合作、實踐、分享的習慣。本文在創客理念的指導下以3D打印技術為技術支持，結合3D MAX專業課程教學，進行創客實踐的研究探索，將創客教育融入到課堂教學中，鼓勵學生將自己制作的3D模型通過3D打印的方式以實物呈現出來，讓高職藝術設計類專業的教育能夠借助3D打印的技術優勢，探索創客教育實踐路徑。通過本次板凳模型的制作，讓學生在掌握3D MAX建模技能的同時，對3D打印技術也有更深刻的認識，從而帶來思維上的突破，逐步培養其創新創意設計思維。讓學生自己動手從3D打印技術中挖掘和探索自我的創新意識和實踐動手能力，擺脫傳統教學學生難主動動手、主動思考的困境。

參考文獻：

[1]楊現民，李冀紅.創客教育的價值潛能及其爭議[J].現代遠程教育研究，2015（2）：23-34.

[2]薛惠芝，李培亮.論創新教育和創新人才的培養[J].中國成人教育，2003（4）：31-32.

[3]王健潼.中學3D打印創客課程開發及實踐研究[D].沈陽大學，2018.

[4]李彥生，尚奕彤，袁艷萍，等.3D打印技術中的數據文件格式[J].北京工業大學學報，2016（7）：56-57.

[5]付曉.淺談中學美術教學審美教育的重要性[J].中國校外教育（上旬刊），2017（11）：162.

作者簡介：

詹松，湖南工程職業技術學院副教授。研究方向：室內設計、環境藝術設計、職業教育。