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3D打印技术在三维建模教学中的实践探索

3D打印技术是一种快速成型技术,它无需机械加工或模具,就能直接从计算机图形数据中生成实体模型,大大缩短了产品的研制周期。从3D打印的小件文创饰品,到鞋、灯具等生活用品,到3D打印的房屋、汽车等,应用领域越来越广泛。在教育教学领域,3D打印技术将成为未来教育领域教育技术的重要发展之一。3D打印技术应用到课程教学,激发了学生的创新思维,拓宽了教学目标和内容,改变了教学方式和手段,对于学生创新精神和实践能力的培养有着不可替代的意义,促进了高职院校复合型创新人才的培养。

一、3D打印技术在三维建模教学中的积极作用
(一)3D打印技术简介
三维打印(3D打印)是一种实用、便捷、运营成本相对低廉的新兴科技成果,其首先以数字化的三维建模为依据,运用相关软件并通过先进技术为支撑,将金属、塑料等材料粉末化后作为可塑材料,通过3D输出装置来塑造立体化模型的技术。人们利用这一科技成果,可以将电脑中的虚拟模型转变成现实中真实具体的三维模型。
3D打印分三维设计过程和3D打印过程。三维设计过程是通过计算机三维建模软件设计模型,或者通过三维扫描仪对物体进行扫描成为数字化模型。3D打印过程就是把数字化模型导入分层处理软件,设定打印参数,用液体状、粉状或片状的材料将这些界面逐层地打印黏合成真实物体。
3D打印作为一门崭新的应用技术得到飞速发展,渗透到工业制造、文化创意、数码娱乐、航空航天、生物医疗、建筑工程等各个行业。

图1 学生设计的文创产品

(二)激发了学生的创造思维
在传统的三维模型课程中,学生设计制作的模型只能展现在电脑的虚拟空间里,看得见,摸不着。3D打印技术正好突破了虚拟世界,可以将电脑中虚拟的三维模型打印出来,成为实物化的真实模型,这大大吸引了学生的学习兴趣,激发了学生的创造性思维。通过3D打印的实训过程,提高了学生对三维建模设计制作的实操能力、3D打印的动手能力和整个过程中解决实际问题的能力。对创新型人才培养具有积极意义。

(三) 提高了学习效果
3D打印激发了学生DIY(Do It Yourself)的兴趣,通过3D打印技术融入课程,学生在三维软件中设计的三维模型转变成真实的立体实物,使学生脑海的抽象设计变成了现实,使学习更加生动。有效地激发了学生内在的学习动力,教学效果显著提高。

(四)促进了文创产品的开发设计
3D打印技术应用在三维建模教学中,学生的创意设计模型从虚拟的设计变成了现实的实物,利用互联网平台,学生将自己的作品放在网上销售,成为了名副其实的文创设计产品(如图1、2、3)。

图2 学生设计的文创产品

二、3D打印技术对三维建模教学中的改革

(一)3D打印技术引入教学,创新了教育教学方式
3D打印机工作步骤:先通过计算机建模软件建模,然后通过SD卡或者USB优盘把它拷贝到3D打印机中,进行打印设置后,打印机就可以把它们打印出来。因此3D打印技术的一个重要环节就是虚拟三维模型的制作。

图3 学生设计的文创产品

在传统的三维建模教学中,尽管在教学模式和教学方法上我们进行了各种尝试和设计,比如案例教学法、讲练结合法、项目实训法进行教学改革,但是仍然有很多学生对三维建模学习感到力不从心,不能熟练掌握软件制作的技能,逃避甚至放弃对该课程的学习。 
3D打印技术引入教学,学生在三维软件中设计制作的模型,通过3D打印,就可以直接直观地变成真实的物体,极大地提高了学生的学习兴趣和学习三维建模的积极性,课程教学中,理论、操作讲解、实训室实训三位一体。课堂教学从过去以教师为中心的讲授式,逐步转换为以学生为主体、教师为辅导的新型教学模式,创新了三维模型教学模式。

(二)教学内容的改革
3D打印技术引入教学,教学内容也相应作出了调整,不再是以软件命令学习、实操为主线,而是以企业制作流程设计课程教学,以实例工程项目为主线构建教学内容,将三维建模软件3dsmax中命令教学融入工程项目中,与3D打印技术相结合,在项目实训过程中让学生掌握三维建模的实操方法和技巧。

图4 三维模型打印的过程

三、3D打印技术在三维建模教学的实践

(一)通过深入企业提炼项目,结合项目实例,开展课程教学
本课程教学前期,任课教师利用假期深入相关企业进行学习实践,在企业参与真实项目制作,将企业参与的项目内容进行提炼成该课程的实训项目。本课程以一个个项目实例串联起来,构成该课程的教学内容。这里以多边形建模为例演示三维建模的教学设计过程。
教学目标:熟练掌握三维建模软件3dsmax多边形建模的方法,完成卡通角色三维模型创意、设计、制作及最终的3D打印实体模型,班级2-3人为一个项目学习小组。

教学重难点:三维建模软件3dsmax多边形建模
教学准备:课前给学生提供课程学习网站——我校自主开发的“空中课堂”课程网站,上传3dsmax多边形建模操作演示微视频,给出课堂项目实训要求,提供参考教材。实训室提供3D打印机及其打印材料,后期处理工具和上色材料。


图5 3D打印出的模型组装成的游戏《战兽》中角色

教学项目要求:课堂教师首先展示本项目制作案例(即教师在企业参与项目的制作)。提出各小组参照案例自行设计一个动画故事或者一款游戏故事,将故事中的主角在3dsmax软件中建立三维模型,并通过3D打印机打印出来,再进行打磨、上色等后期处理。最后每小组制作答辩PPT,以小组为单位上台课堂展示小组的创意设计及最终的3D打印卡通模型。
教学时间:4学时,其中2学时是教师进行项目讲解,2学时是学生作品答辩。3D打印实训室全天候对学生开放。
教学过程:

1.各小组创建小组名称,开展小组讨论,进行项目故事创意。
2.小组成员分工合作,开展故事角色设计过程,有故事创意设计、有手绘角色设计、有二维画图、有三维角色建模。
3.小组进行三维建模,制作过程中遇到问题或困难,成员一起找视频、咨询老师,共同解决。
4.三维模型的转格式输出,进行3D打印角色模型,期间模型打印尺寸、输出文件出错,打印过程突然中断等问题百出,学生在教师配合下逐一解决(如图4)。
5.3D打印出角色模型,对模型进行去除支架、模型组装、抛光、上色过程。有时候抛光过度,模型破了,就需要重新打印模型(如图5、6)。
6.小组制作答辩PPT,将故事创意、设计、制作过程讲述出来,将最终3D打印的卡通角色模型现场展示。教师根据作品现场考核评价。


图6  3D打印上色后的战龙

(二)3D打印融入课程项目,教学效果显著提高,教学成果不断
学生通过3D打印技术的融入,分小组项目式改革课程教学,作品从创意、设计到3D打印、后期处理,最终发展成为文创产品。这样的学习过程,促进了学生三维建模能力、创意能力、3D打印实操能力和团队协作创新能力的发展,有利于学生自主学习钻研能力的培养。这样的教学改革,学生亲身实践、自主设计,运用3D打印技术进行模型制作,在过程中,发现自己设计的不足并有针对性地对方案进行改进,直到符合要求与标准,这种反复改进的过程是以往教学过程中缺乏和无法训练的,这样的过程也让学生体验到设计、实践的科学性与严谨性。

将3D打印技术应用于三维建模的实践教学,增加了实践教学的途径,对培养学生的实践能力和学习能力起到了推动作用。自2014年以来,作者团队指导学生完成优秀实物作品16件,正在申请国家发明专利8项,申报广州市级创新创业项目2项,学生的课堂项目的作品参加全国三维数字化创新设计大赛“微深杯”3D打印创新设计大赛广东省赛区特等奖1项,一等奖1项,二等奖3项。获全国三维数字化创新设计大赛“微深杯”3D打印创新设计大赛现场总决赛一等奖1项、二等奖2项。学生的3D打印原创设计作品“原创遥控活动机器人”参加首届广州市属高校创新创业教育成果展。
结语

三维建模课程是高职艺术设计专业的必修课程,3D打印技术应用于三维建模教学,的确能够提高课程教学质量,改进教学模式,创新教学方法,使枯燥难学的内容变得生动有趣,是数字化教育的升华。3D打印技术在促进专业教育教学方面将发挥更大的作用和巨大的创新潜能。