3D打印在产品设计教学中的层级应用,该文是设计教学类有关专科开题报告范文跟产品设计教学和层级应用研究和打印相关论文范文素材.
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摘 要：3D 打印技术层级论分为“物”“根”“魂”三大系统层次.3D 打印技术层级论针对现有高校应用层次低端的问题,主要从“根”“魂”的层面重新审视3D 打印技术,并以功能应用、思维应用、情感应用三方面、多阶段、递进式地推进新技术在产品设计教学中的应用,旨在为各同仁提供跨越物质层面的有效参考.
关键词： 3D 打印技术；产品设计教学；层级论；
中图分类号：TB472 文献标识码：A 文献编号: 1003-9481（2018）04-0044-04
一、前言
目前,被喻为人类世界的第三次工业革命的3D 打印技术正受到社会各方的广泛关注, 而“ 互联网+”科技发展战略思想也正在倡导, 包含制造技术与信息科技的智能制造模式正在深深影响整个制造业.3D 打印技术是一种快速成型技术, 利用粉状、丝状或片状的塑料或金属等材料, 通过分层打印、逐渐叠加的方式来构造三维物体.[1]3D 打印技术逐步应用于航空航天、工程建筑、机械制造、生物医疗、艺术设计等领域,作为人才培养基地的教育领域也开始对其审视与关注.借助它,学生不仅可以享受到这种高新技术辅助教学的便利, 还可以用全新的方法学习设计技能, 提高他们的技术素养并对他们未来的职业规划产生一定的影响.鉴于此,本文先从3D 打印技术在高校教学中的不利现状入手,从层级论的角度重新审视3D 打印技术,以功能应用、思维应用、情感应用三方面,全方位地推进3D 打印技术在产品设计教学中的应用效果.
二、3D 打印技术在高校实践教学的应用现状
3D 打印技术在高校教学中的推广是一项庞大的系统工程,需要政府、企业和高校三方面共同努力,需要经历较长期过程.当下还处于发展的初期,政府的宏观规划还未正式启动,教育系统中的3D 打印技术发展处于无序状态,各高校独自研究,彼此间缺乏交流,同时高校间发展不平衡.[2] 一方面,清华大学、华中科技大学、西安交通大学等多所知名高校在3D 打印技术方面研究取得了长足的进步,其激光直接加工金属技术、生物细胞3D 打印技术等已经处于世界先进水平[3]；另一方面,众多普通的、中西部高校对3D 打印技术的了解仍处于讲座宣传与理论学习阶段,谈不上应用推广.另外,各学科应用情况也不相同.机械工程、数控技术、材料科学、生物工程等少数学科因与3D 打印技术领域相关,拥有数字文件资料、机械制造知识与软件建模能力而率先进行尝试,而其他学科因遭遇技术壁垒而望尘莫及,应用难以展开.由此可见,目前3D 打印教学应用范围比较有限.
更为甚者,3D 打印教学应用层次也不乐观,以前述的机械工程、数控技术、产品设计等学科为例.首先,与专业知识联系不紧密,纯粹“造物”的目的比较明显.大多从网络上直接下载模型文件,打印出来当教具让学生观看与触摸.其次,在3D 打印教学中花费大部分时间讲授建模软件,将软件的使用凌驾于设计和造物之上.再次,学生跟随式的学习,完全按照教师的制作步骤或范例完成作品建模与打印.如此任务式运用,学生思考空间有限.
针对以上情况,我们有必要对3D 打印技术进行重新审视,深度挖掘其蕴含的精髓.只有了解得更深,才能应用得更广、推广得更好.
三、3D 打印技术的再认识——层级论
宋代禅宗大师青原行思提出参禅的三重境界：参禅之初,看山是山,看水是水；禅有悟时,看山不是山,看水不是水；禅中彻悟,看山仍是山,看水仍是水.这段话讲的是人生不同认识阶段与参悟.作为3D 打印技术的使用者,笔者认为认识3D 打印技术也要经历这样的三层境界,学会从层级论的视角全方位、多角度地了解该技术.
(一)3D 打印技术层级论
3D 打印技术层级论认为3D打印技术是有层次结构的, 认识与掌握它分为三个系统层次, 即“物”“根”“魂”,三者由低到高,由外而内排列.教学要从基本的子概念、子技能出发,逐级向上,逐渐学习到高级的精神技能.[4]
1. “物”层面,反映3D 打印技术的技术特征.3D 打印技术上可打印飞机轮船,下可制作纽扣别针,材料上涵盖塑料、陶土、金属、木塑,形态上包括各式复杂曲面,多层面等,3D 打印“物”性异常强大.
2. “根”层面,意旨3D 打印技术附带的思维品质.它缘于现有的减型工艺对设计思维诸多束缚的不满,力求将自由设计思维、批量思维、平台服务思维、协作服务思维慢慢渗透于使用者脑中,3D 打印之“根”源远流长.
3. “魂”层面,反映3D 打印技术的精神意念.涵括层层相加理念、不断打印、修正的验证理念、熔融沉积理念,这些理念易使人产生情感触动,诱发深刻思考.
(二)3D 打印技术层级结构与家具设计教学应用情况之间的映射关系
映射关系分为三层面：有形的、“物”层面映射——关注3D 打印技术的功能应用方法；“根”层面映射——关注3D 打印技术的思维应用方式；“魂”层面映射——关注人在3D 打印技术教学应用中的感受与情感.3D 打印技术与产品设计教学相互融合,映射出的关系图如图1 所示,映射图从理论上指导我们如何在产品设计教学中应用3D 打印技术,同时在应用过程中充分研究与关注涉及元素,争取将3D 打印技术教学应用全方位、多层级展开.
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四、在产品设计教学中多层级、渐进式地应用3D 打印技术
针对当前3D 打印技术教学应用集中于打印原理的掌握、教具的打印与软件的学习等初浅层次,本课题主要从3D 打印技术的思维应用与情感应用等深层次入手,旨在为各同仁提供跨越物质层面的有效参考.
(一)功能应用
此应用着重把握3D 打印技术如何与产品设计课程知识点的融合,带领学生养成独立思考,认真探索的精神.
1. 制作经典产品模型,并进行细细品味
在产品设计史的教学过程中,对于战国床、圈椅等几百年前出现的经典产品（图2）,以多媒体图片呈现显得不够生动.可应用3D 打印技术打印相应模型,让学生从360 度、全方位空间进行观察,从而能更直观准确地认识产品形态和尺度.在此基础上,引导学生对作品形态与风格进行分析,探究形态的由来与内涵,品味风格的个性魅力.
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2. 再现家具产品卯榫,创新家具连接方式
榫卯结构复杂,种类繁多,但是不能随便拆卸观察,神秘感强烈.以往在讲解该方面知识时,学生一脸朦胧,就算加上视频观看,学生也难以理解.通过导入3D 打印,学生观看制作的卯榫模型（图3）,并在教师引导下动手组装,学生兴趣高涨.此后以分组的形式,让学生建模一些复杂的卯榫部件,并不时进行讨论与研究,促使学生将卯榫要点牢记于心.当课程结束后,教师把卯榫模型收起时,学生们还能清晰地画出卯榫结构图,掌握情况异常良好.
在此基础上,教师展示了匈牙利的设计师 Olle Gellert 设计的可应用于模块化家具产品的3D 打印连接件（图4）,并引导学生思考,同时要求他们应用3D 打印技术对卯榫结构进行简化与升级,创新出更多样的家具连接形式.学生似有启发,带着问题,努力思考,虽还未设计出经典样式,但是探索精神不断增加.3D 打印技术既发挥了三维展示作用,又发挥敦促思考的功能,应用前景欣欣向荣.
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3. 更新家具生产制作教学内容,凸显工艺优越性
不再让学生了解众多机器特征与参数设置,不再记忆众多生产工艺流程与要点,不再需要到繁杂的工厂中进行动手与实践,有的则是3D 打印工艺的简化与高效,腾出更多的时间,正可以进行产品创意设计的引导,教学效率大大提高.
(二)思维应用
3D打印技术教学应用逐步推进,漫步至思维应用层次.将此思维模式应用于课堂,对学生的思考方式、学习态度产生积极影响.
1. 应用自由设计思维进行产品概念设计
自由设计思维指设计者可以无需考虑制造的可能与否,可以突破传统工艺的限制,设计异常复杂的产品.基于此,结合产品概念设计的要求,教师将设计的灵活度进行更大地提升,提出“自由形态拟合”“创意无限”的口号,鼓励学生应用多元、非线性的价值观取代传统的线性思维结构,让审美逐步向动态与多维方向拓展.经过如此自由教学,学生右脑思维逐步打开,作品形式愈加丰富.如图5,公伟程同学的《树根家具》借鉴树根结构用自然选择的遗传算法优化整个设计,通过参数的调整改变椅子的造型达到椅子的“生长”,整体成型工艺缩短了生产供应链,这与可持续发展的设计理念不谋而合.陈昭同学的《多孔架》设计突破了结构方面的限制,创新性十足.
2. 应用批量思维开设“化产品”专题设计并尝试承接业务
批量思维是关于3D 打印核心竞争力的思维.批量个性化产品使得机械化流水线生产困难,呼唤智能制造的3D 打印技术出现.[5] 通过开设“化产品”专题设计,并以威客平台上客户实际需要为选题,最后在淘宝、京东网店上进行销售的整体流程,将批量思维烙印于学生头脑中,使之了解市场的需求情况,同时还让他们接触消费人群,提高其与人交际沟通能力.经过专题教学,学生打印出自己的设计作品,并有两个学生实现销售业绩,整体效果良好.如图6,苏鹏同学的《椅》与张真筝同学的《架》,结合客户的要求与自身的发散性思维打印而成,得到了客户的喜爱与好评.
3. 应用平台服务思维搭建3D 打印服务云平台
平台服务思维是关于运作模式、组织形态的思维.在教学中,专任教师本着高新技术服务大众的精神,让一批兴趣浓厚、上进心强的学生申请创新创业基金,尝试搭建3D 打印服务云平台,向其他专业学生提供3D打印服务.平台以数据库为核心,以实际问题为导向,以创新创造为目的.通过3D 打印机与实验相结合的学中做、做中学的模式,掌握原理；通过3D 打印制作实际案例,用所学原理解决问题；通过诸多案例训练,掌握综合知识应用,利用3D 打印实现创新设计.[6] 旨在培养学生的自学、思考、动手、解决问题以及创新创造这五大能力.平台现还处于模拟阶段,架构之路还很长远,但已得到校方的大力支持,希望在不久的将来进行实际推广,广泛服务大家.
4. 应用协作创新思维加强校企合作,促进产学研
协作创新思维是关于专业边界的思维,是以技术增值为核心,政府、企业、高校为了实现3D 打印技术突破而展开的跨度融合的创新组织模式.在贯穿3D 打印技术的产品设计教学中,企业为课程建设提供资金、技术,学校提供相应人才,双方共同组建研究实验室,挖掘3D 打印技术价值,推动新技术教育推广并实现企业的应用.
(三)情感应用
3D打印技术的教学应用亦步亦趋,层层递进,逐步上升到质的层次,发挥其情感效能.
1. 层层叠加理念感受自身造物的快感
在产品设计教学中,经教师指导,通过软件的建模,生成虚拟的三维产品形态.将此虚拟数据导入3D 打印设备,后经历几个至十几个小时的层层叠加,3D 建造物孕育而生.学生惊叫,激动,心中欢喜之至,第一次体会到亲手塑造,自我把控的造物快感.在此关键时刻,教师讲述人类生命的孕育以及自然的造物过程,学生认真聆听,似有所思.后经历多次建模,多次打印,多次长时等待后,若干学生由刚开始的不耐烦,来回走动,到后期等待,视线随着3D 打印机丝线的吐动而移动,神情有所凝重,逐步感受到造物的不易,并体会到父母养育自身的艰辛,心智有所成长,操作过程更加仔细.同时,他们也感叹3D 打印机的忠实,坚决执行操作者发出的命令,无论多久,一丝一线慢慢叠加,凭着一种锲而不舍、坚持不懈、一心一意的精神高额完成任务.层层叠加、逐步成长,确实是耐人寻味,也给学生不少启示：产品设计专业知识虽然繁多,要点难以理解,但是只要坚持不懈,逐步积累,假以时日,必定学有所成.
2. 不断打印不断修正的验证理念体验自造物蜕变进化过程
在产品设计教学中,根据教师的布置与要求,经过充分的讨论并应用发散性思维,学生设计并打印出较为满意的作品.由于电脑中的虚拟形态与实体性产品存在本质差别,制作的打印物必须经过尺寸、结构、受力、材质、人机工程的测试与检验.其中任一方面没有达标,则需重新设计、修改并再次打印,如此过程可能重复多次.经过不断打印不断修正,不断验证,不断去粗取精,自造的打印物蜕变进化,不断完善.经历如此艰辛过程,学生对3D 打印技术有更深的理解：机器打印的不单是外在的形,更多的是内在的质,里外结合,表里如一.由此联系到个人,学生或有启示：个人应积极参加专业实践与社会体验,经历风雨的洗礼,越过人生的磨练,才能不断提升自己,茁壮成长.
3. 熔融沉积理念感受自造物适应需要、优胜劣汰法则
在产品设计教学中,应用3D 打印设备打印产品模型时,固态丝状材料如ABS 在高温状态下加热至熔融状态,加热喷头将半流动状态的热熔材料挤出,材料迅速固化形成截面轮廓.当前层成型后,喷头上升涂覆,层层堆积成三维产品.由此可看出,存在物根据实际需要被迫性或适应性的改变自身某些缺陷或不足,适应环境,优胜劣汰,后逐渐完善自身.联系到做人也是如此,课堂有一定的纪律,社会有一定法则,学生应该破除懒散、松弛、个性化太强的缺点,认真学习,主动适应社会,深入专业实践,争取学有所成.
综上所述,3D 打印技术在产品设计教学中的应用是多阶段,递进式的过程.达到功能应用,改变教学秩序,形成积极课堂；达到思维应用,学生知识面扩大,思维活跃,交际能力提高；达到情感应用,学生情感触动,心智积极成长.
五、结论
一切新技术在教学中的应用要想取得良好效果,都有一个在今天的社会语境中重新诠释和推陈出新的问题,经历一个衍变,这个衍变就是对3D 打印技术层级论的深入认识,将3D 打印技术在产品设计教学中的功能应用、思维应用与情感应用三者合一,形成三位一体的应用模式,达到系统化的教学层次.
参考文献： .
[1] 李青,王青.3D 打印：一种新兴的学习技术[J]. 远程教育杂志,2013（08）.
[2] 毕延刚.3D 打印对高等院校工业设计专业教学的影响[C]// 中国机械工程学会工业设计分会, 辽宁省机械工程学会.2013 国际工业设计研讨会暨第十八届全国工业设计学术年会. 论文集,2013：4.
[3] 郑 涛.3D 打印技术在工业设计专业教学中的应用[J]. 教育教学论坛,2015.
[4] 武素云. 思维层级论与大学生中国梦践行的价值应用研究[J]. 中国成人教育,2014（12）.
[5] 宗贵升.3D 打印思维与实践[J]. 粉末冶金工业,2015（12）.
[6] 尚雯,谭跃刚,张帆,周祖德,娄平. 面向大学生创新教育的3D 打印教学实验平台研究与应用[J]. 中国轻工教育, 2016（06）.
作者简介：
郑泳华（1981-）,男,福建漳州人,硕士,漳州城市职业学院讲师,主要研究方向：产品设计、家具设计.
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