VR与3D打印在通用技术课程中的应用

李岩

【摘 要】高中通用技术学科强调学生通过解决现实生活中的问题来形成物化能力。“模型或原型的制作”一节课是培养学生通用技术核心素养中“物化能力”的重要章节。本文介绍了学生借助VR与3D打印技术，通过自主探究和实践完成国产航空发动机模型的设计与制造的全过程，对全面提升学生核心素养进行了新的探索。

【关键词】 VR与3D打印;通用技术;模型制作

【中图分类号】G434  【文献标识码】A

【论文编号】1671-7384（2021）09-059-03

“模型或原型的制作”是高中通用技术必修“技术与设计1”中第六章的内容，本单元是培养学生通用技术核心素养中“物化能力”的重要章节。全章围绕“模型或原型的制作”主题，设计了“模型的特性与作用”“材料的性能与规划”“工艺的类别与选择”和“制作台灯模型”四节内容，每一节均以真实情境中的问题为线索、以任务为引领，引导学生通过“做中学”和“学中做”构建知识、习得技能、获得素养。让学生学习和体验设计方案物化的具体步骤与方法，对于帮助学生了解设计的完整过程，掌握设计方案“物化”的关键技能，领悟统筹、规划、权衡的设计思想，务实严谨、认真细致的良好品质具有重要作用。

为了更好地激发学生的学习积极性，鼓励学生以小组为单位自主选择模型设计的主题和加工工艺完成模型的制作。本文介绍的是学生借助VR和3D打印技术设计和制作的国产大飞机C919的航空发动机模型。

模型设计思路

模型是根据实物、设计图样或构思，按比例制成的与实物相似的一种物体。模型制作的过程不仅是设计思想体现的过程，也是发展构思的创造性过程。学生设计的这款发动机模型是以最新装配我国C919大飞机的“CJ1000A”发动机为原型设计的，发动机整体包括进气道、风扇、低压压气机、低压涡轮和调节系统等部分，如图1所示。

考虑到模型制作的仿真特性和使用材料的加工工艺，学生选择了运用3D打印技术来设计和制作发动机模型。为了高度还原发动机的复杂构造，学生将组成发动机的外壳、风扇、压气机和尾喷口等主要零部件进行独立设计和制作，并在后期进行喷漆和组装。

1.VR体验

与国外的航空发动机相比，我国自主研发航空发动机尚处于起步阶段，因此可以参考和借鉴的资料非常有限，特别是国产发动机内部构成的分解图更是少之又少。因此，我们借助学校VR平台中的案例来观察和体验国产发动机。通过VR案例，学生可以观察发动机的整体构造，对国产发动机的外观特征有了初步的了解;之后，VR中的零件拆分功能让学生能够对发动机进行拆解，逐一观察构成发动机的进气道、风扇、低压压气机、低压涡轮和调节系统等部分。如图2所示。VR设备身临其境的沉浸感给学生带来了良好的体验效果，不仅极大地激发了学生的学习兴趣，还为下一环节的三维设计建模提供了数据支持。完成VR体验后，学生在了解国产发动机构成的基础上还可以通过自主探究来明确各个零件部分的功能和作用，从而实现知识的深度学习。

2.三维设计与3D打印

在进行分小组讨论时，学生提出传统模型的制作工艺并不适合发动机模型的设计与制作，因此，他们选择了使用3D打印技术。三维设计建模是3D打印的前提和基础，学生根据中国航空相关权威网站提供的有限数据和之前VR案例中观察到的虚拟情境，通过绘制草图和标尺标注，确定了发动机三维建模的外部尺寸和比例关系，并使用中望3D软件进行三维建模，如图3所示。

在三维建模的过程中，学生遇到了一些困难。例如，发动机曲面的构建和低压排气槽的设计，特别是进气风扇的设计需要所有的扇叶一体成型，这也是目前我国航空发动机制造工艺所面临的现实困难。教师针对学生遇到的这些技术困难做了相应的指导和帮助，使用三维设计软件中的曲面构建、实体镂空和环形阵列等功能实现了设计目标。

完成三维建模后，学生使用学校的3D打印机进行打印。3D打印是将耗材加热后逐层堆叠成型的，打印作品的表面会有规则的打印纹路，打印精度越高则打印的纹路越浅。受限于3D打印机的打印尺寸，学生将发动机的各个零部件进行拆分，独立打印。由于打印之后需要在模型表面喷漆，因此，需要使用较高的打印精度来保证模型的精细程度。

3.打磨喷漆与组装

零部件打印完成后，先对其进行预组装。由于各个零部件是独立设计、分开打印的，因此可能会产生误差，从而造成组装困难。在此，先将模型的各个零部件进行初步的安装，观察模型各部分的比例关系和打印尺寸是否符合之前的设计要求，并将误差较大和不匹配的地方加以标注，为下一步打磨和调整做准备。

打印完成的模型表面会有一些毛刺，还会有一些比较锋利的边缘，此时就需要用砂纸进行打磨。先使用800—1000目的砂纸进行初磨，去除毛刺和锋利的边缘。之后，使用锉刀针对误差较大的地方进行精细挫削。打磨完毕，在各部件的表面喷一层水补土以使表面光滑平整。

打磨完成后，使用喷笔、喷泵对模型的各个零件进行喷涂上色，以提高模型的仿真程度。待漆面晾干之后，完成发动机模型的最终装配。如图4所示。

当一个完整的航空发动机模型呈现在学生面前时，如图5所示，学生们的激动程度是无法想象的。此时，本章课程也接近尾声。制作小组的同学们滔滔不绝地向其他同学介绍他们的设计灵感、制作过程以及遇到的困难。他们介绍完毕后，教师和其他同学对他们的模型给予了很高的评价，也提出了一些问题和建议。纵览全过程，通过VR体验，学生们构思了模型的设计创意;通过自主探究，学生们掌握了航空发动机的相关知识;通过动手实践，学生们感受了模型设计与制作的全过程;通过交流评价，学生们展示了自己、收获了建议。

本单元要求学生能够根据设计要求选择合适的材料与工具，了解常用材料的属性及加工方法;在实施设计方案的过程中，能从经济、质量和美学等方面考虑材料的使用，掌握基本的工具使用方法。针对课程标准所提出的要求，教师要求学生以小组为单位自主选择模型主题，在学习内容和活动的设计上充分体现了以学生为主体的教学思想。教师按照“情境导入→自主探究→实践体验→交流评价”的思路进行教学，符合高中生的认知，且有利于教学目标的达成。学生借助VR技术进入学习情境，并构建自己的思维逻辑。之后，通过自主探究学习和积累技术技能，特别是在选择制作材料和加工工艺时，学生根据模型的设计特点和要求放弃了传统的木工和金工工艺，而使用3D打印技术，不仅很好地实现了设计目标，更是对模型制作的技术手段进行了新的尝试和探索。

学生在“国产航空发动机”模型的设计与制作过程中从真实的任务入手，了解了模型的概念和作用、学会了材料的选择与规划、掌握了三维设计和3D打印机的功能和应用，最终完成了发动机模型的制作。与此同时，在交流与评价的过程中，学生通过对解决实际问题全过程的介绍，进一步理解了“工匠精神”的基本内涵和重要意义，从而实现了学科核心素养和实践技能的全面提升。

注：本文系北京市教育科学规划课题“使用VR技术提升中学生学习投入的实践研究”（课题编号：CHDB19396）的研究成果

参考文献

李翔. 民航航空发动机分类与原理[J]. 飞行世界，2020（3）： 34-41.

张霖曦. 现代模型的设计与制作[J]. 模型愛好者，2019（7）： 77-93.

翟金忠. 模型的结构与构思[M]. 北京：商务印书馆，1988：88.

作者单位：北京市第六十五中学