李巖

【摘 要】高中通用技術(shù)學(xué)科強調(diào)學(xué)生通過解決現(xiàn)實生活中的問題來形成物化能力。“模型或原型的制作”一節(jié)課是培養(yǎng)學(xué)生通用技術(shù)核心素養(yǎng)中“物化能力”的重要章節(jié)。本文介紹了學(xué)生借助VR與3D打印技術(shù)，通過自主探究和實踐完成國產(chǎn)航空發(fā)動機模型的設(shè)計與制造的全過程，對全面提升學(xué)生核心素養(yǎng)進行了新的探索。

【關(guān)鍵詞】 VR與3D打印;通用技術(shù);模型制作

【中圖分類號】G434? 【文獻標識碼】A

【論文編號】1671-7384（2021）09-059-03

“模型或原型的制作”是高中通用技術(shù)必修“技術(shù)與設(shè)計1”中第六章的內(nèi)容，本單元是培養(yǎng)學(xué)生通用技術(shù)核心素養(yǎng)中“物化能力”的重要章節(jié)。全章圍繞“模型或原型的制作”主題，設(shè)計了“模型的特性與作用”“材料的性能與規(guī)劃”“工藝的類別與選擇”和“制作臺燈模型”四節(jié)內(nèi)容，每一節(jié)均以真實情境中的問題為線索、以任務(wù)為引領(lǐng)，引導(dǎo)學(xué)生通過“做中學(xué)”和“學(xué)中做”構(gòu)建知識、習得技能、獲得素養(yǎng)。讓學(xué)生學(xué)習和體驗設(shè)計方案物化的具體步驟與方法，對于幫助學(xué)生了解設(shè)計的完整過程，掌握設(shè)計方案“物化”的關(guān)鍵技能，領(lǐng)悟統(tǒng)籌、規(guī)劃、權(quán)衡的設(shè)計思想，務(wù)實嚴謹、認真細致的良好品質(zhì)具有重要作用。

為了更好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習積極性，鼓勵學(xué)生以小組為單位自主選擇模型設(shè)計的主題和加工工藝完成模型的制作。本文介紹的是學(xué)生借助VR和3D打印技術(shù)設(shè)計和制作的國產(chǎn)大飛機C919的航空發(fā)動機模型。

模型設(shè)計思路

模型是根據(jù)實物、設(shè)計圖樣或構(gòu)思，按比例制成的與實物相似的一種物體。模型制作的過程不僅是設(shè)計思想體現(xiàn)的過程，也是發(fā)展構(gòu)思的創(chuàng)造性過程。學(xué)生設(shè)計的這款發(fā)動機模型是以最新裝配我國C919大飛機的“CJ1000A”發(fā)動機為原型設(shè)計的，發(fā)動機整體包括進氣道、風扇、低壓壓氣機、低壓渦輪和調(diào)節(jié)系統(tǒng)等部分，如圖1所示。

考慮到模型制作的仿真特性和使用材料的加工工藝，學(xué)生選擇了運用3D打印技術(shù)來設(shè)計和制作發(fā)動機模型。為了高度還原發(fā)動機的復(fù)雜構(gòu)造，學(xué)生將組成發(fā)動機的外殼、風扇、壓氣機和尾噴口等主要零部件進行獨立設(shè)計和制作，并在后期進行噴漆和組裝。

1.VR體驗

與國外的航空發(fā)動機相比，我國自主研發(fā)航空發(fā)動機尚處于起步階段，因此可以參考和借鑒的資料非常有限，特別是國產(chǎn)發(fā)動機內(nèi)部構(gòu)成的分解圖更是少之又少。因此，我們借助學(xué)校VR平臺中的案例來觀察和體驗國產(chǎn)發(fā)動機。通過VR案例，學(xué)生可以觀察發(fā)動機的整體構(gòu)造，對國產(chǎn)發(fā)動機的外觀特征有了初步的了解;之后，VR中的零件拆分功能讓學(xué)生能夠?qū)Πl(fā)動機進行拆解，逐一觀察構(gòu)成發(fā)動機的進氣道、風扇、低壓壓氣機、低壓渦輪和調(diào)節(jié)系統(tǒng)等部分。如圖2所示。VR設(shè)備身臨其境的沉浸感給學(xué)生帶來了良好的體驗效果，不僅極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習興趣，還為下一環(huán)節(jié)的三維設(shè)計建模提供了數(shù)據(jù)支持。完成VR體驗后，學(xué)生在了解國產(chǎn)發(fā)動機構(gòu)成的基礎(chǔ)上還可以通過自主探究來明確各個零件部分的功能和作用，從而實現(xiàn)知識的深度學(xué)習。

2.三維設(shè)計與3D打印

在進行分小組討論時，學(xué)生提出傳統(tǒng)模型的制作工藝并不適合發(fā)動機模型的設(shè)計與制作，因此，他們選擇了使用3D打印技術(shù)。三維設(shè)計建模是3D打印的前提和基礎(chǔ)，學(xué)生根據(jù)中國航空相關(guān)權(quán)威網(wǎng)站提供的有限數(shù)據(jù)和之前VR案例中觀察到的虛擬情境，通過繪制草圖和標尺標注，確定了發(fā)動機三維建模的外部尺寸和比例關(guān)系，并使用中望3D軟件進行三維建模，如圖3所示。

在三維建模的過程中，學(xué)生遇到了一些困難。例如，發(fā)動機曲面的構(gòu)建和低壓排氣槽的設(shè)計，特別是進氣風扇的設(shè)計需要所有的扇葉一體成型，這也是目前我國航空發(fā)動機制造工藝所面臨的現(xiàn)實困難。教師針對學(xué)生遇到的這些技術(shù)困難做了相應(yīng)的指導(dǎo)和幫助，使用三維設(shè)計軟件中的曲面構(gòu)建、實體鏤空和環(huán)形陣列等功能實現(xiàn)了設(shè)計目標。

完成三維建模后，學(xué)生使用學(xué)校的3D打印機進行打印。3D打印是將耗材加熱后逐層堆疊成型的，打印作品的表面會有規(guī)則的打印紋路，打印精度越高則打印的紋路越淺。受限于3D打印機的打印尺寸，學(xué)生將發(fā)動機的各個零部件進行拆分，獨立打印。由于打印之后需要在模型表面噴漆，因此，需要使用較高的打印精度來保證模型的精細程度。

3.打磨噴漆與組裝

零部件打印完成后，先對其進行預(yù)組裝。由于各個零部件是獨立設(shè)計、分開打印的，因此可能會產(chǎn)生誤差，從而造成組裝困難。在此，先將模型的各個零部件進行初步的安裝，觀察模型各部分的比例關(guān)系和打印尺寸是否符合之前的設(shè)計要求，并將誤差較大和不匹配的地方加以標注，為下一步打磨和調(diào)整做準備。

打印完成的模型表面會有一些毛刺，還會有一些比較鋒利的邊緣，此時就需要用砂紙進行打磨。先使用800—1000目的砂紙進行初磨，去除毛刺和鋒利的邊緣。之后，使用銼刀針對誤差較大的地方進行精細挫削。打磨完畢，在各部件的表面噴一層水補土以使表面光滑平整。

打磨完成后，使用噴筆、噴泵對模型的各個零件進行噴涂上色，以提高模型的仿真程度。待漆面晾干之后，完成發(fā)動機模型的最終裝配。如圖4所示。

當一個完整的航空發(fā)動機模型呈現(xiàn)在學(xué)生面前時，如圖5所示，學(xué)生們的激動程度是無法想象的。此時，本章課程也接近尾聲。制作小組的同學(xué)們滔滔不絕地向其他同學(xué)介紹他們的設(shè)計靈感、制作過程以及遇到的困難。他們介紹完畢后，教師和其他同學(xué)對他們的模型給予了很高的評價，也提出了一些問題和建議?？v覽全過程，通過VR體驗，學(xué)生們構(gòu)思了模型的設(shè)計創(chuàng)意;通過自主探究，學(xué)生們掌握了航空發(fā)動機的相關(guān)知識;通過動手實踐，學(xué)生們感受了模型設(shè)計與制作的全過程;通過交流評價，學(xué)生們展示了自己、收獲了建議。

本單元要求學(xué)生能夠根據(jù)設(shè)計要求選擇合適的材料與工具，了解常用材料的屬性及加工方法;在實施設(shè)計方案的過程中，能從經(jīng)濟、質(zhì)量和美學(xué)等方面考慮材料的使用，掌握基本的工具使用方法。針對課程標準所提出的要求，教師要求學(xué)生以小組為單位自主選擇模型主題，在學(xué)習內(nèi)容和活動的設(shè)計上充分體現(xiàn)了以學(xué)生為主體的教學(xué)思想。教師按照“情境導(dǎo)入→自主探究→實踐體驗→交流評價”的思路進行教學(xué)，符合高中生的認知，且有利于教學(xué)目標的達成。學(xué)生借助VR技術(shù)進入學(xué)習情境，并構(gòu)建自己的思維邏輯。之后，通過自主探究學(xué)習和積累技術(shù)技能，特別是在選擇制作材料和加工工藝時，學(xué)生根據(jù)模型的設(shè)計特點和要求放棄了傳統(tǒng)的木工和金工工藝，而使用3D打印技術(shù)，不僅很好地實現(xiàn)了設(shè)計目標，更是對模型制作的技術(shù)手段進行了新的嘗試和探索。

學(xué)生在“國產(chǎn)航空發(fā)動機”模型的設(shè)計與制作過程中從真實的任務(wù)入手，了解了模型的概念和作用、學(xué)會了材料的選擇與規(guī)劃、掌握了三維設(shè)計和3D打印機的功能和應(yīng)用，最終完成了發(fā)動機模型的制作。與此同時，在交流與評價的過程中，學(xué)生通過對解決實際問題全過程的介紹，進一步理解了“工匠精神”的基本內(nèi)涵和重要意義，從而實現(xiàn)了學(xué)科核心素養(yǎng)和實踐技能的全面提升。

注：本文系北京市教育科學(xué)規(guī)劃課題“使用VR技術(shù)提升中學(xué)生學(xué)習投入的實踐研究”（課題編號：CHDB19396）的研究成果

參考文獻

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作者單位：北京市第六十五中學(xué)