淺談3D打印技術(shù)在實踐教學(xué)中的應(yīng)用

潘愛瓊++張輝++張建強(qiáng)++劉軍

摘 要 在分析3D打印技術(shù)原理和在實踐教學(xué)中應(yīng)用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，結(jié)合實際教學(xué)案例，探究教學(xué)應(yīng)用模式。3D打印可應(yīng)用于課堂情境教學(xué)，深化知與行的交互性，有助于學(xué)習(xí)者進(jìn)行課外創(chuàng)新，增強(qiáng)綜合技能，提高就業(yè)競爭力，便于開展產(chǎn)學(xué)研項目。

關(guān)鍵詞 3D打?。粚嵺`教學(xué)；創(chuàng)新能力

中圖分類號：G642.44 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2015）14-0058-03

Simply Talking about Application of 3D Printing in Practical Teaching//PAN Aiqiong， ZHANG Hui， ZHANG Jianqiang， LIU Jun

Abstract 3D printing is still in its infancy phase in our country. Based on the principle of 3D printing and its current application situation， this paper discusses the pattern of its application in practical teaching with actual examples. 3D printing could be used in class situational teaching， deepening the interactivity of knowledge and practice. This technology could promote the creativity of students， enhance their integrated ability， increase the employment competitive strength and help to carry out the cooperation of production， study and research.

Key words 3D printing； practical teaching； innovation ability

1 引言

近幾年“3D打印”成為先進(jìn)技術(shù)的代名詞，有關(guān)3D打印的新聞?wù)紦?jù)著各大媒體科技報道的主要版面。其實3D打印技術(shù)并不是一項新興技術(shù)，它產(chǎn)生于20世紀(jì)80年代，由于當(dāng)時工業(yè)機(jī)型成本巨大，只有3DSystems、DTM等少數(shù)科技公司進(jìn)行了相關(guān)研究及工業(yè)應(yīng)用。經(jīng)過近30年的不斷發(fā)展和完善，3D打印技術(shù)已滲透到各個領(lǐng)域，如汽車制造、航空航天、文化娛樂、醫(yī)療假肢、創(chuàng)意設(shè)計、生活用具等領(lǐng)域。甚至英國《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》刊文認(rèn)為，3D打印技術(shù)將與其他數(shù)字化生產(chǎn)模式一起，推動新的工業(yè)革命的實現(xiàn)。美國《時代》周刊也將3D打印列為美國十大增長最快的工業(yè)?！缎旅襟w聯(lián)盟地平線報告：2014高等教育版》指出：3D打印技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)能夠幫助學(xué)習(xí)者獲得深刻而有成就體驗的學(xué)習(xí)，并提出未來2～3年3D打印將走進(jìn)教學(xué)[1]。因此，探討3D打印技術(shù)在我國教學(xué)實踐中的合理應(yīng)用至關(guān)重要。

2 3D打印技術(shù)簡介

“3D打印”是通俗叫法，其學(xué)術(shù)名稱為快速原型技術(shù)（Rapid Prototyping Manufacturing，RPM），也稱增材制造技術(shù)（Additive Manufacturing，AM）。其工作原理是：先設(shè)計零件的三維模型，再利用切片軟件將此三維數(shù)字模型分層切片，獲得打印件各切片層的橫截面信息，最后采用3D打印機(jī)把絲狀、粉末狀或液體狀材料，通過逐層堆疊累積的方式制作出立體產(chǎn)品。整個制備過程不需要模具，也不再需要傳統(tǒng)的刀具、夾具和機(jī)床，縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，降低原型產(chǎn)品的開發(fā)成本；且理論上可打印任意復(fù)雜形狀的工件，加工柔性化大大提高。

3D打印過程的關(guān)鍵設(shè)備是3D打印機(jī)，它是集機(jī)械、控制及計算機(jī)技術(shù)等為一體的復(fù)雜機(jī)電一體化系統(tǒng)，主要包括高精度機(jī)械系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)、噴射系統(tǒng)和成型環(huán)境等，此外還涉及新型打印材料的開發(fā)、不同設(shè)備不同材料打印工藝的研究、產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計等眾多方面[2]。當(dāng)今科技日新月異，隨著學(xué)科交叉綜合加強(qiáng)，要求學(xué)生具備全面的知識結(jié)構(gòu)，而3D打印技術(shù)恰能為學(xué)生提供一個綜合性技術(shù)知識的學(xué)習(xí)途徑，因此，3D打印技術(shù)在高等教育領(lǐng)域的應(yīng)用能為我國開辟新的教育模式[3]。

3 3D打印技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

歐美國家已將3D打印技術(shù)廣泛應(yīng)用于實踐教學(xué)中，美國走在3D打印技術(shù)教學(xué)應(yīng)用的前列，政府部門大力支持將3D打印技術(shù)與學(xué)校教育結(jié)合。2013年2月，美國總統(tǒng)奧巴馬在國情咨文演講中強(qiáng)調(diào)了3D打印技術(shù)的重要性。2013年11月，作為全球最大的熔融沉積3D打印機(jī)廠商，美國Makerbot公司計劃讓全美所有學(xué)校擁有3D打印機(jī)。2014年6月，美國白宮舉辦了歷史上第一次創(chuàng)客DIY發(fā)布會，美國總統(tǒng)第一次宣布在全美引入3D打印機(jī)產(chǎn)業(yè)，推進(jìn)中小學(xué)教育改革[4]。

3D打印技術(shù)在我國教育領(lǐng)域的應(yīng)用還處于初級階段，但已引起部分地區(qū)的重視。2014年5月，浙江省經(jīng)信委聯(lián)合省內(nèi)多家企業(yè)向83所學(xué)校捐贈了3D打印機(jī)，用于對該技術(shù)的普及教育。成都錦江區(qū)擬建全國首個3D打印教育示范區(qū)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和動手實踐能力。中國3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟正在和地方政府合作，計劃兩年至少采購2000臺桌面機(jī)[5]。同時，青島、上海、蘇州等多地的部分中小學(xué)也引進(jìn)了3D打印設(shè)備，用于提高學(xué)生的探索精神。

不難發(fā)現(xiàn)，3D打印技術(shù)在我國教育領(lǐng)域中的應(yīng)用多數(shù)處于科普階段，而在該技術(shù)發(fā)展程度較好的高校，如清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、華中科技大學(xué)、西安交通大學(xué)等，主要工作集中在工業(yè)級設(shè)備的研制和開發(fā)，也較少將3D打印技術(shù)用于教學(xué)創(chuàng)新中。

4 3D打印技術(shù)在教學(xué)實踐中應(yīng)用模式探究

3D打印技術(shù)用于課堂情境教與學(xué) 以萊夫為代表的情境學(xué)習(xí)理論認(rèn)為，知識寓于情境之中，學(xué)習(xí)者通過具體活動能更好地獲得知識，強(qiáng)調(diào)知與行的交互性。而我國教師在教學(xué)中普遍實施的是灌輸式教學(xué)法，教學(xué)模式僵化。3D打印技術(shù)對于教師和學(xué)習(xí)者的重要價值體現(xiàn)在，它能夠更加真實形象地呈現(xiàn)特定事物，并讓學(xué)習(xí)者獲得深刻的感知體驗。利用3D打印機(jī)可將任何有益教學(xué)的模型打印出來，最終呈現(xiàn)在課堂上，教師可以更容易將抽象問題進(jìn)行深刻解析，學(xué)習(xí)者也可通過實物模型加深對知識的理解、加工[6]，

形成交互式教學(xué)模式。在桌面3D打印機(jī)巨頭MakerBot舉辦的數(shù)學(xué)工具模型大賽上，愛好者制作了各類創(chuàng)意教具，并用3D打印機(jī)將創(chuàng)意立體化為三維實物，提高學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣[7]。

實踐證明，教學(xué)中采用自制生動教具，課堂氛圍更加輕松。圖1為學(xué)生自行設(shè)計并打印的球齒輪模型，圖2為變速齒輪模型。3D打印教具的使用可促使學(xué)習(xí)者將已有知識經(jīng)驗與實際問題進(jìn)行聯(lián)系，深化知識和意義；使教師從知識權(quán)威轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)的促進(jìn)者，有利于引導(dǎo)學(xué)習(xí)者應(yīng)用習(xí)得的知識來解決“現(xiàn)實”問題。

3D打印技術(shù)用于課外創(chuàng)新實踐活動 創(chuàng)新是一個民族進(jìn)步的靈魂，提高自主創(chuàng)新能力、建設(shè)創(chuàng)新型國家必須依靠創(chuàng)新型人才。而我國教育工作者針對如何培養(yǎng)人才創(chuàng)新能力難題一直在努力探索。許多學(xué)校創(chuàng)建了科技興趣小組以鼓勵學(xué)生創(chuàng)新，但往往一些創(chuàng)意思想都囿于現(xiàn)實而被迫終止。當(dāng)學(xué)生試圖將創(chuàng)意付諸實踐時發(fā)現(xiàn)，即使標(biāo)準(zhǔn)零部件仍需去市場上逐一甄選，過程繁雜，而非標(biāo)準(zhǔn)件則必須找代工廠進(jìn)行單件生產(chǎn)，加工周期長且價格昂貴，這些困擾在很大程度上消減了學(xué)生創(chuàng)新的積極性。

3D打印的出現(xiàn)徹底改變了這一現(xiàn)狀，任何創(chuàng)意設(shè)計都不再局限于傳統(tǒng)加工能力的局限，3D打印機(jī)可以快速打印出學(xué)生DIY過程所需的零件，學(xué)生幾乎可以足不出戶就能將創(chuàng)意變成成品。3D打印技術(shù)可激發(fā)學(xué)習(xí)者對某些科學(xué)過程或現(xiàn)象進(jìn)行可視化展現(xiàn)，便于學(xué)習(xí)者進(jìn)行科技發(fā)明或創(chuàng)新制作，能為學(xué)生創(chuàng)新制作提供一種更加高效的形式。荷蘭學(xué)生已用桌面3D打印機(jī)打印賽車參加2014環(huán)保馬拉松。

3D打印技術(shù)用于培養(yǎng)大學(xué)生的綜合技能 當(dāng)今社會對人才知識形式要求發(fā)生劇烈變化，從傳統(tǒng)的單一知識形式轉(zhuǎn)變?yōu)槎囝I(lǐng)域知識融合形式。3D打印對于中小學(xué)生可簡單定位為一種科普教育，而高等教育是一種專業(yè)教育。因此，3D打印機(jī)對于大學(xué)生不僅僅是一種模型制作設(shè)備，更應(yīng)該通過對打印設(shè)備的系統(tǒng)學(xué)習(xí)，深入掌握所涉及的各種技術(shù)知識。

如前所述，3D打印技術(shù)是一種集多領(lǐng)域知識于一體的技術(shù)形式，它要求學(xué)生綜合學(xué)習(xí)機(jī)械設(shè)計、計算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、光學(xué)技術(shù)、材料科學(xué)等多種新興技術(shù)，這就必然促使大學(xué)生加強(qiáng)多領(lǐng)域知識的學(xué)習(xí)與融合，契合當(dāng)今社會對綜合型人才的需求。

3D打印技術(shù)用于提高大學(xué)生就業(yè)競爭力 近年來我國大學(xué)生就業(yè)問題日益突出，其根源在于人才培養(yǎng)與社會需求脫節(jié)，存在“兩張皮”現(xiàn)象。部分專業(yè)的課程設(shè)置和課程內(nèi)容不能與時俱進(jìn)，與社會崗位對專業(yè)人才的要求不相符合。2014年9月，人力資源咨詢機(jī)構(gòu)WANTED Analytics發(fā)布報告表示，四年來市場上對具備3D打印與增材制造相關(guān)技能的人員需求量持續(xù)上升；2014年8月，3D打印行業(yè)的招聘廣告數(shù)量比去年同期增長103%，且相關(guān)崗位的人員招聘難度系數(shù)最高達(dá)到60%，企業(yè)很難招聘到具有此項專門技術(shù)的人才，人才缺口十分巨大[8]。

目前，我國還沒有設(shè)置3D打印專業(yè)，僅出現(xiàn)小規(guī)模具有高效背景的培訓(xùn)機(jī)構(gòu)，遠(yuǎn)不能滿足市場對3D打印人才的需求，所以亟待將3D打印技術(shù)融入課堂教學(xué)，將人才培養(yǎng)與社會需求結(jié)合起來，可以大大提高學(xué)生就業(yè)競爭力。

3D打印技術(shù)用于開展產(chǎn)學(xué)研項目 技術(shù)作為連接知識與生產(chǎn)的橋梁，不僅是知識的應(yīng)用與物化，要進(jìn)行構(gòu)思設(shè)計，還要直接作用于生產(chǎn)過程，進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)與制造。因此，積極開展產(chǎn)學(xué)研項目合作是把握技術(shù)的理論性與實踐性之間發(fā)展規(guī)律的重要環(huán)節(jié)。

3D打印技術(shù)用于開展產(chǎn)學(xué)研項目有利于培養(yǎng)學(xué)生科研能力，增強(qiáng)科研轉(zhuǎn)化能力。對于高校，一方面可對3D打印技術(shù)進(jìn)行深入科學(xué)研究，另一方面應(yīng)向企業(yè)提供共享服務(wù)。如青島高新區(qū)引進(jìn)西安交通大學(xué)快速制造國家工程研究中心盧秉恒院士團(tuán)隊，幫助其打造完整的3D打印產(chǎn)業(yè)鏈；與中科院自動化所共建青島智能產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，建設(shè)3D打印社會資源平臺等，形成雙贏的局面。

5 結(jié)束語

3D打印技術(shù)以其獨特的優(yōu)勢廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域，能極大促進(jìn)業(yè)內(nèi)人士的創(chuàng)新實踐。本文通過對該技術(shù)在我國教育領(lǐng)域發(fā)展現(xiàn)狀的分析，提出3D打印技術(shù)在高等教育教學(xué)實踐中的幾種應(yīng)用模式。3D打印技術(shù)可用于改革我國傳統(tǒng)的灌輸式教育模式為情境教育，它將充分挖掘?qū)W生的創(chuàng)新潛力和拓寬學(xué)生的思維空間，有利于培養(yǎng)大學(xué)生的綜合知識技能和提高就業(yè)競爭力，3D打印技術(shù)在我國高等教育教學(xué)實踐的應(yīng)用具有廣闊前景。

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