3D打印技術(shù)與事故致因理論教學(xué)研究

葛瑛 傅貴

【摘 要】3D打印技術(shù)發(fā)展迅速，但在事故致因理論教學(xué)方面還沒有突破，傳統(tǒng)教學(xué)存在不形象、不具體、不可拆分等問題；本文分析了事故致因鏈的發(fā)展過程和存在的教學(xué)問題，通過3D打印技術(shù)對事故致因鏈教24Model進行了設(shè)計、打印和效果測試，證明了采用3D打印技術(shù)教學(xué)可行且有良好的效果；同時提出了3D打印技術(shù)在事故致因理論應(yīng)用中的發(fā)展方向。

【關(guān)鍵詞】事故致因理論；3D打印技術(shù)；24Model；教學(xué)

中圖分類號： F426.63 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）01-0023-002

【Abstract】The rapid development of 3D printing technology， but there is no breakthrough in the theory of accident causation， the traditional teaching has some problems， such as non-image， unspecific and unsolvable problems. This paper analyzes the development process of causal chain and existing teaching Problem， through the 3D printing technology to cause the cause of the chain teaching error 24Model was designed， printed and the effectiveness of tests proved that the use of 3D printing technology is feasible and has a good effect； also proposed 3D printing technology in the application of accident causes theory Direction of development.

【Key words】Accidental cause theory； 3D printing technology； 24Model； Teaching

0 引言

3D打印技術(shù)是一種新興制造技術(shù)，它是指在計算機控制下，根據(jù)物體的計算機輔助設(shè)計（CAD）模型通過材料的精確堆積，快速制造任意復(fù)雜形狀的成型技術(shù) 。與傳統(tǒng)制造業(yè)相比其簡化了制造程序，降低了研究成本。新材料技術(shù)成熟，打印材料價格不斷下降，被大多數(shù)人所接受 。在我國工業(yè)設(shè)計、建筑、航空航天、醫(yī)學(xué)、教育等領(lǐng)域已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用。近年來，在教育領(lǐng)域出現(xiàn)了Solid Learning教學(xué)模式，它是指在教育中集成快速成型和數(shù)字制造技術(shù)，為教師和學(xué)生提供可下載的資源對象文件，通過 3D打印系統(tǒng)創(chuàng)建物理原型[1]。在這個模式中由專業(yè)設(shè)計人員設(shè)計建立數(shù)字模型庫，教學(xué)人員可以直接下載、打印其中的任何模型。對高等教育，3D打印作為創(chuàng)新平臺，可用做快速實現(xiàn)創(chuàng)新性設(shè)計的目標[2]。2016年，解放軍總醫(yī)院主治醫(yī)師李忠海把3D 打印技術(shù)在骨科臨床教學(xué)中進行了應(yīng)用，結(jié)果顯示有助于研究生短時間內(nèi)理解并掌握相關(guān)內(nèi)容[3]。在安全管理學(xué)中，事故致因理鏈是事故致因理論教學(xué)中最重要的內(nèi)容，授課一般采用多媒體教學(xué)，平面PPT輔助。雖然采用了現(xiàn)代化設(shè)備但也存在不少問題，授課過程進行枯燥的文字講解，導(dǎo)致事故致因鏈不形象、不具體、記憶難。而且事故致因鏈較多無法同時展示，對比學(xué)習(xí)困難；事故致因鏈各模塊無法拆分組合，不能啟發(fā)教學(xué)；事故分析僅僅停留在紙面上，無法快速掌握分析技巧。因此將事故致因模型實體化對事故致因理論學(xué)習(xí)有十分重要的意義，而3D打印技術(shù)為其提供了可能。

1 事故致因理論教學(xué)研究

1.1 事故致因鏈

事故致因理論是事故預(yù)防的重要理論基礎(chǔ)，其最重要的內(nèi)容之一是事故致因鏈，完整的事故致因鏈體現(xiàn)了事故發(fā)生的作用路徑，它把事故和事故的原因連接成一個鏈條，使人能準確定位事故發(fā)生的原因以及找到事故預(yù)防的措施。事故致因鏈大體可以分為以海因里希[4]事故致因鏈為代表的古典事故致因鏈、以伯德與羅夫斯特的事故致因鏈為代表的近代事故致因鏈和以事故致因“2-4”模型[5]為代表的現(xiàn)代事故致因鏈三個階段。

1.2 教學(xué)難點

據(jù)不完全統(tǒng)計事故致因鏈多達十幾種，一直以來采用常規(guī)多媒體授課方式，對于模型的教學(xué)以及推廣使用存在諸多不便之處：授課過程采用PPT展示、文字講解的方式使學(xué)習(xí)過程只能從文字開始，記憶比較困難，對其中的因果關(guān)系、模塊層次理解不深刻，無法較快熟練掌握事故致因鏈；在事故案例分析時方式單一，僅僅停留在紙面上，不形象不具體，不能精確找到各層次原因，對應(yīng)關(guān)系分析存在困難；多種事故致因鏈對比分析事故不方便，不能較好體現(xiàn)各個事故致因鏈的優(yōu)缺點。

2 事故致因鏈三維設(shè)計及實施

利用3D打印技術(shù)，打印事故致因鏈，可以讓復(fù)雜知識形象易懂，利于記憶和分析事故，為了驗證其可行性以行為安全“2-4”模型進行了相關(guān)設(shè)計和試驗。

2.1 設(shè)計模型

由于尚沒有統(tǒng)一設(shè)計標準，實驗為方便拆卸、組裝和觀察使用，將模型組織內(nèi)部因素設(shè)計為6塊長方體和3個鏈接圓柱體，2個特殊圓柱連接體，外部因素設(shè)計為鏤空盒狀，具體尺寸如表1-2所示。根據(jù)3D打印技術(shù)要求，本實驗使用Solid Works軟件設(shè)計了相關(guān)?？烊S圖，根據(jù)格式要求，保存為Sldprt格式。

2.2 打印模型

此次試驗對打印精度要求不高，故選用Cura500型號打印機?；具^程為：（1）使用打印機自帶Cura軟件調(diào)整打印角度、打印速度、填充度等關(guān)鍵指標保證打印時間在合理的范圍，且保存為3D打印機可識別的Gcode格式文件；（2）使用優(yōu)盤拷貝至打印機，預(yù)熱打印材料、解鎖電機；（3）按照順序依次打印各個模塊和連接體，并對他們進行了精度修繕；（4）拼裝模型。效果圖如圖一所示。所采用打印機精度、噴頭、材料等各項指標處于2014年的水平，故效果良好。因打印機最大打印體積限制，外部因素?zé)o法打印。

由圖可以看出，內(nèi)部因素各個部分字跡清晰、大小適合，適于學(xué)生的觀察、使用與學(xué)習(xí)，同時還便于拆卸組裝，質(zhì)量小，便于攜帶。

2.3 3D打印模型使用效果測試

為了驗證實體模型的教學(xué)效果，本次驗證設(shè)計了對比試驗，將3D打印的事故致因“2-4”模型應(yīng)用在了某高校大一年級新生課堂中。將學(xué)生分為4個小組，分別對他們講解，第一組和第三組讓學(xué)生正常記憶，將拆散的三維模型發(fā)放給第二組和第四組，由學(xué)生進行裝卸記憶、深刻學(xué)習(xí)。經(jīng)過8分鐘后，對他們的記憶效果進行測試，第一項測試為默寫行為2-4模型；第二項測試為給定事故利用2-4模型分析事故，測試結(jié)果如表3-4所示。

第一項默寫測試中第一組和第二組正確率分別為50%和53.3%，第二組和第四組正確率分別為71.4%和73.3，平均高出20.7%；在運用事故致因“2-4”模型分析事故原因的測試中，第一組和第三組正確率分別為35.7%和33.3%，第二組和第四組正確率分別為60.7%和60.0%，平均高出28.85%。整個測試結(jié)果表明，使用3D打印實體模型提高了課堂默寫和事故分析成功的比例，所以，實體模型會加速學(xué)生的記憶，加深事故致因鏈的理解深度，對教學(xué)有非常好的效果。

此次效果實驗對象為大一新生（沒有專業(yè)知識基礎(chǔ)），在課堂教學(xué)中借助模型能夠在8分鐘內(nèi)記憶掌握事故致因“2-4”模型的基本模塊及其邏輯關(guān)系，這一效果也為事故致因“2-4”模型在日常安全培訓(xùn)提供了幫助，使更多的人了解并接受事故致因“2-4”模型的理念，在生產(chǎn)實際中應(yīng)用其分析事故，有效預(yù)防事故的發(fā)生。

3 3D打印技術(shù)在事故致因理論應(yīng)用中的發(fā)展方向

3.1 建立事故致因模型數(shù)字資源庫

將所有事故致因鏈都進行數(shù)字化設(shè)計并建立統(tǒng)一的標準，形成事故致因模型數(shù)字資源庫，可隨時下載相關(guān)模型數(shù)據(jù)提供打印使用，這將會大大提高打印效率。而且，學(xué)術(shù)思想是不斷變化、不斷發(fā)展的，而如何讓學(xué)生第一時間接觸到最新的學(xué)術(shù)思想向來是一個難題，借助3D打印技術(shù)把學(xué)術(shù)界最前沿的事故致因理論思想數(shù)字化、三維化、實體化，將會對教學(xué)和學(xué)習(xí)有很大的幫助，隨著數(shù)據(jù)庫的不斷擴大，3D打印教學(xué)體系也將會更加完善。

3.2 建立事故致因理論3D模型事故分析實驗室

高等學(xué)校實驗室是進行實驗教學(xué)的場所，是教師和學(xué)生開展科學(xué)實驗研究的平臺，是培養(yǎng)學(xué)生工程實踐能力和創(chuàng)新能力的重要基地。創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)離不開新技術(shù)、新方法，將3D打印技術(shù)應(yīng)用于事故致因理論研究無疑為培養(yǎng)安全領(lǐng)域創(chuàng)新人才創(chuàng)造了平臺。建立事故致因理論3D模型事故分析實驗室，讓學(xué)生動手打印模型，體驗打印過程，自己組裝，拆卸模型，可以快速熟練掌握事故致因鏈，進而結(jié)合事故案例分析事故原因，找到事故預(yù)防的方法。實驗室建設(shè)需采用最前沿的3D打印技術(shù)，更需要精度高、打印速度快的3D打印機。實驗室基本構(gòu)想如下：（1）設(shè)置若干臺高精度3D打印機與事故致因模型數(shù)字資源庫相連；（2）試驗臺若干；（3）模型空白填表若干、事故案例若干、事故案例分析表若干、實驗課流程表若干。

實驗過程中先從數(shù)字模型庫選取所需模型，然后打印模型及組件，學(xué)生自己組裝拆分模型，通過實體模型和事故分析比較發(fā)現(xiàn)各個模型優(yōu)缺點，根據(jù)實體模型結(jié)合事故案例分析找到事故原因。

4 結(jié)束語

（1）3D打印技術(shù)發(fā)展迅速，在教育領(lǐng)域應(yīng)用范圍不斷擴大，隨著新材料、新技術(shù)的進步，使得3D打印成本不斷下降，打印速度加快，為事故致因鏈數(shù)字化、三維化、實體化提供了條件，也讓它走進課堂教學(xué)成為可行，而且具有形象、具體等優(yōu)點，是傳統(tǒng)教學(xué)很好的補充。

（2）運用3D打印技術(shù)將事故致因“2-4”模型實體化是一次創(chuàng)新應(yīng)用。其過程為三維設(shè)計、打印準備、實體打印、精度修復(fù)、組裝。基本過程明確、可行，并且將三維模型運用到課堂中能夠讓學(xué)生加快記憶、加深理解，更好的掌握分析事故的技巧。同時，模型實體化也為安全培訓(xùn)提供了新的教具。

（3）3D打印技術(shù)在事故致因理論教學(xué)中的應(yīng)用前景非常廣闊，建設(shè)事故致因鏈數(shù)字資源庫和建立事故致因理論3D模型事故分析實驗室等都是其應(yīng)用方向。同時，3D打印技術(shù)的引進會帶來未知的連鎖反應(yīng)，不僅可以強化記憶還會啟發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思路、探索新方法，為事故致因理論的發(fā)展帶來未知的影響。

【參考文獻】

[1]王萍.3D打印及其教育應(yīng)用初探[J].中國遠程教育2013，08：83-87.

[2]邱望潔，李昊陽.3D打印技術(shù)在教育行業(yè)的應(yīng)用發(fā)展前景研究[J].中國教育信息化，2017（05）：11-14.

[3]李忠海，田加廣，王華東.3D打印技術(shù)在骨科臨床教學(xué)中的應(yīng)用初探[J/OL].中國醫(yī)學(xué)教育技術(shù)，2016，30（02）：198-200.

[4]Heinrich H W，Peterson D，Roos N.Industrial Accident Prevention[M].New York：Mc Graw Hill Book Company，1980.

[5]傅貴.安全管理學(xué)[M]北京科學(xué)出版社，2014：43-44.