3D打印技術(shù)在高職教學(xué)中的應(yīng)用研究

王寅玨

蘇州健雄職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇太倉(cāng) 215411

3D打印技術(shù)(又稱增材制造技術(shù))大約誕生于20世紀(jì)80年代,這是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ),運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料,通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)[1]。3D打印技術(shù)無(wú)須任何模具就可以把電腦中的數(shù)據(jù)模型按照設(shè)定一層層地打印堆疊成一個(gè)立體的實(shí)物,具有節(jié)約成本、不需要裝配、成型速度快、造型多樣、材料可隨意組合、材料利用率高、制造方便、節(jié)約空間等多個(gè)優(yōu)點(diǎn)[2]。目前,應(yīng)用較多的3D打印技術(shù)有熔融沉積成型(FDM)、選擇性激光燒結(jié)成型(SLS)、液體樹脂光固化成型(SLA)和三維粉末黏接(3DP)等。

隨著信息技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步,3D打印技術(shù)在航空航天、醫(yī)療產(chǎn)業(yè)、建筑行業(yè)、工業(yè)制造等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。如今,3D打印技術(shù)也逐漸被引入教育領(lǐng)域,在職業(yè)教育教學(xué)中3D打印技術(shù)的應(yīng)用屬于起步和探索階段。本文結(jié)合3D打印技術(shù)在目前高職教學(xué)中的應(yīng)用案例,總結(jié)了3D打印技術(shù)在高職教學(xué)應(yīng)用的優(yōu)勢(shì),并對(duì)3D打印技術(shù)在高職其他專業(yè)課程中的應(yīng)用推廣及其影響因素進(jìn)行了研究,為高職院校教師在教學(xué)中引入應(yīng)用3D打印技術(shù)提供參考。

一、3D打印技術(shù)在高職教學(xué)中的應(yīng)用案例

目前,國(guó)內(nèi)一些高職院校已經(jīng)在課程教學(xué)中融入3D打印技術(shù),給予學(xué)生更多開放式的教育和學(xué)習(xí),讓知識(shí)能更有效地應(yīng)用于實(shí)踐。3D打印技術(shù)在高職院校機(jī)械制造類、藝術(shù)設(shè)計(jì)類、汽車維修類、新能源類、道路橋梁類等專業(yè)課程的教學(xué)中得到一定程度的應(yīng)用,具體應(yīng)用情況見(jiàn)下表。

已應(yīng)用3D打印技術(shù)的高職專業(yè)及課程一覽表

(一)3D打印技術(shù)在機(jī)械制造類專業(yè)的應(yīng)用

戰(zhàn)麗娜所在的湖南水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院在機(jī)電一體化專業(yè)的課程實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目中,應(yīng)用3D打印不同齒數(shù)和模數(shù)的齒輪來(lái)豐富測(cè)繪零件的種類和數(shù)量;應(yīng)用3D打印實(shí)訓(xùn)零件突破實(shí)訓(xùn)條件的限制,幫助學(xué)生增強(qiáng)感官認(rèn)知;設(shè)計(jì)并3D打印減速器的各個(gè)零件進(jìn)行拆裝,有效提高了學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力、溝通協(xié)調(diào)能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力[3]。四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院在機(jī)械制圖課程中引入3D打印技術(shù),大大豐富了教具的種類和數(shù)量,顯著提高學(xué)生的識(shí)圖水平,教學(xué)效果得到改善;在特種鑄造生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)中應(yīng)用3D打印技術(shù)打印3D模型,對(duì)3D模型合格的產(chǎn)品再進(jìn)行熔模鑄造生產(chǎn),既省去了制作模樣的費(fèi)用,節(jié)約了成本,又加強(qiáng)了學(xué)生在實(shí)訓(xùn)中的主動(dòng)參與度,挖掘了學(xué)生自主分析、鉆研的能力和興趣[4]。

(二)3D打印技術(shù)在藝術(shù)設(shè)計(jì)類專業(yè)的應(yīng)用

3D打印技術(shù)在環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)[5]、家具設(shè)計(jì)[2]、包裝設(shè)計(jì)[6]等高職專業(yè)課程教學(xué)中都有實(shí)踐應(yīng)用。3D打印技術(shù)融入藝術(shù)設(shè)計(jì)類專業(yè)的教學(xué),能將學(xué)生的紙面設(shè)計(jì)及構(gòu)思快速具體化為實(shí)物,能將學(xué)生天馬行空的想象快速變成現(xiàn)實(shí),大大激發(fā)了學(xué)生的積極性和創(chuàng)造力,這種體驗(yàn)式教學(xué)促使師生的互動(dòng)更加密切且課堂更具有活力,為藝術(shù)設(shè)計(jì)類專業(yè)學(xué)生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)助力。

(三)3D打印技術(shù)在汽車維修類專業(yè)的應(yīng)用

何君所在的貴州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院在專業(yè)核心課程“汽車底盤構(gòu)造與維修”中應(yīng)用3D打印技術(shù)優(yōu)化課程教學(xué)。課前通過(guò)3D打印教學(xué)結(jié)構(gòu)零件模型裝配仿真激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,讓學(xué)生初步了解汽車構(gòu)件組成及工作原理;課中通過(guò)講解以及實(shí)物拆裝檢測(cè)解決課程重點(diǎn)、難點(diǎn),讓學(xué)生對(duì)汽車構(gòu)件組成及工作原理有較好的掌握;課后依托3D打印平臺(tái)鼓勵(lì)學(xué)生對(duì)汽車構(gòu)件創(chuàng)意設(shè)計(jì)、改裝,深度挖掘?qū)W生工程實(shí)踐及創(chuàng)新能力[7]。江蘇食品藥品職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽修專業(yè)課程教學(xué)中,利用3D打印技術(shù)制作汽車發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)零部件打印模型并設(shè)計(jì)教具,實(shí)現(xiàn)“教、學(xué)、做”一體化教學(xué),提高課堂教學(xué)效果[8]。

(四)3D打印技術(shù)在康復(fù)治療技術(shù)專業(yè)的應(yīng)用

福建衛(wèi)生職業(yè)技術(shù)學(xué)院將3D打印技術(shù)融入康復(fù)治療技術(shù)專業(yè),進(jìn)行專業(yè)課程體系的重構(gòu),在課程體系中增加3D打印技術(shù)的學(xué)習(xí),從而增加學(xué)生3D打印技術(shù)的應(yīng)用能力,培養(yǎng)出集“康復(fù)治療技術(shù)+3D打印技術(shù)”于一體的新型康復(fù)技能型人才,以滿足康復(fù)市場(chǎng)的個(gè)性化需求與社會(huì)需要、行業(yè)需求對(duì)接[9]。

二、3D打印技術(shù)在高職教學(xué)應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)

(一)突破實(shí)訓(xùn)條件限制,提高學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力

相對(duì)于理論知識(shí),高職院校更側(cè)重于對(duì)學(xué)生技能的培養(yǎng),3D打印技術(shù)引入教學(xué)有利于提高學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力,更好助力技能型人才的培養(yǎng)。對(duì)于實(shí)訓(xùn)時(shí)大型儀器設(shè)備的拆裝,高職院校通常由于經(jīng)費(fèi)、場(chǎng)地等條件的限制,難以做到學(xué)生人手一套,在課程中常采取分組教學(xué),小組成員輪流動(dòng)手操作,學(xué)生實(shí)際動(dòng)手實(shí)踐的時(shí)間不夠,影響技能的掌握。而3D打印技術(shù)的引入,可以突破條件的限制,將儀器設(shè)備的零部件都縮小打印成實(shí)物,實(shí)現(xiàn)學(xué)生人手一套,在有限的時(shí)間內(nèi)會(huì)大大增加每個(gè)學(xué)生的動(dòng)手操作時(shí)間,讓學(xué)生在實(shí)踐中不斷強(qiáng)化鞏固,掌握操作技能,有效提高學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力。

(二)實(shí)現(xiàn)想法快速落地,提高學(xué)生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力

加強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的培育,是高職院校培養(yǎng)高素質(zhì)技能型人才過(guò)程中的重要內(nèi)容。教學(xué)中僅通過(guò)傳統(tǒng)的教學(xué)手段難以激發(fā)學(xué)生的想象力和創(chuàng)造力。而3D打印技術(shù)引入教學(xué),通過(guò)打印讓學(xué)生的想法快速落地,對(duì)照打印出的實(shí)體作品學(xué)生可以不斷修正想法、完善作品,創(chuàng)新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)理念,在這一過(guò)程中將會(huì)大大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情,提高學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力。

(三)破解現(xiàn)有教學(xué)困境,幫助學(xué)生深入理解知識(shí)點(diǎn)

對(duì)于空間結(jié)構(gòu)、儀器設(shè)備原理等教學(xué)難點(diǎn),依靠圖片、視頻等傳統(tǒng)的教學(xué)手段來(lái)開展教學(xué)不夠直觀,教學(xué)效果并不理想。3D打印技術(shù)引入教學(xué),教師可以開發(fā)并打印出相應(yīng)的教學(xué)模具,借助可視化的教學(xué)模具突破教學(xué)難點(diǎn),提升教學(xué)效果。3D打印的教學(xué)模具看得見(jiàn)、摸得著,學(xué)生通過(guò)仔細(xì)觀察,組合或拆裝教學(xué)模具,在這一過(guò)程中增強(qiáng)了學(xué)生的感官認(rèn)知,使學(xué)生對(duì)操作原理、物體結(jié)構(gòu)、空間概念等深入理解并內(nèi)化相關(guān)知識(shí)點(diǎn),提升教學(xué)效果。

三、3D打印技術(shù)在高職教學(xué)的應(yīng)用推廣

隨著3D打印技術(shù)持續(xù)不斷的發(fā)展及其在各行各業(yè)的廣泛應(yīng)用,將3D打印技術(shù)應(yīng)用推廣到高職其他專業(yè)課程的教學(xué)中,對(duì)深化高職課堂教學(xué)改革、培養(yǎng)具有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的高素質(zhì)技術(shù)技能型人才有著十分重要的意義。

(一)在分析檢測(cè)教學(xué)中引入3D打印技術(shù)

在藥品、食品、化學(xué)品等的分析檢測(cè)中,經(jīng)常需要使用紅外分光光度計(jì)、液相色譜儀、氣相色譜儀等各種儀器。由于大型儀器通常不能拆解,在講解儀器結(jié)構(gòu)時(shí)教師只能借助圖片、動(dòng)畫或者仿真模擬輔助教學(xué),學(xué)生沒(méi)有看到實(shí)物,腦海中對(duì)于儀器部件的結(jié)構(gòu)和功能印象不深,往往導(dǎo)致學(xué)生不能深入理解儀器的原理。將3D打印技術(shù)引入分析檢測(cè)的教學(xué)中,可以將儀器的各個(gè)部件按比例縮小打印成實(shí)物,讓學(xué)生自己去認(rèn)識(shí)實(shí)物并進(jìn)行組裝,在這過(guò)程中學(xué)生能真正認(rèn)識(shí)儀器各個(gè)部件的結(jié)構(gòu)、部件間的關(guān)聯(lián),以此破解儀器原理教師難教、學(xué)生難學(xué)的困境,課堂也由原來(lái)的教師講解為主轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生自主學(xué)習(xí)為主,大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和參與性,進(jìn)而提升教學(xué)效果。

(二)在生物醫(yī)學(xué)教學(xué)中引入3D打印技術(shù)

在生物方面如微生物形態(tài)的教學(xué),教師通常通過(guò)圖片來(lái)講解不同類型微生物的結(jié)構(gòu)特征,然后引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)顯微鏡來(lái)觀察各類微生物的形態(tài)。通過(guò)3D打印制作細(xì)菌、酵母菌、霉菌等微生物的3D模型,使微觀的內(nèi)容變得更容易觀察,讓學(xué)生對(duì)著實(shí)物模型總結(jié)微生物的結(jié)構(gòu)特征會(huì)更加清晰和直觀,能夠幫助學(xué)生更快更好地掌握知識(shí)點(diǎn)。在醫(yī)學(xué)方面如“人體解剖生理學(xué)”的教學(xué),教師僅通過(guò)圖片或者視頻輔助講解理論知識(shí)不夠形象直觀,而通過(guò)3D打印技術(shù)打印人體器官這種可視化的教學(xué)模具輔助教學(xué),不僅能幫助學(xué)生深入理解復(fù)雜的人體結(jié)構(gòu),也能節(jié)約耗材成本。

(三)在化學(xué)教學(xué)中引入3D打印技術(shù)

有機(jī)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)決定性質(zhì),在學(xué)習(xí)某一類有機(jī)物時(shí)通常先學(xué)習(xí)其結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)教學(xué)中教師會(huì)借助PPT或Flash動(dòng)畫講解分子結(jié)構(gòu),這對(duì)學(xué)生的空間想象能力要求較高,對(duì)于化學(xué)基礎(chǔ)薄弱的高職學(xué)生學(xué)習(xí)難度較大。將3D打印技術(shù)融入有機(jī)化學(xué)的教學(xué)中,在學(xué)習(xí)時(shí)可以打印出各種有機(jī)物的結(jié)構(gòu)模型,讓學(xué)生直接對(duì)著三維實(shí)物模型觀察空間立體結(jié)構(gòu),深入理解構(gòu)象、構(gòu)型、異構(gòu)體等抽象概念。特別是很多復(fù)雜結(jié)構(gòu)的物質(zhì)如蛋白質(zhì)、核酸、酯等生物大分子通過(guò)3D打印制作結(jié)構(gòu)單元分子的模型,借助可視化的三維實(shí)物模型幫助學(xué)生克服空間想象力弱的缺點(diǎn),幫助學(xué)生理解和記憶有機(jī)物結(jié)構(gòu),為有機(jī)物性質(zhì)的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ),提升學(xué)生學(xué)習(xí)有機(jī)化學(xué)的熱情和自信。

(四)在創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教學(xué)中引入3D打印技術(shù)

高職院校在加強(qiáng)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)服務(wù)平臺(tái)的建設(shè)中,可以引入3D打印這一先進(jìn)技術(shù),打造校內(nèi)3D打印創(chuàng)新服務(wù)平臺(tái),供全校師生使用。在校學(xué)生可以借助平臺(tái)進(jìn)行3D打印驗(yàn)證創(chuàng)新想法,激發(fā)創(chuàng)新思維,也可以借助該平臺(tái)培育創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目。另外,在“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽、“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽等比賽中,鼓勵(lì)學(xué)生應(yīng)用3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)并完成集功能性與藝術(shù)性于一體的作品,培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新、創(chuàng)意、創(chuàng)業(yè)意識(shí),提高學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手及開拓創(chuàng)新能力。

四、3D打印技術(shù)在高職教學(xué)應(yīng)用推廣的影響因素

在高職教學(xué)中應(yīng)用3D打印技術(shù)確實(shí)具有許多傳統(tǒng)教學(xué)方式無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì),但從實(shí)際來(lái)看,這些優(yōu)勢(shì)還沒(méi)有完全發(fā)揮出來(lái),3D打印技術(shù)自身還存在局限性。

(一)3D打印儀器及耗材價(jià)格問(wèn)題

目前,3D打印機(jī)主要分為桌面級(jí)、工業(yè)級(jí)和生物級(jí)三大類,不同級(jí)別的3D打印機(jī)價(jià)格差異較大。桌面級(jí)的3D打印機(jī)基本可以滿足高職課程教學(xué)的要求,但打印機(jī)價(jià)格也在千元級(jí)別。除此之外,打印耗材、儀器后期維護(hù)等都需要經(jīng)費(fèi)的支持,這是高職院校在教學(xué)中引入3D打印一個(gè)重要的影響因素。

(二)3D打印時(shí)間問(wèn)題

3D打印的基礎(chǔ)是數(shù)字模型或者文件,因此在打印實(shí)物前需要在電腦軟件中進(jìn)行建模,建模這步工作就要花費(fèi)不少時(shí)間。特別是實(shí)物零部件多的、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的,建模所需的時(shí)間更長(zhǎng)。另外,建好模型后開始進(jìn)行打印,因?yàn)槭且粚訉拥卮蛴《询B成一個(gè)立體的實(shí)物,打印也要耗費(fèi)一定的時(shí)間,所以,從建模到打印出實(shí)物模型所花費(fèi)的時(shí)間也是一個(gè)影響因素。高職專業(yè)教學(xué)中引入3D打印技術(shù),教師在開展教學(xué)前需要花費(fèi)更多的時(shí)間和精力來(lái)準(zhǔn)備,是一個(gè)較大的挑戰(zhàn)。

結(jié)語(yǔ)

3D打印技術(shù)在高職機(jī)械制造類、藝術(shù)設(shè)計(jì)類、汽車修理類等專業(yè)的教學(xué)中增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,改善了教學(xué)質(zhì)量和效果,有效提高了高職學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維。3D打印技術(shù)在高職教學(xué)應(yīng)用中展現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢(shì),高職其他專業(yè)如何利用3D打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)來(lái)深化課堂教學(xué)改革、提升課堂教學(xué)質(zhì)量,需要教師不斷去研究和探索。隨著科技的不斷發(fā)展,相信3D打印會(huì)克服打印機(jī)及耗材價(jià)格、打印時(shí)間等問(wèn)題,在高職課程教育領(lǐng)域更好地發(fā)揮它的優(yōu)勢(shì),更好地助力高素質(zhì)技能型人才的培養(yǎng)。