淺談3D打印技術在實踐教學中的應用

潘愛瓊++張輝++張建強++劉軍

摘 要 在分析3D打印技術原理和在實踐教學中應用現狀的基礎上，結合實際教學案例，探究教學應用模式。3D打印可應用于課堂情境教學，深化知與行的交互性，有助于學習者進行課外創新，增強綜合技能，提高就業競爭力，便于開展產學研項目。

關鍵詞 3D打印；實踐教學；創新能力

中圖分類號：G642.44 文獻標識碼：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”成為先進技術的代名詞，有關3D打印的新聞占據著各大媒體科技報道的主要版面。其實3D打印技術并不是一項新興技術，它產生于20世紀80年代，由于當時工業機型成本巨大，只有3DSystems、DTM等少數科技公司進行了相關研究及工業應用。經過近30年的不斷發展和完善，3D打印技術已滲透到各個領域，如汽車制造、航空航天、文化娛樂、醫療假肢、創意設計、生活用具等領域。甚至英國《經濟學人》刊文認為，3D打印技術將與其他數字化生產模式一起，推動新的工業革命的實現。美國《時代》周刊也將3D打印列為美國十大增長最快的工業。《新媒體聯盟地平線報告：2014高等教育版》指出：3D打印技術應用于教學能夠幫助學習者獲得深刻而有成就體驗的學習，并提出未來2～3年3D打印將走進教學[1]。因此，探討3D打印技術在我國教學實踐中的合理應用至關重要。

2 3D打印技術簡介

“3D打印”是通俗叫法，其學術名稱為快速原型技術（Rapid Prototyping Manufacturing，RPM），也稱增材制造技術（Additive Manufacturing，AM）。其工作原理是：先設計零件的三維模型，再利用切片軟件將此三維數字模型分層切片，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品。整個制備過程不需要模具，也不再需要傳統的刀具、夾具和機床，縮短產品的生產周期，降低原型產品的開發成本；且理論上可打印任意復雜形狀的工件，加工柔性化大大提高。

3D打印過程的關鍵設備是3D打印機，它是集機械、控制及計算機技術等為一體的復雜機電一體化系統，主要包括高精度機械系統、數控系統、噴射系統和成型環境等，此外還涉及新型打印材料的開發、不同設備不同材料打印工藝的研究、產品創新設計等眾多方面[2]。當今科技日新月異，隨著學科交叉綜合加強，要求學生具備全面的知識結構，而3D打印技術恰能為學生提供一個綜合性技術知識的學習途徑，因此，3D打印技術在高等教育領域的應用能為我國開辟新的教育模式[3]。

3 3D打印技術在教學中的應用現狀

歐美國家已將3D打印技術廣泛應用于實踐教學中，美國走在3D打印技術教學應用的前列，政府部門大力支持將3D打印技術與學校教育結合。2013年2月，美國總統奧巴馬在國情咨文演講中強調了3D打印技術的重要性。2013年11月，作為全球最大的熔融沉積3D打印機廠商，美國Makerbot公司計劃讓全美所有學校擁有3D打印機。2014年6月，美國白宮舉辦了歷史上第一次創客DIY發布會，美國總統第一次宣布在全美引入3D打印機產業，推進中小學教育改革[4]。

3D打印技術在我國教育領域的應用還處于初級階段，但已引起部分地區的重視。2014年5月，浙江省經信委聯合省內多家企業向83所學校捐贈了3D打印機，用于對該技術的普及教育。成都錦江區擬建全國首個3D打印教育示范區，培養學生的創新能力和動手實踐能力。中國3D打印技術產業聯盟正在和地方政府合作，計劃兩年至少采購2000臺桌面機[5]。同時，青島、上海、蘇州等多地的部分中小學也引進了3D打印設備，用于提高學生的探索精神。

不難發現，3D打印技術在我國教育領域中的應用多數處于科普階段，而在該技術發展程度較好的高校，如清華大學、北京航空航天大學、華中科技大學、西安交通大學等，主要工作集中在工業級設備的研制和開發，也較少將3D打印技術用于教學創新中。

4 3D打印技術在教學實踐中應用模式探究

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

形成交互式教學模式。在桌面3D打印機巨頭MakerBot舉辦的數學工具模型大賽上，愛好者制作了各類創意教具，并用3D打印機將創意立體化為三維實物，提高學習者的學習興趣[7]。

實踐證明，教學中采用自制生動教具，課堂氛圍更加輕松。圖1為學生自行設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習者將已有知識經驗與實際問題進行聯系，深化知識和意義；使教師從知識權威轉變為學習者學習的促進者，有利于引導學習者應用習得的知識來解決“現實”問題。

3D打印技術用于課外創新實踐活動 創新是一個民族進步的靈魂，提高自主創新能力、建設創新型國家必須依靠創新型人才。而我國教育工作者針對如何培養人才創新能力難題一直在努力探索。許多學校創建了科技興趣小組以鼓勵學生創新，但往往一些創意思想都囿于現實而被迫終止。當學生試圖將創意付諸實踐時發現，即使標準零部件仍需去市場上逐一甄選，過程繁雜，而非標準件則必須找代工廠進行單件生產，加工周期長且價格昂貴，這些困擾在很大程度上消減了學生創新的積極性。

3D打印的出現徹底改變了這一現狀，任何創意設計都不再局限于傳統加工能力的局限，3D打印機可以快速打印出學生DIY過程所需的零件，學生幾乎可以足不出戶就能將創意變成成品。3D打印技術可激發學習者對某些科學過程或現象進行可視化展現，便于學習者進行科技發明或創新制作，能為學生創新制作提供一種更加高效的形式。荷蘭學生已用桌面3D打印機打印賽車參加2014環保馬拉松。

3D打印技術用于培養大學生的綜合技能 當今社會對人才知識形式要求發生劇烈變化，從傳統的單一知識形式轉變為多領域知識融合形式。3D打印對于中小學生可簡單定位為一種科普教育，而高等教育是一種專業教育。因此，3D打印機對于大學生不僅僅是一種模型制作設備，更應該通過對打印設備的系統學習，深入掌握所涉及的各種技術知識。

如前所述，3D打印技術是一種集多領域知識于一體的技術形式，它要求學生綜合學習機械設計、計算機技術、控制技術、光學技術、材料科學等多種新興技術，這就必然促使大學生加強多領域知識的學習與融合，契合當今社會對綜合型人才的需求。

3D打印技術用于提高大學生就業競爭力 近年來我國大學生就業問題日益突出，其根源在于人才培養與社會需求脫節，存在“兩張皮”現象。部分專業的課程設置和課程內容不能與時俱進，與社會崗位對專業人才的要求不相符合。2014年9月，人力資源咨詢機構WANTED Analytics發布報告表示，四年來市場上對具備3D打印與增材制造相關技能的人員需求量持續上升；2014年8月，3D打印行業的招聘廣告數量比去年同期增長103%，且相關崗位的人員招聘難度系數最高達到60%，企業很難招聘到具有此項專門技術的人才，人才缺口十分巨大[8]。

目前，我國還沒有設置3D打印專業，僅出現小規模具有高效背景的培訓機構，遠不能滿足市場對3D打印人才的需求，所以亟待將3D打印技術融入課堂教學，將人才培養與社會需求結合起來，可以大大提高學生就業競爭力。

3D打印技術用于開展產學研項目 技術作為連接知識與生產的橋梁，不僅是知識的應用與物化，要進行構思設計，還要直接作用于生產過程，進行產品開發與制造。因此，積極開展產學研項目合作是把握技術的理論性與實踐性之間發展規律的重要環節。

3D打印技術用于開展產學研項目有利于培養學生科研能力，增強科研轉化能力。對于高校，一方面可對3D打印技術進行深入科學研究，另一方面應向企業提供共享服務。如青島高新區引進西安交通大學快速制造國家工程研究中心盧秉恒院士團隊，幫助其打造完整的3D打印產業鏈；與中科院自動化所共建青島智能產業技術研究院，建設3D打印社會資源平臺等，形成雙贏的局面。

5 結束語

3D打印技術以其獨特的優勢廣泛應用于諸多領域，能極大促進業內人士的創新實踐。本文通過對該技術在我國教育領域發展現狀的分析，提出3D打印技術在高等教育教學實踐中的幾種應用模式。3D打印技術可用于改革我國傳統的灌輸式教育模式為情境教育，它將充分挖掘學生的創新潛力和拓寬學生的思維空間，有利于培養大學生的綜合知識技能和提高就業競爭力，3D打印技術在我國高等教育教學實踐的應用具有廣闊前景。

參考文獻

[1]約翰遜，亞當貝斯克爾，卡明斯，等.新媒體聯盟地平線報告（2014高等教育版）[J].北京廣播電視大學學報，

2014（2）：14-36.

[2]王雪瑩.3D打印技術與產業的發展及前景分析[J].中國高新技術企業，2012（26）：3-5.

[3]王萍.3D打印及其教育應用初探[J].中國遠程教育，

2013（8）：83-87.

[4]Kraft C. White House Maker Faire Fact Sheet Has Been Re-

leased[EB/OL].[2014-06-18].http：//makezine.com/2014/06/

18/white-house-maker-faire-fact-sheet-has-been-released/.

[5]3D打印教育培訓標準正制定[N/OL].[2014-05-15].http：//

news.163.com/14/0515/01/9S8IG87300014AED.html.

[6]李青，王青.3D打印：一種新興的學習技術[J].遠程教育雜志，2013（4）：29-35.

[7]MakerBot數學工具大賽3D打印寓教于樂[EB/OL].[2013-

12-11].http：//www.zxxk.com/huodong/2009jsj/Info.aspx？Info

ID=300109.

[8]Rowe A Z. Demand for 3D Printing Skills Soars[EB/OL].

[2014-09-04].https：//www.wantedanalytics.com/analysis/

posts/demand-for-3d-printing-skills-soars.