3D打印技術(shù)在大學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)中的應用*

☆艾賢明 陳仕品 李媛媛

（西華師范大學教育學院，四川南充637002）

3D打印技術(shù)在大學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)中的應用*

☆艾賢明 陳仕品 李媛媛

（西華師范大學教育學院，四川南充637002）

3D打印技術(shù)是將三維數(shù)字模型轉(zhuǎn)變?yōu)槲锢韺嶓w的快速成型技術(shù)，在醫(yī)學、工業(yè)設(shè)計、建筑、航空航天和教育等領(lǐng)域具有廣泛的應用前景。針對信息技術(shù)支持大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培訓的問題，本文以國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目為研究對象，分析結(jié)果顯示3D打印技術(shù)在大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目中的應用呈現(xiàn)逐年增長的趨勢，從理論上探討了3D打印技術(shù)支持大學生創(chuàng)新的機制。研究表明3D打印技術(shù)將“技術(shù)”與“教育”有機整合在大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)中發(fā)揮著重要作用，為培養(yǎng)大學生創(chuàng)新思維創(chuàng)設(shè)良好的條件，激發(fā)大學生的創(chuàng)新精神，提高大學生的創(chuàng)新實踐能力。

3D打印技術(shù)；創(chuàng)新能力；大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力

在高速發(fā)展的信息時代，創(chuàng)新已經(jīng)成為社會發(fā)展的驅(qū)動力，創(chuàng)新人才培養(yǎng)已成為我國高校人才培養(yǎng)的核心目標。《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要》（2010-2020年）指出，要適應國家和社會發(fā)展需要，遵循教育規(guī)律和人才成長規(guī)律，深化教育教學改革，創(chuàng)新教育教學方法和拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式，培養(yǎng)一批拔尖創(chuàng)新人才，產(chǎn)生一批國際領(lǐng)先的原創(chuàng)性成果，為提升我國綜合國力貢獻力量［1］。教育部高等教育司司長張大良指出，在新發(fā)展階段全面提高本科教育質(zhì)量的舉措之一就是把創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)改革作為突破口，以轉(zhuǎn)變高校教育觀念為先導，以培養(yǎng)全體學生的社會責任感、創(chuàng)新精神、實踐能力和創(chuàng)業(yè)意識為要義，在人才培養(yǎng)的全程融入創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育理念，大力推動高校更加重視和做好創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育工作［2］。創(chuàng)新教育是信息時代學校教育的必然選擇。加快創(chuàng)新人才培養(yǎng)鼓勵大學生自主創(chuàng)業(yè)不僅僅是國家發(fā)展和時代的要求而且是解決高校畢業(yè)生就業(yè)問題的有效途徑。近年來，3D打印技術(shù)作為一種新興可視化技術(shù)，在醫(yī)學、工業(yè)設(shè)計、建筑、航空航天等領(lǐng)域已經(jīng)取得了一定的成就，將3D打印技術(shù)引入到高校教育領(lǐng)域能夠?qū)Υ髮W生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)起到重要的作用。

一、大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力概述

創(chuàng)新是指人們運用所掌握的知識或技能去解決某個問題，在這個過程中突破常規(guī)的思維方式，產(chǎn)生了新的結(jié)果［3］。創(chuàng)新能力是指在前人發(fā)現(xiàn)或發(fā)明的基礎(chǔ)上通過自身的努力創(chuàng)造性的提出新發(fā)現(xiàn)、發(fā)明或改進革新方案的能力［4］。創(chuàng)新能力本質(zhì)上是人重新認識和解決問題的能力表現(xiàn)，從心理學角度來說是人普遍具有且可以激發(fā)的能力。創(chuàng)業(yè)是指創(chuàng)業(yè)主體將自己已有的知識和經(jīng)驗運用于社會實踐，從而實現(xiàn)自我價值。大學生創(chuàng)業(yè)包括創(chuàng)業(yè)意識、創(chuàng)業(yè)能力和創(chuàng)業(yè)潛能三大要素。創(chuàng)業(yè)能力是創(chuàng)業(yè)的核心要素，創(chuàng)業(yè)潛能是創(chuàng)業(yè)成功的保障。研究者們對創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力沒有給出具體的定義，但是對于“什么是創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育”有統(tǒng)一的看法。創(chuàng)新和創(chuàng)業(yè)有著密切的關(guān)系，創(chuàng)新是創(chuàng)業(yè)的基礎(chǔ)，創(chuàng)業(yè)實踐離不開創(chuàng)新，創(chuàng)新教育的成敗需通過大學生未來創(chuàng)業(yè)實踐檢驗，因此把創(chuàng)新教育和創(chuàng)業(yè)教育合在一起稱為創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育［5］。創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力強調(diào)的是學生的基本素質(zhì)、創(chuàng)新精神和創(chuàng)造性思維，同時，注重學生的理論知識和實踐能力，尤其是自我創(chuàng)業(yè)意識和創(chuàng)新操作能力，具備能夠獨立自主發(fā)現(xiàn)問題、解決問題并提出自己的新觀點的能力，同時，又具備創(chuàng)業(yè)意識，對創(chuàng)業(yè)有所追求的能力［6］。

大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力是指大學生既具備創(chuàng)新能力，同時又能把握機遇，善于利用和創(chuàng)造條件，使自己的創(chuàng)新能力在創(chuàng)業(yè)實踐中發(fā)揮作用的一種綜合性能力，包括堅實的理論基礎(chǔ)和過硬的技術(shù)水平、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識、創(chuàng)新思維和創(chuàng)業(yè)潛能。培養(yǎng)大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力是新時代教育工作長期且艱巨的使命，開展創(chuàng)新思維培養(yǎng)并在創(chuàng)新意識的驅(qū)動下激發(fā)大學生的創(chuàng)業(yè)潛能是其唯一路徑。在具備扎實理論知識和技術(shù)的基礎(chǔ)上培養(yǎng)大學生的創(chuàng)新思維，為創(chuàng)新實踐奠定基礎(chǔ)。在創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識的驅(qū)動之下，激發(fā)大學生的創(chuàng)業(yè)潛能，使其投身于實踐，將創(chuàng)新融入實踐開展創(chuàng)業(yè)活動。

二、3D打印技術(shù)在大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目中的應用

1.3D打印技術(shù)概述

3D打印技術(shù)，又稱三維打印技術(shù)，是一種快速成型技術(shù)，它以數(shù)字化模型為基礎(chǔ)，運用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過逐層打印的方式構(gòu)造物體［7］。3D打印技術(shù)可將人們構(gòu)想的虛擬物體轉(zhuǎn)化為可穿戴可展示的實體，是一種通用技術(shù)。3D打印技術(shù)適合需要快速制作模型的領(lǐng)域因此在在工業(yè)制造、建筑設(shè)計及醫(yī)療中已得到廣泛應用，在正式和非正式學習活動中也逐漸得到了推廣。

與傳統(tǒng)技術(shù)相比，3D打印技術(shù)有其獨特的優(yōu)勢。首先，通過3D打印機可直接將計算機中的三維圖形快速形成任何形狀的物體，實現(xiàn)個性化設(shè)計；其次，在3D打印技術(shù)的支持下，可以將設(shè)計轉(zhuǎn)化為可展示的實物，拓展思維和想象空間；更重要的是3D打印機可打印學生們設(shè)計的原型產(chǎn)品，有助于他們改善自己的設(shè)計，并更好地理解他們的創(chuàng)作過程。將3D打印技術(shù)應用于教育，是為教學提供思想、智慧和科技相融合的最佳路徑，通過將技術(shù)與教育有機整合拓展人的感覺和知覺，促進思維能力的發(fā)展，提高學生創(chuàng)新能力。

2.3D打印技術(shù)在大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目中的應用

大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目是我國“十二五”規(guī)劃期間教育部決定實施的一項工作計劃。教育部在“大學生創(chuàng)新性實驗計劃”實施5年的基礎(chǔ)上，將原來的“大學生創(chuàng)新性實驗計劃”更名為“大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃”。項目形式由原來的“創(chuàng)新訓練項目”拓展為“創(chuàng)新訓練項目、創(chuàng)業(yè)訓練項目、創(chuàng)業(yè)實踐項目”。

大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃的目標是通過該項目促進高等學校轉(zhuǎn)變教育觀念，改革人才培養(yǎng)模式，強化創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力訓練，增強高校學生的創(chuàng)新能力和在創(chuàng)新基礎(chǔ)上的創(chuàng)業(yè)能力，培養(yǎng)適應創(chuàng)新型國家建設(shè)需要的高水平創(chuàng)新人才。國家級創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃內(nèi)容包括創(chuàng)新訓練項目、創(chuàng)業(yè)訓練項目和創(chuàng)業(yè)實踐類項目三類。

創(chuàng)新訓練項目是本科生個人或團隊在導師指導下，自主完成創(chuàng)新性研究項目設(shè)計、研究條件準備和項目實施、研究報告撰寫、成果（學術(shù)）交流等工作。

創(chuàng)業(yè)訓練項目是本科生團隊，在導師指導下，團隊中每個學生在項目實施過程中扮演一個或多個具體的角色，通過編制商業(yè)計劃書、開展可行性研究、模擬企業(yè)運行、參加企業(yè)實踐、撰寫創(chuàng)業(yè)報告等工作。

創(chuàng)業(yè)實踐項目是學生團隊在學校導師和企業(yè)導師共同指導下，采用前期創(chuàng)新訓練項目的成果，提出一項具有市場前景的創(chuàng)新性產(chǎn)品或者服務(wù)，以此為基礎(chǔ)開展創(chuàng)業(yè)實踐活動［8］。根據(jù)“地方高校國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目名單”中的項目名稱和對應的項目簡介，對2012年到2014年的大學學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃立項課題數(shù)量及所屬學科領(lǐng)域進行分類歸納，統(tǒng)計處理數(shù)據(jù)，分析了3D打印在大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目中的應用情況。

圖1　2012-2014年大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目總量與應用3D打印的項目總量對比圖

圖2　應用3D打印的項目在大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目中所占比例圖

如圖1、圖2所示，圖1是2012年到2014年每年大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目的項目總量折線圖與使用3D打印技術(shù)的項目對比圖，圖2是應用3D打印的項目在大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目中所占比例圖。從中可以看出申請大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目總量在逐年大幅度的增加，這反映了國家越來越重視大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育。黨的十八大報告中也提出“創(chuàng)業(yè)帶動就業(yè)，提高創(chuàng)業(yè)能力；鼓勵青年成長，支持青年創(chuàng)業(yè)；創(chuàng)業(yè)中離不開創(chuàng)新”等關(guān)于創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育問題。當前，把促進就業(yè)擺在突出的位置上，如何實現(xiàn)就業(yè)和創(chuàng)造更多的就業(yè)崗位是國家、社會以及個人需要思考和解決的問題。這種趨勢表明高等學校正在轉(zhuǎn)變觀念，開始重視大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的培養(yǎng)，人才培養(yǎng)模式也有所變化，學校由單純接受性教育向創(chuàng)新性教育轉(zhuǎn)變。在信息技術(shù)快速發(fā)展、科學技術(shù)高度發(fā)達的今天，在教學中恰當?shù)剡\用現(xiàn)代教育教學方法和技術(shù)是信息社會對教育的緊迫要求。3D打印技術(shù)是一種新興技術(shù)，被認為是第三次工業(yè)革命的標志，隨著技術(shù)的成熟和其價格的下降，逐漸應用到各個領(lǐng)域。3D打印技術(shù)在教育領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，尤其是在大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)中。

圖3　大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目中3D打印的應用比例

3D打印在大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目各個學科領(lǐng)域中所占比例如圖3所示。在大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目中，3D打印主要應用于3D打印機的研發(fā)、個性化產(chǎn)品的制作、工業(yè)設(shè)計、醫(yī)療領(lǐng)域和模型模具打印等五方面。根據(jù)對大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目中3D打印應用比例的統(tǒng)計，如圖3發(fā)現(xiàn)研發(fā)3D打印機的項目所占比例最大。在創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目中32.86%的項目在研發(fā)3D打印機及3D打印耗材，這種現(xiàn)象揭露出3D打印機自身存在的問題即3D打印機的打印耗材種類少且價格昂貴，只有部分經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)的學校以及企業(yè)集團有能力采購。只有開發(fā)更多可打印材料，制作出體積小且方便使用的3D打印機，才能做到更大范圍的推廣，進而引入到教育領(lǐng)域，真正發(fā)揮3D打印技術(shù)在教育教學中的作用。使用3D打印機制作個性化產(chǎn)品所占比例22.86%，在工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域占18.57%。個性化產(chǎn)品制作和工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域都是重在設(shè)計。個性化產(chǎn)品的制作中，3D打印提供個性化的需求服務(wù)，消費者可以根據(jù)自己的需求設(shè)計產(chǎn)品并將其打印出符合個性化需求的成品。在這個過程3D打印技術(shù)創(chuàng)設(shè)了創(chuàng)新的條件和技術(shù)支持，不僅僅是研究者，普通用戶和消費者也能參與創(chuàng)新設(shè)計中。工業(yè)設(shè)計中，利用3D打印機快速打印形狀復雜的機械零部件，大大縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，提高生產(chǎn)效率。3D打印技術(shù)在模型模具制作中的應用12.86%，用3D打印技術(shù)快速制造出的模型或樣件可直接用于新產(chǎn)品設(shè)計驗證、功能驗證、外觀驗證、工程分析等，有利于優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計。

在大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目中，3D打印技術(shù)在設(shè)計領(lǐng)域包括個性化產(chǎn)品的設(shè)計和工業(yè)設(shè)計應用比較廣泛，所占比例高達42%。設(shè)計的關(guān)鍵就是要創(chuàng)新，這說明3D打印技術(shù)在大學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)中發(fā)揮著重大作用。

三、3D打印技術(shù)在大學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)中的優(yōu)勢分析

1.為培養(yǎng)大學生創(chuàng)新思維創(chuàng)設(shè)良好的條件

在創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力中理論知識和技術(shù)水平是大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)的前提；創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識是大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)的動力；創(chuàng)新思維是大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)的核心；創(chuàng)業(yè)潛能是是大學生從事創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動的保障。戴爾的“經(jīng)驗之塔”理論強調(diào)先從具體的經(jīng)驗入手，逐步進入抽象經(jīng)驗。在教學過程中，要善于用各種媒體，要學會把一些先進技術(shù)引用到教育，使教學活動更具體，利用一些媒體與一些先進技術(shù)來彌補各種直接經(jīng)驗的不足，為抽象經(jīng)驗奠定基礎(chǔ)。3D打印作為一種快速成形技術(shù)，能打印各種復雜形狀的產(chǎn)品。3D打印技術(shù)在本質(zhì)上是多媒體技術(shù)的延伸，是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的延伸，它拓展了人的知覺和感覺，促進了思維能力的進一步發(fā)展［9］。將3D打印引入實踐教學，能夠為學生創(chuàng)新能力訓練創(chuàng)設(shè)良好教學的情景。通過大膽設(shè)計，建立三維模型，3D打印機就能將三維模型打印為可觸摸可展示的實體。3D打印技術(shù)在把模型轉(zhuǎn)化為實物的過程中激發(fā)了學生創(chuàng)新的勇氣和創(chuàng)新思維。

2.激發(fā)學生的創(chuàng)新動機

創(chuàng)新動機是推動人們從事創(chuàng)新活動的內(nèi)部動力，是創(chuàng)新行為的發(fā)端。興趣是引起學生學習動機的內(nèi)部因素之一，3D打印技術(shù)能夠?qū)⒃O(shè)計的模型呈現(xiàn)成立體直觀的實物，這種快速成型技術(shù)能夠充分調(diào)動學生的學習積極性，激發(fā)學生的創(chuàng)新動機。例如：在通用技術(shù)課程的建筑及其設(shè)計教學中，通常教師是利用多媒體圖片、動畫和視頻等為學習者創(chuàng)建一種信息化學習環(huán)境，但這種教學缺乏對真實事物探索實踐機會。3D打印技術(shù)的出現(xiàn)變革了傳統(tǒng)講授演示的教學方式，學生成為探究實踐的主體。可視化的3D打印技術(shù)，將學生的設(shè)計模型打印成立體實物，營造更逼真的學習環(huán)境，給學生帶來強烈的現(xiàn)場感，能夠顯著提高學生的學習興趣和創(chuàng)新意識。

3.提高學生的實踐能力，激發(fā)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)潛能

創(chuàng)業(yè)潛能包括創(chuàng)業(yè)者的個人素質(zhì)和各方面的能力如學習能力、協(xié)作能力和交際能力等是大學生從事創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動的保障。使用3D打印機打印一個物體的流程分為三個步驟：提出有創(chuàng)意的設(shè)計、建立三維模型和打印。學生參與到每一階段當中，通過一系列活動，能夠提高學生觀察能力、協(xié)作能力和實踐動手能力。實踐是提高知識內(nèi)化和掌握程度的主要途徑，同時，實踐能力也是學習者發(fā)展研究能力和創(chuàng)新能力的基石［10］。實踐和創(chuàng)新有著密切的聯(lián)系，實踐促進創(chuàng)新，創(chuàng)新引導實踐。創(chuàng)新能力訓練就是讓受訓者在實際生活中能應用學校所學的技能，其目標就是激發(fā)受訓者創(chuàng)新意識并能夠有意識地運用創(chuàng)新方法。

四、結(jié)束語

根據(jù)對2012-2014年國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目分析可以看出，3D打印技術(shù)在國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目中呈現(xiàn)逐年增加態(tài)勢。3D打印技術(shù)作為一種新興信息技術(shù)，在培養(yǎng)大學生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新實踐能力方面具有重要的應用前景。

［1］《教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要》關(guān)于培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新人才方面的摘要［EB/OL］.http：//www.g12e.org/sfci/yaowenc8.shtml.

［2］高校人才培養(yǎng)呈現(xiàn)三大亮點——訪教育部高等教育司司長張大良［N］.中國教育報，2014-11-13.

［3］何俊敏.高中創(chuàng)新意識培養(yǎng)問題的分析及其教育對策［D］.武漢：華中師范大學，2014.

［4］何靜.大學生創(chuàng)新能力開發(fā)與應用［M］.上海：同濟大學出版社，2011：5-6.

［5］韓孟潔.加強大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的思考和實踐［J］.電子科技大學學報，2009，（05）：2.

［6］歐陽泓杰.面向創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)的高校實踐教學體系研究［D］.武漢：華中師范大學，2014：17-18.

［7］李青.3D打印：一種新興的學習技術(shù)［J］.遠程教育雜志，2013，（04）：6.

［8］教育部關(guān)于做好“本科教學工程”國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃實施工作的通知［EB/OL］.http//www.moe.gov.cnpublicfilesbusinesshtmlfilesmoes59722014 04xxgk_166881.html，2012-3-21.

［9］童宇陽.3D打印技術(shù)在中小學教學中的應用研究［J］.現(xiàn)代教育技術(shù)，2013，（12）：2.

［10］花燕峰，張龍革.3D打印技術(shù)在教育中的應用［J］.中小學電教，2014，（06）：3.

［編輯：閆長松］

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A

1671-7503（2015）17-0024-04

國家社科基金一般項目“高校信息化建設(shè)的結(jié)構(gòu)、過程和機制研究”（12BGL097）.