3D打印技術在高等教育中的應用與發展*

◆王光艷　冷光明　羅青龍

3D打印技術在高等教育中的應用與發展*

◆王光艷冷光明羅青龍

通過分析3D打印的技術特點、優勢及其目前在高等教育中的應用情況，提出3D打印技術在高校進一步發展的要求，為3D打印技術在高等教育中的應用與發展提供參考。

3D打印；高等教育；機械類專業

10.3969/j.issn.1671-489X.2016.16.036

1　前言

隨著全球信息化時代的到來，以大數據、互聯網、云計算及3D打印等為代表的先進信息技術對社會經濟發展及學校人才培養都產生重大影響。新技術的發展推動著課程教學內容和教學方法不斷變革，以培養順應時代發展需求的創新型人才。3D打印作為先進信息技術中一項極具發展前景的新興制造技術，其在工業技術發展及教育人才培養中都占有重要地位。

3D打印技術出現于20世紀90年代，現代工業生產正在從大規模批量化生產轉變為小批量和個性化生產，產品的生命周期和投放市場的時間越來越短。在這樣的時代背景之下，3D打印技術應運而生［1］。3D打印技術一出現，就在建筑、航空航天、軍事、汽車、機械、電子、電器、玩具、工藝品等許多領域得到廣泛應用，被譽為第三次工業革命的重要標志之一，是“具有工業革命意義的制造技術”［2］。隨著3D打印成本的大幅下降，使得3D打印不再局限于工業設計、科研等高端領域，其逐步走出工廠及實驗室，走進家庭和學校，慢慢滲透到日常生活的方方面面。

2　3D打印的技術特點與優勢

3D打印技術作為快速成形技術之一，其生產過程無需任何模具等專用工具，只需將零件的CAD模型（數字模型）輸入計算機，無需人工編程，根據離散、堆積原理，在CAD模型的直接驅動下完成材料的有序堆積，自動完成零件的成形制造［3］。3D打印技術是計算機技術、數控技術、高能束技術（激光束、電子束等）、微滴技術和材料科學等學科領域和技術的技術集成，3D打印技術的發展又促進了上述相關學科與技術的發展。3D打印技術依托計算機軟硬件技術和數控技術與裝備，將產品設計與制造過程中的CAD與CAM高度集成，能夠迅速將CAD概念設計或創新設計的物理模型非常精準地“打印”出來。這樣，設計者可以根據可視化的物理模型進行設計評價，直觀地進行進一步的設計，也可對打印出的產品進行裝配干涉檢查，進行性能和功能測試、手感測試等，顯著提高產品開發的效率和質量［4］。

此外，3D打印技術基于離散、堆積原理進行“增材制造”，不需要特殊的模具、工具或人工干涉，可以制造任意復雜形狀的三維實體，具有高度的柔性及加工成本低、生產周期短、節省材料等優勢。

3　3D打印技術在高等教育中的應用

3D打印技術作為第三次工業革命的重要標志之一，是制造業領域正在迅速發展的一項新興技術，其在教育應用中亦有深刻的創新實踐意義。將3D打印技術應用到教學實踐過程中，對學生的動手能力、創新能力及創新思維等的培養都有重要的促進作用，對創新型人才的培養具有積極意義。

3D打印被作為一種重要的課堂教學手段，顛覆了傳統的教學模式，能夠將課本上的知識可視化地展現在學生面前，實現觸覺教學，以激發學生的學習興趣。在國外，3D打印技術在教育領域的應用已十分普及。美國STEM研究院已與Stratasys公司合作，將3D打印技術融入學生的編程課程。在我國，3D打印技術在教育領域的推廣和應用已被廣泛關注。教育部社區教育研究培訓中心啟動“i-3D打印實驗室”項目，將“教學互動”“設計創作”和“操作體驗”等集于一體。3D打印技術在國內高等教育中的應用如下。

教學應用目前國內很多高校已經具有3D打印實驗中心、3D打印工程訓練中心。教師可以借助3D打印制作生動直觀的可視化教具，實現傳統教學中的很多抽象畫概念實物化［5］，可以結合理論課程開展3D打印實驗，讓學生通過動手設計，把數學、機械、物理、生物、汽修等課中的許多抽象概念模型化，然后打印出來，以激發學生投身科學、數學、工程和設計的熱情，培養實踐動手能力［6］。

如在機械類專業中，傳統課程設計中的減速箱設計，只要求學生完成理論設計，然后繪制圖紙。而現在可以進一步要求學生借助計算機建模技術創建減速箱三維模型，然后通過3D打印設備打印出來，進行設計評價，以鍛煉學生對知識的綜合應用能力和實踐動手能力。

科研應用目前很多高校師生在依托3D打印技術和3D打印設備進行科研項目申報和研究。例如：醫學專業的師生依托3D打印技術和生物材料進行人體骨骼及其他器官的打印研究；汽車專業的師生依托3D打印技術進行汽車零部件或整車的打印研究［7］；建筑專業的師生利用3D打印制作建筑模型、橋梁模型；等等。學生還可以依托3D打印技術進行產品自主創新設計或結合三維掃描儀等工具進行產品逆向設計，完成產品的創新設計與開發。國家大學生創新創業訓練項目中就有很大一部分是基于3D打印技術的項目。

創新創業應用隨著3D打印技術的應用普及，在高校中出現學生依托3D打印技術和互聯網平臺進行創業的熱潮。例如：學生依托3D打印設備和3D掃描機創立3D照相館；通過互聯網成立網上3D打印云平臺，進行個性化3D打印產品的設計與定制生產；很多愛好3D打印的學生成立3D打印創客俱樂部及3D打印空間等，打印售賣個性化優盤、游戲模型及動漫模型等創意產品［8］。利用3D打印、大數據及互聯網等先進信息技術，學生可以將具有創造性價值的個性化想法變為實際，最終成為創新創業的新路徑、新方向。

4　3D打印技術在高等教育中的發展

“十三五”規劃綱要在對“現代產業”的提案中明確寫到：“大力推進先進半導體、增材制造（俗稱3D打印）、智能系統等新興前沿領域創新和產業化，形成一批新增長點。”隨著3D打印技術的不斷發展，未來對3D打印專業應用技術人才的需求將會大大增加，國內高校尤其是工程應用技術型大學有必要率先開展3D打印技術的教學及實踐，訓練學生3D打印的動手能力和思維能力，培養3D打印應用型技術人才，順應未來3D打印市場的人才需求。

3D打印目前在國內高等教育中的應用主要在相關專業，還未普及到各個學科。為推動3D打印技術在教育領域的普及應用，教育部提出“3D打印進校園”項目，倡議有條件的學校率先建立3D打印工程訓練中心。3D打印應用型技術人才培養中實踐教學是關鍵，所以高校需要加強3D打印教學基礎硬件設施建設，加強3D打印實驗室、實習實訓基地、實踐教學共享平臺建設。同時開展針對3D打印的項目化教學、可視化教具制作、創客空間及翻轉課堂等教學模式，培養不同學科學生3D打印的基礎知識與應用能力。此外，可以通過與企業和單位共建3D打印實訓基地，發展與相關企業、行業的合作，推進產學研協同創新，形成資源共享、人才共有、過程共管的人才聯合培養機制。

5　結束語

事實證明，在高等教育中引入3D打印，能夠將學生的動手和動腦結合起來，調動學生學習的積極性與主動性，實現邊做邊學。3D打印將會進一步在高等教育甚至基礎教育中推廣和普及，更多地融入教學過程，這對學校的教學模式、教學資源以及教師的專業發展都是新挑戰。要想將3D打印技術更好地應用在高等教育的人才培養中，還得進一步增強高校之間、校企之間的合作與交流，實現資源、信息、技術及人才的共享。

［1］王廣春，趙國群.快速成型與快速模具制造技術及其應用［M］.北京：機械工業出版社，2008：1-230.

［2］高越.3D打印技術影響下設計師與產品設計的重新定位［D］.北京：北京理工大學，2015.

［3］楊繼全，徐國財.快速成型技術［M］.北京：化學工業出版社，2006：5-300.

［4］王運贛.快速成形技術［M］.武漢：華中理工大學出版社，1999.

［5］張佳琦.3D打印技術在地理教學中的應用研究［D］.上海：華東師范大學，2015.

［6］高奇，曾紅，等.基于3D打印技術的快速模具制造開放實驗探討［J］.實驗技術與管理，2016（1）：205-207.

［7］朱艷青，史繼富，等.3D打印技術發展現狀［J］.制造技術與機床，2015（12）：50-57.

［8］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.

G640

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1671-489X（2016）16-0036-02

*項目來源：貴州省普通高等學校新能源汽車工程研究中心（基金編號：黔教合KY字〔2014〕226）。

作者：王光艷、冷光明、羅青龍，貴州工程應用技術學院助教，研究方向為先進制造技術（551700）。