3D打印技術(shù)在高等教育中的應(yīng)用與發(fā)展*

◆王光艷　冷光明　羅青龍

3D打印技術(shù)在高等教育中的應(yīng)用與發(fā)展*

◆王光艷冷光明羅青龍

通過分析3D打印的技術(shù)特點(diǎn)、優(yōu)勢(shì)及其目前在高等教育中的應(yīng)用情況，提出3D打印技術(shù)在高校進(jìn)一步發(fā)展的要求，為3D打印技術(shù)在高等教育中的應(yīng)用與發(fā)展提供參考。

3D打印；高等教育；機(jī)械類專業(yè)

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

1　前言

隨著全球信息化時(shí)代的到來，以大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算及3D打印等為代表的先進(jìn)信息技術(shù)對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展及學(xué)校人才培養(yǎng)都產(chǎn)生重大影響。新技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)著課程教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法不斷變革，以培養(yǎng)順應(yīng)時(shí)代發(fā)展需求的創(chuàng)新型人才。3D打印作為先進(jìn)信息技術(shù)中一項(xiàng)極具發(fā)展前景的新興制造技術(shù)，其在工業(yè)技術(shù)發(fā)展及教育人才培養(yǎng)中都占有重要地位。

3D打印技術(shù)出現(xiàn)于20世紀(jì)90年代，現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)正在從大規(guī)模批量化生產(chǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)樾∨亢蛡€(gè)性化生產(chǎn)，產(chǎn)品的生命周期和投放市場(chǎng)的時(shí)間越來越短。在這樣的時(shí)代背景之下，3D打印技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生［1］。3D打印技術(shù)一出現(xiàn)，就在建筑、航空航天、軍事、汽車、機(jī)械、電子、電器、玩具、工藝品等許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，被譽(yù)為第三次工業(yè)革命的重要標(biāo)志之一，是“具有工業(yè)革命意義的制造技術(shù)”［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(yè)設(shè)計(jì)、科研等高端領(lǐng)域，其逐步走出工廠及實(shí)驗(yàn)室，走進(jìn)家庭和學(xué)校，慢慢滲透到日常生活的方方面面。

2　3D打印的技術(shù)特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)

3D打印技術(shù)作為快速成形技術(shù)之一，其生產(chǎn)過程無需任何模具等專用工具，只需將零件的CAD模型（數(shù)字模型）輸入計(jì)算機(jī)，無需人工編程，根據(jù)離散、堆積原理，在CAD模型的直接驅(qū)動(dòng)下完成材料的有序堆積，自動(dòng)完成零件的成形制造［3］。3D打印技術(shù)是計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、高能束技術(shù)（激光束、電子束等）、微滴技術(shù)和材料科學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域和技術(shù)的技術(shù)集成，3D打印技術(shù)的發(fā)展又促進(jìn)了上述相關(guān)學(xué)科與技術(shù)的發(fā)展。3D打印技術(shù)依托計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)和數(shù)控技術(shù)與裝備，將產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造過程中的CAD與CAM高度集成，能夠迅速將CAD概念設(shè)計(jì)或創(chuàng)新設(shè)計(jì)的物理模型非常精準(zhǔn)地“打印”出來。這樣，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)可視化的物理模型進(jìn)行設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)，直觀地進(jìn)行進(jìn)一步的設(shè)計(jì)，也可對(duì)打印出的產(chǎn)品進(jìn)行裝配干涉檢查，進(jìn)行性能和功能測(cè)試、手感測(cè)試等，顯著提高產(chǎn)品開發(fā)的效率和質(zhì)量［4］。

此外，3D打印技術(shù)基于離散、堆積原理進(jìn)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(fù)雜形狀的三維實(shí)體，具有高度的柔性及加工成本低、生產(chǎn)周期短、節(jié)省材料等優(yōu)勢(shì)。

3　3D打印技術(shù)在高等教育中的應(yīng)用

3D打印技術(shù)作為第三次工業(yè)革命的重要標(biāo)志之一，是制造業(yè)領(lǐng)域正在迅速發(fā)展的一項(xiàng)新興技術(shù)，其在教育應(yīng)用中亦有深刻的創(chuàng)新實(shí)踐意義。將3D打印技術(shù)應(yīng)用到教學(xué)實(shí)踐過程中，對(duì)學(xué)生的動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力及創(chuàng)新思維等的培養(yǎng)都有重要的促進(jìn)作用，對(duì)創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)具有積極意義。

3D打印被作為一種重要的課堂教學(xué)手段，顛覆了傳統(tǒng)的教學(xué)模式，能夠?qū)⒄n本上的知識(shí)可視化地展現(xiàn)在學(xué)生面前，實(shí)現(xiàn)觸覺教學(xué)，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在國(guó)外，3D打印技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用已十分普及。美國(guó)STEM研究院已與Stratasys公司合作，將3D打印技術(shù)融入學(xué)生的編程課程。在我國(guó)，3D打印技術(shù)在教育領(lǐng)域的推廣和應(yīng)用已被廣泛關(guān)注。教育部社區(qū)教育研究培訓(xùn)中心啟動(dòng)“i-3D打印實(shí)驗(yàn)室”項(xiàng)目，將“教學(xué)互動(dòng)”“設(shè)計(jì)創(chuàng)作”和“操作體驗(yàn)”等集于一體。3D打印技術(shù)在國(guó)內(nèi)高等教育中的應(yīng)用如下。

教學(xué)應(yīng)用目前國(guó)內(nèi)很多高校已經(jīng)具有3D打印實(shí)驗(yàn)中心、3D打印工程訓(xùn)練中心。教師可以借助3D打印制作生動(dòng)直觀的可視化教具，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)教學(xué)中的很多抽象畫概念實(shí)物化［5］，可以結(jié)合理論課程開展3D打印實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生通過動(dòng)手設(shè)計(jì)，把數(shù)學(xué)、機(jī)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(fā)學(xué)生投身科學(xué)、數(shù)學(xué)、工程和設(shè)計(jì)的熱情，培養(yǎng)實(shí)踐動(dòng)手能力［6］。

如在機(jī)械類專業(yè)中，傳統(tǒng)課程設(shè)計(jì)中的減速箱設(shè)計(jì)，只要求學(xué)生完成理論設(shè)計(jì)，然后繪制圖紙。而現(xiàn)在可以進(jìn)一步要求學(xué)生借助計(jì)算機(jī)建模技術(shù)創(chuàng)建減速箱三維模型，然后通過3D打印設(shè)備打印出來，進(jìn)行設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)，以鍛煉學(xué)生對(duì)知識(shí)的綜合應(yīng)用能力和實(shí)踐動(dòng)手能力。

科研應(yīng)用目前很多高校師生在依托3D打印技術(shù)和3D打印設(shè)備進(jìn)行科研項(xiàng)目申報(bào)和研究。例如：醫(yī)學(xué)專業(yè)的師生依托3D打印技術(shù)和生物材料進(jìn)行人體骨骼及其他器官的打印研究；汽車專業(yè)的師生依托3D打印技術(shù)進(jìn)行汽車零部件或整車的打印研究［7］；建筑專業(yè)的師生利用3D打印制作建筑模型、橋梁模型；等等。學(xué)生還可以依托3D打印技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)或結(jié)合三維掃描儀等工具進(jìn)行產(chǎn)品逆向設(shè)計(jì)，完成產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)與開發(fā)。國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目中就有很大一部分是基于3D打印技術(shù)的項(xiàng)目。

創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)應(yīng)用隨著3D打印技術(shù)的應(yīng)用普及，在高校中出現(xiàn)學(xué)生依托3D打印技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)進(jìn)行創(chuàng)業(yè)的熱潮。例如：學(xué)生依托3D打印設(shè)備和3D掃描機(jī)創(chuàng)立3D照相館；通過互聯(lián)網(wǎng)成立網(wǎng)上3D打印云平臺(tái)，進(jìn)行個(gè)性化3D打印產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與定制生產(chǎn)；很多愛好3D打印的學(xué)生成立3D打印創(chuàng)客俱樂部及3D打印空間等，打印售賣個(gè)性化優(yōu)盤、游戲模型及動(dòng)漫模型等創(chuàng)意產(chǎn)品［8］。利用3D打印、大數(shù)據(jù)及互聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)信息技術(shù)，學(xué)生可以將具有創(chuàng)造性價(jià)值的個(gè)性化想法變?yōu)閷?shí)際，最終成為創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的新路徑、新方向。

4　3D打印技術(shù)在高等教育中的發(fā)展

“十三五”規(guī)劃綱要在對(duì)“現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)”的提案中明確寫到：“大力推進(jìn)先進(jìn)半導(dǎo)體、增材制造（俗稱3D打印）、智能系統(tǒng)等新興前沿領(lǐng)域創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化，形成一批新增長(zhǎng)點(diǎn)。”隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，未來對(duì)3D打印專業(yè)應(yīng)用技術(shù)人才的需求將會(huì)大大增加，國(guó)內(nèi)高校尤其是工程應(yīng)用技術(shù)型大學(xué)有必要率先開展3D打印技術(shù)的教學(xué)及實(shí)踐，訓(xùn)練學(xué)生3D打印的動(dòng)手能力和思維能力，培養(yǎng)3D打印應(yīng)用型技術(shù)人才，順應(yīng)未來3D打印市場(chǎng)的人才需求。

3D打印目前在國(guó)內(nèi)高等教育中的應(yīng)用主要在相關(guān)專業(yè)，還未普及到各個(gè)學(xué)科。為推動(dòng)3D打印技術(shù)在教育領(lǐng)域的普及應(yīng)用，教育部提出“3D打印進(jìn)校園”項(xiàng)目，倡議有條件的學(xué)校率先建立3D打印工程訓(xùn)練中心。3D打印應(yīng)用型技術(shù)人才培養(yǎng)中實(shí)踐教學(xué)是關(guān)鍵，所以高校需要加強(qiáng)3D打印教學(xué)基礎(chǔ)硬件設(shè)施建設(shè)，加強(qiáng)3D打印實(shí)驗(yàn)室、實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)基地、實(shí)踐教學(xué)共享平臺(tái)建設(shè)。同時(shí)開展針對(duì)3D打印的項(xiàng)目化教學(xué)、可視化教具制作、創(chuàng)客空間及翻轉(zhuǎn)課堂等教學(xué)模式，培養(yǎng)不同學(xué)科學(xué)生3D打印的基礎(chǔ)知識(shí)與應(yīng)用能力。此外，可以通過與企業(yè)和單位共建3D打印實(shí)訓(xùn)基地，發(fā)展與相關(guān)企業(yè)、行業(yè)的合作，推進(jìn)產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新，形成資源共享、人才共有、過程共管的人才聯(lián)合培養(yǎng)機(jī)制。

5　結(jié)束語(yǔ)

事實(shí)證明，在高等教育中引入3D打印，能夠?qū)W(xué)生的動(dòng)手和動(dòng)腦結(jié)合起來，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性與主動(dòng)性，實(shí)現(xiàn)邊做邊學(xué)。3D打印將會(huì)進(jìn)一步在高等教育甚至基礎(chǔ)教育中推廣和普及，更多地融入教學(xué)過程，這對(duì)學(xué)校的教學(xué)模式、教學(xué)資源以及教師的專業(yè)發(fā)展都是新挑戰(zhàn)。要想將3D打印技術(shù)更好地應(yīng)用在高等教育的人才培養(yǎng)中，還得進(jìn)一步增強(qiáng)高校之間、校企之間的合作與交流，實(shí)現(xiàn)資源、信息、技術(shù)及人才的共享。

［1］王廣春，趙國(guó)群.快速成型與快速模具制造技術(shù)及其應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008：1-230.

［2］高越.3D打印技術(shù)影響下設(shè)計(jì)師與產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重新定位［D］.北京：北京理工大學(xué)，2015.

［3］楊繼全，徐國(guó)財(cái).快速成型技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006：5-300.

［4］王運(yùn)贛.快速成形技術(shù)［M］.武漢：華中理工大學(xué)出版社，1999.

［5］張佳琦.3D打印技術(shù)在地理教學(xué)中的應(yīng)用研究［D］.上海：華東師范大學(xué)，2015.

［6］高奇，曾紅，等.基于3D打印技術(shù)的快速模具制造開放實(shí)驗(yàn)探討［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2016（1）：205-207.

［7］朱艷青，史繼富，等.3D打印技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2015（12）：50-57.

［8］李青，王青.3D打印：一種新興的學(xué)習(xí)技術(shù)［J］.遠(yuǎn)程教育雜志，2013（4）：29-35.

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1671-489X（2016）16-0036-02

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

作者：王光艷、冷光明、羅青龍，貴州工程應(yīng)用技術(shù)學(xué)院助教，研究方向?yàn)橄冗M(jìn)制造技術(shù)（551700）。