淺談3D打印在教育領域中的應用

【摘要】：3D 打印技術是一種快速成型的新技術，具有廣闊的應用空間，已從工業制造逐漸擴展至國防軍事、航空航天、醫療衛生等多個領域。它必將逐漸走進教室、邁入課堂，從而對教學乃至整個教育領域產生深遠的影響。本文對3D打印技術在教育領域中的應用作了綜合介紹，并針對3D打印技術可能出現的問題進行了分析，為有效開展 3D 打印在教育領域中的應用提供了一定的理論指導。

【關鍵詞】：3D打印技術;高校教育;教學

引言

3D 打印機（ 3D printer） 又叫三維立體打印機，能夠實現從計算機上設計虛擬3D模型到打印出實物的功能，具有打印精度高、速度快、高易用性等特點。在教育中，國內外眾多院校紛紛將3D打印技術引入課堂教學之中。我國多所高校也引進了3D打印技術，用于幫助師生進行日常教學工作以及科研創新。我校已經引進了多臺3D打印機設備用于學生學習和教師科學實驗研究，并在全校范圍普及該技術，已經形成了濃厚的3D打印的氛圍。將“原材料→產品設計→產品成型”全過程搬遷到課堂上，讓老師與學生產生真正的互動，學生有了實際參與的環境，將以往枯燥乏味的技術理論和讓老師用語言難于表達的產品結構，用實物清楚的展現在學生面前，大大提高了學生的學習樂趣【1】。

一、3D打印將促進實裝化教學的發展

實裝化教學是院校組織學生到實習基地或相關單位開展的一種實踐性教學活動，是院校培訓體系中提升實踐技能的有效途徑。這種集觀看、研討、訓練于一體的實踐性教學方式的興起，是對傳統教學方式的創新和突破。它使教學活動與實際裝備緊密結合，幫助學員消化課堂理論知識，開闊眼界、激發求知欲望，有利于學員在更廣闊的空間獲取教學實效。但是目前實裝化教學的開展受到很多條件的制約，主要表現在：

1、學校與實習單位不在一地，實裝化教學的組織實施受限。

2、學校教學進度與實習單位的不一致，實裝教學的計劃制定、課目設置、評價考核等受限。

3、裝備更新速度快，實習單位有些系列和型號不全，不能提供全面的實裝，而3D打印能讓工廠走進課堂。

3D打印這種數字化制造技術，在學術界也稱為增量制造、增材制造、快速原型、快速制造。它具有許多優點。首先，3D打印節省原料、縮短時間、降低費用。從3D打印的原理和過程可知，3D打印是把材料進行逐層堆積疊加成型，從而制造出實體產品。其制造過程被形象地稱為“加法”過程。而傳統制造業是把模具裁切出需要的產品，被稱作“減法”過程。因此，3D打印比傳統制造要省時省料，節約成本。其次，3D打印擅長制造個性化、復雜化和高難度的產品。對3D打印來說，打印一個復雜得難以想象的特殊產品，也并不比打印一個外形簡單的長方體消耗更多的時間和成本，因此更適合制造單件和小批量產品的生產。此外，3D打印不受場地和環境限制，還能實現遠程制造。3D打印的這些優點，使得可以在教室制造實裝滿足教學需要，而且廢棄的產品可以用于再生產，循環利用，從而使工廠走進課堂【2】。

二、3D打印能提升學生學習興趣

利普森先生在其專著《3D打印，從想象到現實》中，寫了一個用3D打印機制作橡皮泥飛機引起小學生興趣的實例。三分鐘的橡皮泥飛機制作過程，吸引著課堂上的小學生，他們紛紛發言，提出各種各樣的疑問，還有個頗具企業家潛質的孩子做了計算，按現有的橡皮泥原料市場價格，計算出每架飛機的售價成本。可見，學習興趣的產生與教學方式有密切的關系。學生學習興趣的培養，主要在教師使學習活動有興趣。沒有興趣，就沒有記憶，歌德說：“知之者不如好之者，好之者不如樂之者”。如何讓孩子學習產生興趣，是有效提高教學質量的根本點。由于種種因素的限制，傳統的教學重理論講授輕動手操作。隨著3D打印技術的引入，將工廠搬進教室，這一問題將迎刃而解。隨著合理地使用3D打印技術，課堂教學將是“令人愉快的”過程。

三、3D打印會改變教學模式

以計算機為核心的現代教育技術已經貫穿于教學的整個過程，充斥于教學的各個角落，極大提高教與學的效率。但不論是授課常用的課件，還是視頻等，都是通過眼睛和耳朵獲取信息。有研究表明，通過眼睛和耳朵獲取的信息會被遺忘的比例高達70%。3D打印引入的“邊做邊學”工程，能有效的調動學生的另一個器官——手，通過觸覺感知，加深學生的記憶。而以計算機為平臺的多媒體和3D打印相結合會改變現有的教學模式，必定能大大提高學生學習興趣。這種“虛實結合”的教學方法，把感知、理解、鞏固與運用融合為一體，使得學生在較短時間內記憶得到強化，可以有效地促進個體主動參與認知結構不斷重組的遞進式學習過程。回顧計算機應用教育的方式，最初僅應用于和計算機有關的課程上，如編程或數學課。但現在每門課都使用計算機。和計算機一樣，3D打印將打開教授和學習的全新方法的大門。3D打印從誕生到發展至今已有三十多年的歷史，之所以還沒有廣泛應用在課堂教學中，主要是受制于目前的技術水平、制作材料等原因。隨著這些問題的一一解決，3D打印必定對教學乃至整個教育領域產生深遠的影響【3】。

四、3D打印技術可能產生的問題

一種新技術的發展與壯大需要一個過程，3D打印技術亦是如此。目前，該技術涉及與教育相結合的例子在國內還非常少，這就需要我們不斷地去摸索適用于教育教學的各類3D打印機。但是，教育用3D打印機的發展仍然會受到很多方面的制約：

首先是成本方面。3D打印技術還在進一步的完善過程中，其3D打印機的造價還比較昂貴，這對該技術的進一步發展帶來了困難。

其次是打印材料方面。3D打印機的基本原理是快速成型技術，其打印材料多采用納米材料，市場價格比較高，選擇的局限性大，且成型產品的物理性能較差，安全方面有待提高。這勢必會影響到學校決策層是否會選擇使用3D打印機為教育教學服務。

第三是技術方面。3D打印機尺寸規格還沒有相應的標準，為了配合課堂教學，靈巧、輕便應成為主流。同時打印的速度也是制約與課堂教學相結合的因素之一，打印塑料制品大約要10個小時，而打印金屬制品大約要100個小時，這就無法實現課堂的實時教學工作。對于上述問題，3D打印技術與教育結合的發展方向是低成本、高效率【4】。

五、結束語

高校教育是為了培養大學生未來的生存和工作的基本能力素養，需要具有一定的前瞻性，要與時俱進，培養孩子們能夠更好地適應時代的發展，培養學生的創造性思維能力。3D打印技術的普及將會為學校的創新教育提供了新的視角和技術支持。高校可通過開設 3D 打印相關課程，促進學生獲取多學科知識，加強學生多領域融合，拓展學生想象空間，提升學生設計能力，增強學生設計嚴謹性，增加學生就業機會，推動高等院校產學研教學發展，提高企業自主研發能力。3D 打印技術融入到教育的領域中，將會對未來的國家經濟發展起到非常關鍵的作用，相信 3D 打印技術在教育領域中會發揮重要的作用。

參考文獻：

[1]王偉偉.3D打印技術在中職教育改革背景下的應用[J].教學研究，2013（11）：22.

[2]朱閣，莫蔚靖.3D打印技術在教學中的應用與探索[J].價值工程，2015（32）：178-181.

[3]王萍.3D打印及其教育應用初探[J].中國遠程教育（綜合版），2013（08）.