淺談3D打印技術(shù)在采礦工程教學中的應(yīng)用與研究

李陽 柳小波 劉芹 王連成

摘要：采礦工程是一門具有復(fù)雜性、整體性、系統(tǒng)性特點的學科，其特點導(dǎo)致了采礦教學的難度大，對教師的高質(zhì)量授課提出了更高的要求，然而當前的教學模式不能很好地解析采礦方法與采礦工藝過程，使空間想象力不足的學生無法更好地理解采礦工程各個要素。3D打印技術(shù)作為一種新興技術(shù)，應(yīng)用到采礦工程中，將為采礦工程專業(yè)課程教學提供一種新的有效方法。采用形象具體、可自由組裝的3D打印實體模型，將很好地改進教學方式方法，提高學生的理解能力和創(chuàng)新能力，對采礦工程教學改革具有重大意義。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù)；采礦工程；教學；應(yīng)用與研究

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）31-0256-02

計算機輔助教學是在計算機輔助下進行的各種教學活動，以對話方式與學生討論教學內(nèi)容、安排教學進程、進行教學訓練的方法與技術(shù)。這一技術(shù)已廣泛應(yīng)用于高校教學過程中并獲得了一定的效果，但課件屬于傳統(tǒng)的平面教學模式，缺乏直觀的立體感，所以在教學中容易使學生產(chǎn)生視覺疲勞，影響教學效果。在科學技術(shù)大力發(fā)展和先進技術(shù)廣泛應(yīng)用的大背景下，已經(jīng)有眾多高校將現(xiàn)代技術(shù)引入到課堂教學中，其中就不乏有教師在了解了3D打印技術(shù)原理后，提出了將3D打印技術(shù)應(yīng)用于難以理解的專業(yè)課程教學與研究上，這其中既有機械類的課程教學應(yīng)用，也有地理教學方面的應(yīng)用。在這種情形下項目組大膽嘗試將3D打印技術(shù)應(yīng)用于采礦工程的教學與研究中，利用3D打印機打印出礦山實體模型來指導(dǎo)教學工作，讓復(fù)雜的理論模型變得清晰易懂。

一、概述

（一）當下傳統(tǒng)教學模式

目前，3D打印技術(shù)還沒有引進到采礦教學中，對于采礦方法的學習一直是采礦工程學生的軟肋。在傳統(tǒng)礦業(yè)類課程教學中，教師講解礦山模型的具體構(gòu)造、原理等，一般通過計算機輔助教學和礦山模型的三視圖。尤其是在采礦方法的學習中，不同的采礦方法有著不同的結(jié)構(gòu)，對于空間想象能力較差的同學很難在腦中想象和構(gòu)建三維立體圖。

因此，傳統(tǒng)的教學實踐中通常都存在一些問題：靜態(tài)的平面教具（如圖片等）不能很好地反映礦山實體模型的形狀、結(jié)構(gòu)，采礦方法也不能直觀地表示出來；傳統(tǒng)的采礦教學主要以課堂為主，學生的設(shè)計和創(chuàng)新能力培養(yǎng)不足；傳統(tǒng)教學方法很難調(diào)動學生的學習積極性和學習樂趣。

（二）采礦專業(yè)課程特點

采礦專業(yè)方面的課程艱澀難懂，課程新概念多、理論性強，其中涉及大量的、難以理解的抽象知識，學生學習起來都有很大的難度，如礦山模型的學習對學生的三維模型構(gòu)建能力和想象能力做出了很高的要求，但很多學生在這方面的能力卻很薄弱。在文字語言和圖形語言的互相轉(zhuǎn)化時，學生不易在頭腦中建立相應(yīng)的理論模型。如果用3D打印礦山實體模型來展示和說明，課堂氣氛會立刻活躍起來，這時學生可以通過觀察和感知礦山實體模型中各個部分，認識和理解它們的含義，提高學習效率。這樣不僅會激發(fā)學生的興趣，提高課堂注意力，同時也可以使學生充當設(shè)計者、參與者，利用繪圖軟件制作礦山模型，然后通過3D打印機將其輸出，引發(fā)他們對知識的聯(lián)想與探知，達到“舉一反三”的一個效果。

二、3D打印在教學模型制作中的應(yīng)用

（一）3D打印技術(shù)顛覆了傳統(tǒng)觀念的教學思想

通過AutoCAD、3D Mine等建模軟件來建立三維礦山模型，通過3D打印機將模型輸出，把二維圖形轉(zhuǎn)換成三維立體圖形，把抽象的三維模型轉(zhuǎn)化成3D打印實體模型。老師在講解這一復(fù)雜的、多樣性的結(jié)構(gòu)時，就容易講解明白各個不同井巷之間的聯(lián)系與區(qū)別，各個井巷之間的功能。學生通過對不同結(jié)構(gòu)的認識和區(qū)分，對不理解的部分深入探討，這樣能幫助學生清晰明白地理解這一重要、復(fù)雜的井巷結(jié)構(gòu)。

（二）3D打印技術(shù)應(yīng)用于采礦教學的優(yōu)點

1.可改善采礦工程教學方式方法。采礦工程是一門具有復(fù)雜性、整體性、系統(tǒng)性等特點的學科。在采礦教學中，教師和學生接觸的是較為復(fù)雜的立體幾何，需要較強的空間想象和構(gòu)造能力。在采礦教學中，對現(xiàn)實中的立體是采用三視圖來體現(xiàn)的，大多數(shù)學生很難在腦中構(gòu)建出完整的立體圖，很難達到預(yù)期的教學效果。3D打印技術(shù)的發(fā)展為解決這一難題提供了新的途徑，3D打印技術(shù)本身并不是課程的重點，這類課程采用項目的形式，主要目標是將抽象的概念變成有趣的問題來解決，進而幫助學生掌握抽象概念。

教師在講解開拓系統(tǒng)、采礦方法的時候可以采用計算機與書本相結(jié)合，再加上3D打印教具輔助教學的方式，通過展現(xiàn)3D打印礦山實體模型給同學們具體地講解礦山元素的各個要點以及開采過程中的具體流程。同時，基于礦山“標準零件”的思想，教師在經(jīng)過模型講解后，可以讓學生自由組裝模型，激發(fā)學生的好奇心和學習興趣。

傳統(tǒng)的課題教學模式都是“灌輸式”的，學生被動吸取，學習效率不高，沒有自主性；而采用學生自己動手組裝、拼接、設(shè)計模型的方式，學生自己發(fā)揮自己的想象力，再通過建模軟件（AutoCAD、3DMine）建立數(shù)字模型然后實體輸出，將自己設(shè)計的開采方法與老師和同學們討論，借鑒其他好的建議然后不斷改進自己的設(shè)計方案，這樣也就有了更多的見解和更深的理解。

2.可激勵和輔助學生進行創(chuàng)新設(shè)計。通過電腦直接將設(shè)計打印成微縮模型來構(gòu)造設(shè)計方案，而不用花很多時間手工制作。作為參與、設(shè)計者的角色，一方面通過自己設(shè)計、自己制作的方法來提高空間想象和構(gòu)建能力，直接對礦山實體模型進行講解，更能夠表現(xiàn)自己的設(shè)計思路，以及礦山的生產(chǎn)過程。另一方面，采用3D打印建立模型來展現(xiàn)實體流程的新穎方式，學生也將發(fā)揮自己的創(chuàng)造力將其應(yīng)用于各個方面，如可以應(yīng)用于礦山開采過程中的深部開采，開采過程中的人員信息集成（將礦山開采中所有人員的實時位置等相關(guān)信息通過3D打印實體礦山模型集成與可視化的桌面上），或者也能將這種方法引申到其他學科的深奧專業(yè)課學習中等。這樣的教學和學習方法可有效提高學生的參與和思考能力，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新和創(chuàng)造能力。

3.可提高學生的實踐能力和參與團隊協(xié)作意識，激發(fā)學生的學習積極性。3D打印需要學生的實踐操作，從三維模型設(shè)計到實體打印，都需要他們參與完成，這將促進學生操作、觀察、制作和團隊互助能力的發(fā)展，全面提高學生的動手參與能力。同時，3D打印將激發(fā)學生DIY的興趣，通過3D打印機，學生的構(gòu)思轉(zhuǎn)變?yōu)檎鎸嵉牧Ⅲw彩色模型，將抽象概念和設(shè)計帶入現(xiàn)實世界，使學習更加生動。3D打印技術(shù)的出現(xiàn)使得學生可以從設(shè)計、制作、展示、參與等角度融入到學習過程中，有效地激發(fā)了學生實踐的積極性，提高了學習熱情。

三、對3D打印教學應(yīng)用的思考

3D打印技術(shù)在當前教育領(lǐng)域的應(yīng)用越來越多，但在未來的發(fā)展中，仍然有某些方面需要進行進一步的思考和持續(xù)探索。

（一）3D打印將成為未來教學改革發(fā)展的新方向

像采礦工程這種系統(tǒng)性的工程還有很多，在探索未來教學改革的過程中，3D打印將成為一些較為復(fù)雜的學科的改革新方向，這一新模式應(yīng)用于教學將很好地改進傳統(tǒng)教學模式，3D打印技術(shù)在教學方法中的比例會越來越大。

（二）3D打印技術(shù)將推動教學模式呈現(xiàn)多元化發(fā)展

從最初的因材施教慢慢轉(zhuǎn)變?yōu)槔蠋熂w教學和采用各種輔助方式來教學，其中的實物展示、課堂演示、實習，到后來的計算機輔助教學、ppt、視頻也出現(xiàn)在課堂教學模式中，現(xiàn)如今3D打印技術(shù)也將出現(xiàn)在課堂中，這將很好地推動未來的教學向更加多元化、人性化的方向發(fā)展。像采礦工程這種整體性、系統(tǒng)性、復(fù)雜性的課程學習將出現(xiàn)多種教學模式并存的模式。

（三）3D技術(shù)尚需要全面推廣

3D打印技術(shù)的快速發(fā)展推動了許多產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，但相應(yīng)的流程還不是很完善。首先，3D打印的普及與推廣就存在很大的問題，這次我們的項目也是3D打印技術(shù)在礦山實體模型中的建立和輸出過程中的初次嘗試。我國在3D打印技術(shù)的培訓與推廣方面，與其他國家相比還有差距，需要進一步推動新技術(shù)的學習。因此，我們需要關(guān)注并參與到最新的工業(yè)革命和教育變革中，對原有教學課程進行優(yōu)化設(shè)計和再造，加強創(chuàng)新型人才培養(yǎng)，這是我們未來能夠在競爭中保持先進地位的根本保證。

四、結(jié)語

3D打印技術(shù)作為一種新興技術(shù)，被應(yīng)用在各個領(lǐng)域，教育領(lǐng)域?qū)⑹俏磥?D打印技術(shù)推廣應(yīng)用的重要市場之一。采用3D打印技術(shù)，教師可以制作出任意復(fù)雜、形象化的三維實體教具，用于課程的教學演示，使許多原本枯燥的課程和課程設(shè)計變得生動有趣，使學生從學習者變成設(shè)計者、參與者，有利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。作為教育工作者，應(yīng)該積極學習提高，在將來的實踐探索中，找到更多更好的教學模式和教學方法，為現(xiàn)代技能型人才的培養(yǎng)做出更大的貢獻。

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