3D打印在高等教育中的應(yīng)用優(yōu)勢分析

柏興旺+楊林+潘風(fēng)清

摘 要：3D打印已廣泛應(yīng)用于高等教育教學(xué)各環(huán)節(jié)中，在制作三維復(fù)雜教學(xué)模型、輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)和支撐大學(xué)生科技創(chuàng)新活動等方面發(fā)揮著重要作用。教育領(lǐng)域應(yīng)用3D打印是因?yàn)樗邆涞统杀径ㄖ啤⒖焖僦圃旌痛龠M(jìn)創(chuàng)新等優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：3D打印；高等教育；科技創(chuàng)新；創(chuàng)客；輔助教學(xué)

一、引 言

自2010年以來，3D打印技術(shù)（又稱增材制造）迅猛發(fā)展，獲得社會廣泛關(guān)注。3D打印以三維CAD模型為藍(lán)本，通過軟件分層離散和數(shù)控成型系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了“所見即所得”，并且在生物醫(yī)療、航空航天、文化創(chuàng)意等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。2015年，工業(yè)和信息化部、國家發(fā)展和改革委員會、財政部聯(lián)合發(fā)布了《國家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)計劃（2015—2016年）》， 2016年科技部會同有關(guān)部門又將“增材制造與激光制造”重點(diǎn)專項列入國家重點(diǎn)研發(fā)計劃。這些綱領(lǐng)性文件和政策明確指出，應(yīng)3D打印技術(shù)的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化作為我國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展重點(diǎn)。

國內(nèi)外教育界正掀起3D打印教育應(yīng)用研究和探索熱潮。美國新媒體聯(lián)盟在《2013年地平線報告》中指出，3D打印將帶來教學(xué)、學(xué)習(xí)和研究領(lǐng)域的創(chuàng)新。在國內(nèi)，許多高校開始購置3D打印機(jī)，理、工、醫(yī)、文等各領(lǐng)域都開展了相關(guān)的教學(xué)研究。3D打印在高等教育中的應(yīng)用日益增多，它究竟有何種魅力？本文在歸納3D打印在高等教育中應(yīng)用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，從制造技術(shù)屬性的角度，分析其在高等教育中的應(yīng)用優(yōu)勢。

二、3D打印在高等教育中的應(yīng)用現(xiàn)狀

1.3D打印制作個性化三維教具

利用3D打印技術(shù)，教師可以依據(jù)教學(xué)實(shí)際需要，自己設(shè)計并打印個性化的教具。3D打印教具為學(xué)生提供比視頻、課件更為真實(shí)、直觀、清晰的三維實(shí)物體驗(yàn)，營造更為真實(shí)的學(xué)習(xí)環(huán)境。

利用3D打印技術(shù)制作教學(xué)模型輔助課堂教學(xué)的案例非常多。如蘇州大學(xué)管華清等人依據(jù)典型病例CT照片3D打印骨骼模型并用于骨科教學(xué)，幫助學(xué)生加深對骨科疾病的理解；同濟(jì)大學(xué)王建秀等人利用3D 打印技術(shù)制作小型、輕質(zhì)化的礦物晶體模型，幫助學(xué)生對晶體結(jié)構(gòu)形成直觀印象。

2.3D打印輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)

隨著教學(xué)方式的改革，實(shí)驗(yàn)教學(xué)已逐步由傳統(tǒng)單一實(shí)驗(yàn)向開放性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)化。由于3D打印是一種高度柔性的制造技術(shù)，可以制造各種材料和形狀的零件，3D打印設(shè)備平臺為學(xué)生自主設(shè)計并實(shí)施綜合性實(shí)驗(yàn)帶來便利。它不僅豐富了創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)的形式，還增強(qiáng)了開放性實(shí)驗(yàn)對學(xué)生的吸引力，已成為當(dāng)代高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的重要輔助工具。

李斌等人在機(jī)械實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，利用3D打印開設(shè)綜合性實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生設(shè)計并打印減速器結(jié)構(gòu)。石河子大學(xué)陳凱等人在材料科學(xué)與工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)中，讓學(xué)生親自動手制備反應(yīng)釜模型和3D分子模型，加深對化工設(shè)備和基本原理的理解。中國石油大學(xué)孫致學(xué)等人將油氣藏的形狀、演化歷史和物理特征等進(jìn)行三維“可視化”和“實(shí)體化”。南華大學(xué)機(jī)械學(xué)院充分運(yùn)用3D打印技術(shù)開展第二課堂實(shí)訓(xùn)教學(xué)，學(xué)生學(xué)習(xí)3D打印機(jī)的組裝、調(diào)試及打印，合格者獲得第二課堂學(xué)分。

3.3D打印支撐大學(xué)生創(chuàng)新活動

科技創(chuàng)新活動以培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考能力、動手能力和創(chuàng)新精神為目的，是大學(xué)創(chuàng)新教育的重要組成部分。3D打印在大學(xué)生作品的概念設(shè)計、原型制作、功能驗(yàn)證、評審等方面都能發(fā)揮重要作用。例如，遼寧工業(yè)大學(xué)高奇等人以大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目為載體，將3D打印技術(shù)應(yīng)用于汽車發(fā)動機(jī)殼體的快速制造，極大地激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新思維，提高了學(xué)生的實(shí)踐能力。

目前，“創(chuàng)客”已成為許多大學(xué)校園內(nèi)一道引人注目的風(fēng)景。2015年，清華大學(xué)建成全球高校中最大的創(chuàng)客空間，其他大學(xué)也設(shè)立此類場所以培育人才和激勵創(chuàng)新。“創(chuàng)客”的核心內(nèi)涵是將想法變成現(xiàn)實(shí)，低成本快速制造的3D打印機(jī)往往是創(chuàng)客平臺必備的支撐設(shè)備。創(chuàng)客空間的3D打印設(shè)備實(shí)行常態(tài)化開放，為學(xué)生參加各種科技競賽提供支持。

三、3D打印在高等教育中的應(yīng)用優(yōu)勢

從目前文獻(xiàn)報道的案例分析可知，3D打印能在高等教育中獲得廣泛應(yīng)用，主要原因在于3D打印具有下列優(yōu)勢。

1.低成本定制

3D打印是一種高度柔性的制造技術(shù)，一套設(shè)備可以制造多種材料和各種形狀的零件，這種制造柔性滿足了高等教育中大量的低成本定制的需求。在課堂教學(xué)中，教師需要一些個性化的復(fù)雜教具，如毛細(xì)血管分布模型、建筑物模型、地貌模型等；在開發(fā)性實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生自主完成產(chǎn)品設(shè)計，需要制作出實(shí)物模型用于設(shè)計驗(yàn)證或參加競賽。這些需求都是小批量的、非標(biāo)準(zhǔn)的和多變的，若讓傳統(tǒng)制造企業(yè)協(xié)作完成，其經(jīng)濟(jì)成本是不可接受的。因此，低成本定制是3D打印能在教育領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用的第一原因。

2.快速制造

3D打印短流程，快速制造，工藝鏈很短，理論上是“一步到位”的制造。借助現(xiàn)代的桌面3D打印機(jī)，可以在數(shù)小時內(nèi)制作完成一件復(fù)雜的零件。傳統(tǒng)制造方式受夾具、模具等工藝限制，零件生產(chǎn)的時間都比較長，以月為單位的交貨周期對于教育應(yīng)用來說是不可接受的。

3.促進(jìn)創(chuàng)新

3D打印理論上可打印任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)，這就是所謂自由成形的概念。自由成形使三維CAD設(shè)計具備“所見即所得”的新層次特征，大大拓展了設(shè)計師的創(chuàng)新空間。

大學(xué)生是極富創(chuàng)造力的群體，3D打印技術(shù)的應(yīng)用有利于挖掘?qū)W生的創(chuàng)造力和激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)業(yè)激情。

四、展望

盡管3D打印已經(jīng)在高等教育領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，但是3D打印在工藝、設(shè)備和軟件等方面仍存在許多不足。例如，打印材料以塑料和樹脂為主，打印零件強(qiáng)度不高、精度較低，主要用來制作教學(xué)演示模型，而教學(xué)實(shí)踐中更需要能用于裝配、測試、服役的實(shí)用功能零件。不過，隨著相關(guān)設(shè)備和耗材的價格持續(xù)下降，桌面式金屬3D打印機(jī)可能會成為未來高校教學(xué)設(shè)備的新寵，實(shí)用功能零件將取代塑料教學(xué)模型而成為主要的打印零件。

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[8]貴大90后畢業(yè)生建創(chuàng)客空間 任何人都可以打印3D的自己[EB/OL].http：//gz.cnr.cn/gzyw/20150419/t20150419_518349879.shtml.