面向大學生創新教育的3D打印教學實驗平臺研究與應用

尚　雯　譚躍剛　張　帆　周祖德　婁　平

（武漢理工大學，武漢430070）

面向大學生創新教育的3D打印教學實驗平臺研究與應用

尚雯譚躍剛張帆周祖德婁平

（武漢理工大學，武漢430070）

3D打印作為第三次科技革命的重要工具廣泛應用于各個領域，3D打印與教育的結合逐漸被教育界所重視。本文通過對3D打印教育應用現狀與所面臨問題的研究，設計了面對大學生的3D打印教學實驗平臺，論述了平臺的設計思想、功能體系、工作流程以及在創新教學中的實踐應用。平臺作為3D打印實驗室創新教育的重要組成部分，為學生提供了一個高效快速的學習工具，為老師和學生之間搭建了交流合作的橋梁，提高了創新與合作能力。

3D打印技術；教學平臺；創新教育

一、引言

3D打印是近年來逐漸興起的熱門領域，在國內外以星火燎原之勢迅速發展。3D打印技術是一種新型的快速成型技術，是“第三次工業革命最具標志性的生產工具”［1］。隨著科技的發展，3D打印已逐漸滲透到工業、醫學、建筑、教育等領域。隨著技術的發展，我們生活的方方面面都會與3D打印息息相關。然而3D打印的技術門檻使得很多人都處于觀望狀態，沒有真正的參與進來［2-3］。

近年來，一些國家已經開始重視3D打印在教育領域的應用。從2012年10月起，英國開展了為期一年的試驗項目。選中21個試點學校，將3D打印與數學、物理、計算機、工程、設計等課程相結合，呈現出一種新的教學方式，推動教學創新［4-8］。世界上最大的桌面3D打印機制造商MakerBot近期提出，他們正在與布魯克林區區長洽談，準備在布魯克林近千所學校內，推動3D打印機的普及和應用［9］。國內的一些中小學以及一些大學也引進了與3D打印相關的課程。2014年起，南京市教育裝備與勤工儉學辦公室先后組織了兩期“中小學‘3D打印’專項裝備學校應用培訓”，對中小學老師進行集中培訓，為3D打印走進校園做準備。

但是，國內外有關3D打印的教育仍處于起步階段，很多學校沒有足夠多熟悉3D打印技術的老師，這使得3D打印技術的普及速度大大降低。因此，需要構建一個學習和交流的平臺，整合教育、技術及設備等資源，方便不同階段的學生進行自主學習。目前國內外已經出現了一些類似的平臺，比如美國的Shapeways公司、3D System公司的cubify capture、新西蘭的Ponoko以及MakerBot公司［10］，國內的公司有叁迪網、廣東省工業設計中心以及杭州先臨快速成型技術有限公司等設立的3D打印服務中心［11］。由于這些公司面向的主要對象是企業或個人，平臺更側重于服務，并不適合廣大學生群體。有些機構也開始嘗試3D打印在教育上的應用，但多數以提供3D打印機、3D掃描儀為主，無法解決3D打印與教育如何融合、如何應用、如何提高學生創新能力的問題［12］。針對以上問題，我們研究了針對大學生的3D打印教學平臺，作為3D打印實驗室的重要組成部分，引導學生進行自主學習，團隊合作，交流共享，提高學生的動手能力和創新意識。

二、3D打印教學平臺的設計

1.教學平臺的設計思想

3D打印教學平臺是3D打印創新實驗室的重要組成部分，是一個面向創新教育的資源共享平臺，整合了教育、技術、設備等資源，為學生提供自主學習的工具，激發學生探索新知識的熱情。平臺的主要設計思想如圖1所示。平臺以資源庫為核心，以實際問題為引導，以創新設計為目的。通過3D打印機與實驗相結合的邊學邊做的方式，掌握原理；通過3D打印實現具體案例，用所學原理解決問題；通過學習多個案例，掌握綜合知識應用，利用3D打印實現創新設計。旨在培養學生的思考、自學、動手、解決問題以及創新創造這五大能力。通過3D打印與不同領域學科的結合，讓學生在問題驅動下，完成提出問題、分析問題、解決問題的全過程，以自主探索式學習為主，以教師引導為輔的方式，顛覆傳統的教學模式。

圖1　平臺設計思想

2.教學平臺的體系結構

3D打印教學平臺的實現采用SSH集成框架結構。該框架結構符合J2EE標準，是一個分布式結構，支持多種主機類型，多操作系統以及多數據庫。使得平臺易于擴展和維護，能夠滿足平臺跟隨不同場景不斷豐富的要求。平臺的結構體系如圖2所示。

圖2　教學平臺的結構體系

教學平臺的開發主要分為六個層：

線下物理層：該層主要是指學校中的實驗室以及3D打印設備，為3D打印教學平臺提供設備支持。學生可以根據在平臺上的學習情況完成相關的打印設計任務。

用戶層：主要是提供給老師、學生及其他3D打印愛好者一個學習、交互的界面。

應用層：該層接收來自于用戶層的數據，并將數據傳給業務層進行處理，然后返回用戶需要的信息。

業務層：該層接收應用層的數據，并調用持久層進行邏輯處理，最后把處理結果返回給應用層。

持久層：該層主要是對數據庫操作進行封裝，并返回數據到業務層進行進一步處理。

數據庫層：數據庫用來存儲老師、學生等用戶的信息，老師上傳的課件以及3D打印模型庫與案例知識庫等，實現平臺用戶之間的資源共享。

三、3D打印教學平臺的功能

根據教學平臺的設計思想，主要包含用戶管理、3D打印教學專區、交流答疑以及模型庫。平臺主要功能及相互關系如圖3所示，以資源庫為核心，通過富有特色的教學案例來提高學習能力和創新能力；通過開放式的討論交流區，加強團隊之間的合作與共享；通過不同用戶管理來定義教學中的不同角色，多個功能之間相互協同，共同服務于3D打印創新性教育。

圖3　平臺主要功能及相互關系

1.用戶管理

用戶模塊主要是起到教師和學生相區分的作用。可以對用戶的信息進行存儲、管理。為不同的用戶分配不同的權限。用戶主要分為未注冊用戶、注冊用戶以及系統管理員。未注冊用戶只能瀏覽模型庫及教學專區的教程。注冊用戶可以訪問平臺的每個模塊并進行交互。系統管理員對用戶分類及用戶信息、權限進行管理，對用戶上傳的課件、模型進行審核。

2.3D打印教學專區

教學專區主要分為基礎知識專區、機械原理專區、控制原理專區，如圖4。前者是對打印機的基本操作及原理介紹，使學生能迅速的掌握打印機的使用。機械原理專區是對打印機相關的機械原理進行介紹，使學生對打印機有更深入的了解。

圖4　教學平臺界面

3.答疑交流區

答疑交流區以開放式論壇的形式讓多種思想能夠交流碰撞，解決同學們在學習過程中遇到的包括軟件、硬件、結構等各個方面的問題或分享自己的見解，同時為3D打印創意提供交流的空間。比如用戶可以在這里討論打印機相關軟件——打印機控制、切片以及掃描儀等軟件的使用和優化；硬件方面涉及打印的精度、材料、控制電路、固件等；結構方面涉及打印機的結構設計，外觀設計等；以及一些小組件的設計、小制作等。目的是讓任何有創意的想法都能夠通過大家的交流得以實現。

目前大學中的教學模式多為傳統教學模式。老師作為課堂的主體向學生講授課程內容，學生是一個被動學習的角色。這種以理論教學為主的教學方式，往往與實踐脫節，學生不容易理解，興趣不足，沒法達到理想的教學效果。

針對以上問題，3D打印教學專區將理論教學與實驗教學結合起來。不同于以教師課堂教授理論知識為主的傳統教育模式，課件教學把這些枯燥、難懂的理論知識運用二維、三維模型模擬實驗過程，把抽象的原理形象化。激發學生的學習興趣，也培養了學生的空間思維能力，提高了想象力。課件通過問題引導、原理介紹、邊學邊做以及創新設計這四個步驟引導學生進行自主探索，把學生變成課堂的主角。學生還可以根據學到的知識，在老師的引導下自己設計模型并打印，鍛煉了學生的動手能力和創新能力。

4.模型知識庫

模型知識庫是教學平臺的支撐模塊，包括基礎模型和創新設計案例。模型知識庫按照不同的課程類別進行分類，比如物理課程、力學課程、電學課程、機械課程等。學生可以在每個分類下瀏覽相關的實驗模型或設計案例并下載打印完成實驗，也可以對已有的設計進行改進上傳自己的作品。模型知識庫為教師和學生提供了一個資源共享、知識迭代、創意展示的平臺，激發了學生的創新創造能力。

四、實例展示

3D打印教學平臺的主界面如圖5所示，展示了3D打印實驗室的布局、平臺的主要功能、最新課程等，并可以靈活部署在云服務器上，以“互聯網+3D打印教育”的方式，不僅可以在課堂上應用，還能夠讓教育走出課堂，走進生活，隨時隨地展開創客活動。

模型庫界面如圖6所示，作為資源共享區，這里顯示了所有用戶上傳的模型。可以實時查看自己感興趣的模型，不需要專門的軟件就可以進行3D預覽和下載編輯，提供知識庫的積累。還可以對模型進行評價交流，為以后的瀏覽者提供參考和持續改進模型提出意見。模型庫不僅為用戶提供了一個豐富的資源庫，也為用戶提供了一個存儲中心。用戶可以把自己的設計上傳到模型庫，需要時再查找下載，把傳統的書本教學遷移到線上空間，大大提高了學習、工作的效率和便利性。

圖5　3D打印教學平臺主界面

圖6　模型庫界面

教學專區包含了與課堂知識深度融合的教學案例。如圖7所示，以學習機械原理課程的齒輪傳動為目的，設計了齒輪實驗案例。案例分四步引導學生在自主學習中掌握原理，并能夠學以致用。

圖7　齒輪實驗

首先，由齒輪傳動動畫引發同學們的思考，引出案例的主要教學內容，明白齒輪會用在生活中的哪些方面；然后，通過幾組不同齒數比的齒輪實驗介紹齒輪傳動的原理，同學們可以通過鍵盤控制齒輪組轉動，并實時觀測各個齒輪的旋轉角度然后總結旋轉角度與齒數比的關系；接著是一個擠料實驗，這個實驗模擬了打印機的擠料過程，通過不同的齒數比來控制打印機的擠料速度，使同學們對原理有更加深入的了解；最后，創新實驗模擬汽車離合器的功能，把實驗原理運用到生活中，激發同學們的創新性思維。同學們還可以繼續深入，通過平臺模型庫模型和建模軟件進行設計，利用3D打印機實現自己的汽車離合器，不僅學會了齒輪知識，對其他跨學科知識都有很好的了解。學生還可以通過學習到的原理，自己設計相關的齒輪傳動模型，如圖8為同學們打印的兩個實例。整個教學過程都是以學生為主導，老師只是輔助同學們解決學習中的疑惑。這樣既減少了老師的工作量，也是鍛煉了學生自主學習、創新創造的能力，使得課堂教學更加高效。

圖8　齒輪傳動應用實例

目前，武漢理工大學已經建立了面向本科生的3D打印創新實驗中心，已有200多名學生參與其中，同時培養了多個以3D打印為依托的創新團隊。在無老師指導的課堂中，同學們通過教學實驗平臺自主學習3D打印操作、3D打印相關的控制以及機械方面的基礎知識，并在平臺的引導下完成系列的創新設計，并通過平臺分享創新成果，進一步豐富了教學實驗平臺的知識庫。3D打印創新團隊參加了機械設計創新大賽、節能減排、挑戰杯等比賽，都取得了不錯的成績。圖9為學生參加比賽作品之一，3D打印出來的用于快遞傳輸過程中分揀的多自由度機械手，快速驗證設計的合理性。

3D打印教學實驗平臺借助互聯網思維，把3D打印機技術與多個學科結合，以不斷迭代的創新知識庫，特色的案例引導，自主的學習模式，形成了針對大學生創新教育的新的方法。

圖9　多自由度機械手

五、結束語

3D打印技術在教學領域的應用能夠改變傳統教學理念，以“觸覺教育”、“邊學邊做”的方式提高學生的動手能力和創造力，為教與學提供了新的模式。如何將3D打印滲透到教學中，并通過3D打印推動教育的變革，這些問題受到了越來越多的關注。3D打印教學平臺把3D打印技術與不同課堂元素深度融合，通過資源庫、創新案例、開放式論壇、創新實踐等方式為廣大師生提供了一個學習交流的平臺。以3D打印實驗室為依托，以3D打印機為基礎，以3D打印教育平臺為工具，改變傳統的以教師為中心的教學形式，讓學生在自主探索式學習和交流中提高學生對3D打印技術和相關課程的興趣，培養學生的創新思維和創造能力。

［1］Manufacturing：The Third Industrial Revolution［EB/OL］. http：//xiaozu.renhe.cn/showtopic/227671，2012.

［2］王雪瑩.3D打印技術與產業的發展及前景分析［J］.中國高新技術企業，2012（26）：3-5.

［3］劉永利.3D打印技術在教學具設計與制造中的應用［J］.科技與管理，2014（24）：83-85.

［4］王萍.3D打印及其教育應用初探［J］.中國遠程教育，2013（8）：83-87.

［5］陳功.淺談信息技術下的網絡教育［J］.教育探索，2012（1）：98.

［6］姚利民，段文彧.高校教學方法改革［J］.中國大學教學，2013（8）.

［7］宋朝霞，俞啟定.基于翻轉課堂的項目式教學模式研究［J］.遠程教育雜志，2014（1）：96-103.

［8］肖念.對中國大學教學邏輯改革的思考［J］.中國大學教學，2012（7）：7-9.

［9］3D打印可能進入布魯克林上千所學校［EB/OL］.http：// 3dprint.it168.com/a2015/0805/1752/000001752035.shtml，2015.

［10］ESIENBEERG M.3D printing for children：What to build next？［J］.InternationalJournal of ChildComputer Interaction，2013，1（1）：7-13.

［11］王忠宏，李揚帆，張曼茵.中國3D打印產業的現狀及發展思路［J］.經濟縱橫，2013（1）：90-93.

［12］劉雪梅，黃劍鋒.面向教育的3D打印及其網絡化交流平臺的研究［J］.中國工程機械學報，2015（1）：82-87.

（責任編輯：張華凡）

A 3D Printing Teaching Platform for Innovation Education of College Students

SHANG Wen，TAN Yuegang，ZHANG Fan，ZHOU Zude，LOU Ping
（Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China）

3D printing technology，as an important tool of the third industrial revolution，is widely used in various fields.The combination of 3D printing and education has gradually been valued in educational community.Through a research on the present situation of 3D printing education，a network teaching platform for various students has been designed.The designing concepts，functions of the system and the working process of the platform are discussed.The framework can provide an efficient and fast learning tool for students and thus build a communication way between teachers and students，which can then improve the innovation capability and teamwork skills of the students.

3D printing technology；teaching platform；innovation education

G642.0

尚雯（1994—），女，碩士研究生，研究方向：3D打印技術；通訊作者：張帆（1983—），男，講師，研究方向：3D打印技術。

湖北省科技支撐計劃項目（2014BAA018）；武漢理工大學教學研究項目（w2014004）。