3D打印及其教育應(yīng)用初探

郭紀(jì)斌+李青云+張樂+錢萍

摘 要：在國內(nèi)現(xiàn)代化建設(shè)步伐不斷加快的時代背景之下，3D打印技術(shù)已經(jīng)逐漸趨于成熟，并且在現(xiàn)實中得到了初步的推廣應(yīng)用。為進一步發(fā)揮出該技術(shù)的應(yīng)用價值，筆者在結(jié)合相關(guān)文獻資料的基礎(chǔ)之上，從3D打印技術(shù)的原理及其特征入手，對其在教育事業(yè)中的應(yīng)用進行了簡要分析，以供參考。

關(guān)鍵詞：3D打印；模型；教育應(yīng)用；設(shè)計

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.14.229

基于3D打印技術(shù)，大規(guī)模個性化制作已經(jīng)逐漸有了實現(xiàn)的技術(shù)支持，在制造業(yè)、建筑業(yè)、醫(yī)藥領(lǐng)域及教育事業(yè)中有著極為廣闊的應(yīng)用前景。就其在教育事業(yè)中的應(yīng)用來看，其能夠有效推動教學(xué)與研究的有效革新，對此必須加強對該技術(shù)應(yīng)用與教育領(lǐng)域的深入研究，以此進一步發(fā)揮出其現(xiàn)實價值。

1 3D打印技術(shù)的原理及特點

1.1 3D打印技術(shù)的原理

3D打印也可被稱之為三維打印，具有成型快且能夠進行個性化設(shè)計的優(yōu)勢，能夠為受眾人群提供全新的設(shè)計、創(chuàng)作以及制造方法。就其技術(shù)應(yīng)用來看，主要可分為設(shè)計與打印兩大階段。設(shè)計階段的主要任務(wù)是在計算機中完成打印對象的三維建模，可以借助于現(xiàn)今的SolidWorks、Creo2.0等軟件進行，也可以選擇免費的建模軟件，具有極強的兼容性，能夠以整合光、機、電以及計算機技術(shù)的方式，實現(xiàn)對模型構(gòu)建整體結(jié)構(gòu)的掃描，進而獲取相應(yīng)的空間坐標(biāo)，并將其轉(zhuǎn)化為能夠借助計算機直接控制的數(shù)字化參數(shù)信息。而就打印階段來看，其能夠通過3D打印機實現(xiàn)對三維模型參數(shù)的逐層分解，進而以分層的方式將每一層級的截面依次打印出來，并進行粘接，以此形成相對較為系統(tǒng)的整體。

1.2 3D打印技術(shù)的特點

3D打印技術(shù)不需要傳統(tǒng)機械加工銑削、車削等工序，能夠基于三維模型構(gòu)建出任何結(jié)構(gòu)的物品，且打印可使用的材料較為廣泛，生產(chǎn)過程材料的浪費較少。該技術(shù)與傳統(tǒng)加工工藝相比，主要有著三個方面的特點：其一，能夠滿足于個性化制作的需求。使用者可以根據(jù)建模應(yīng)用程序構(gòu)建出三維模型，不需要受傳統(tǒng)加工模式的限制，且生產(chǎn)的效率較高，成本也相對較為低廉。其二，可以有效縮減產(chǎn)品的研發(fā)時間。就傳統(tǒng)制造業(yè)各類產(chǎn)品的研發(fā)與制造來看，其需要歷經(jīng)模具設(shè)計這一環(huán)節(jié)，不光會浪費較多的時間，還會耗費較多的人力物力資源，而借助于3D打印機，不需要模具就能夠?qū)崿F(xiàn)對產(chǎn)品的制作，研發(fā)時間自然也就將大幅度減小。其三，可以大幅度減小對原材料的浪費。3D打印與傳統(tǒng)生產(chǎn)線制造的方式有著根本性質(zhì)上的差異，能夠以一次成型的方式實現(xiàn)物件的高效制造，這就能夠有效避免生產(chǎn)過程中對原材料的浪費，還能夠進一步降低生產(chǎn)所需要花費的成本，由此可以看出，3D打印技術(shù)有著傳統(tǒng)加工工藝難以比擬的優(yōu)勢。

2 3D打印教育應(yīng)用探究

2.1 3D打印教育應(yīng)用項目分析

現(xiàn)今國內(nèi)外已經(jīng)開始了將3D打印技術(shù)應(yīng)用于教育事業(yè)中的研究，英國教育部在2012年間就將該技術(shù)應(yīng)用于了21所學(xué)校數(shù)學(xué)、計算機技術(shù)、工程與設(shè)計等學(xué)科及其相關(guān)課程的教學(xué)之中，有效推動了教育事業(yè)的革新，且已經(jīng)提出了人類學(xué)習(xí)可通過制造與分享產(chǎn)生的相關(guān)理論基礎(chǔ)。美國也在MENTOR項目中融入了3D打印技術(shù)，其在高中教學(xué)環(huán)節(jié)中的應(yīng)用有效提高了學(xué)生對工程、設(shè)計、制造等領(lǐng)域的熱情。而就國內(nèi)3D打印在教育中的應(yīng)用來看，上海市已經(jīng)在基礎(chǔ)教育階段中初步融入了該類基礎(chǔ)，以試點的方式為青少年活動中心提供了3D打印機及相應(yīng)的掃描設(shè)備，同時開始了免費的3D設(shè)計及制造類課程，為3D打印技術(shù)在國內(nèi)教育領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用打下了堅實的基礎(chǔ)。

2.2 3D打印應(yīng)用于教育領(lǐng)域的理論基礎(chǔ)

基于“經(jīng)驗之塔”理論，將3D打印應(yīng)用于教育領(lǐng)域之中，能夠讓學(xué)生以觀察、實踐以及抽象化具象理解的方式，將對應(yīng)的學(xué)科知識加以類化，不光能夠讓學(xué)生獲取到直接的經(jīng)驗，還可以為學(xué)生提供感性的認知。而所完成的3D打印作品也能夠讓學(xué)生在觀察之中不斷修正自身的知識體系，這對于培養(yǎng)學(xué)生的思維能力是有著極大促進作用的。基于活動理論，受教育者可以在實踐中學(xué)習(xí)到相應(yīng)的學(xué)科知識，而學(xué)生通過對三維建模軟件及3D打印機的使用，則能夠以實踐的方式完成學(xué)習(xí)過程，可以有效調(diào)動學(xué)生的主觀動能，教學(xué)成效自然也就能夠得以大幅度提升。

2.3 基于3D打印的教學(xué)模式探究

依托于3D打印技術(shù)，教育者在結(jié)合學(xué)生個體化差異與多元化需求的基礎(chǔ)之上，可以建立solid learning的教學(xué)模式，為受教育提供可下載的教學(xué)資源，進而讓學(xué)生能夠使用該類資源完成3D打印的過程。教育者還應(yīng)該對教學(xué)模型的制造方式及其時間進行適當(dāng)調(diào)控，并合理開發(fā)校內(nèi)教學(xué)資源，利用好3D打印將教材中的二維模型進行建模，為學(xué)生提供具象化的教學(xué)模型。在建筑、醫(yī)學(xué)、設(shè)計類學(xué)科的教學(xué)過程中，教育者還應(yīng)該基于3D打印為學(xué)生課程設(shè)計的完成提供全新的思路，讓學(xué)生在完成二維圖紙繪制后，將其以3D打印的方式呈現(xiàn)出來。此外，教育者還應(yīng)加強科學(xué)、技術(shù)、工程以及數(shù)學(xué)的融合教學(xué)，全面提升受教育者的科學(xué)與數(shù)字化素養(yǎng)，以此為3D打印應(yīng)用效果的提升給以充分的保障。

3 結(jié)語

綜上所述，基于3D打印原理、特征及其應(yīng)用于教育領(lǐng)域的優(yōu)勢，相關(guān)人員必須加強對3D打印應(yīng)用于教育事業(yè)的理論及其模式進行深入探究，推動該技術(shù)在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用，以此為教育事業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展給以充分的技術(shù)保障。

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項目號：湘教科研通[2015]38號；獲湖南省教育廳科學(xué)研究一般項目資金資助，

項目號：16C1141。

作者簡介：郭紀(jì)斌（1984-），男，黑龍江人，本科，講師，研究方向：機械設(shè)計制造及特種加工技術(shù)。