職業院校開展3D打印技術的課程教學實踐與研究

袁晨峰

[摘 要] 3D打印隨著關鍵技術的進步，以及社會發展的需求，被廣泛地應用于各行各業。3D打印行業用人需求不斷擴大，職業教育開展3D打印技術教學，為社會培養3D打印技術應用型技能人才尤為重要。主要介紹了開展3D打印技術教學的實踐經驗，對3D打印技術的核心課程提出建設性意見，為職業院校開設3D打印技術課程提供參考。

[關 鍵 詞] 3D打印；職業教育；教學實踐；課程建設

[中圖分類號] G712 [文獻標志碼] A [文章編號] 2096-0603（2018）14-0176-02

一、引言

隨著產業的升級，特別是圍繞工業4.0、《中國制造2025》等要求，社會需要大批高素質技能人才，蘊含著職業教育加速發展的巨大潛力，要求職業院校師生具備創新的精神與能力。職業學校開展3D打印技術課程的教學，推進課程建設適應新技術、新模式、新業態的發展，以課程創新推動職業學校教育教學改革與創新、提升辦學質量。

二、3D打印技術的發展概況

3D打印以數字模型為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式構造物體的技術。3D打印技術可以制造任意復雜的三維幾何實體，通過離散或堆積成型的原理，將十分復雜的三維制造過程簡化為二維過程的疊加，成型過程無需專用工具或夾具，通過對CAD模型的修改重組就可獲得新零件的設計和加工信息。3D打印技術有高度集成的特點，集成了CAD、CNC、激光、材料等技術，對設計約束越來越小、工件制造技能低、可由逆向工程實現精確復制，3D打印技術在各個領域都有越來越廣泛的應用[1]。

三、開展3D打印技術教學的重要性與迫切性

（一）從人才需求角度出發

我國3D打印行業的快速發展和廣闊的市場前景，使越來越多的企業開始涉足其中，相應的企業對3D打印專業人才的需求也越來越旺盛。目前我國3D打印行業的專業人才缺口超過千萬，制造行業對3D應用人才需求最大，且需求還在不斷攀升。

我國3D打印行業所需人才按分工不同可以大致分為：上游技術和材料研發企業所需的3D打印技術研究、材料開發人才；中游設備生產商所需的3D打印機生產研發人才；下游服務商所需的3D打印機營銷、售后服務以及3D打印服務等方面的技術應用人才。面向機械、模具、機電設備制造、汽車、家具和玩具制造等企業，培養具有基本的科學文化素養、良好的職業道德、較強的就業能力和一定的創業能力，從事3D打印設備操作、3D打印設備裝配維修、設備銷售、新產品的手板制作、產品設計、個性化定制創業等工作的技術應用人才，顯得尤為重要以及迫切[2]。

（二）從3D打印創新角度出發

3D打印技術在模具制造、工業設計、珠寶、鞋類、建筑、工程和施工、汽車、航空航天、牙科和醫療產業、教育以及其他領域都有越來越廣泛的應用。由于擁有傳統制造業所不具備的優勢，3D打印技術被看成第三次工業革命的使者。在全球范圍內，3D打印正在掀起一輪技術革新熱潮。為應對新一輪科技革命和產業變革，我國制定《中國制造2025》，堅持創新驅動、智能轉型、強化基礎、綠色發展，加快從制造大國向制造強國的轉變。在進入“工業4.0”時代的今天，信息化廣泛而深入地融合到各行業，作為最能體現“工業4.0”特點的3D打印技術，如何推動我國創新設計水平提升，從而促進我國從制造大國向制造強國轉型，成為當下的重要課題。

（三）從教學改革角度出發

《國家增材制造產業發展推進計劃（2015-2016年）》將3D打印技術發展規劃推到國家戰略高度，特別強調了3D打印教育的推廣和普及，加快3D打印技術人才的培養，鼓勵院校與企業聯合辦學或建立3D打印人才培訓基地。圍繞職業院校學生3D 打印創新教育的展開，結合國內教育特點及其與國際教育的差距，學生普遍存在的想象力和創造力不足等問題，提倡創客教育以數字化工具為基礎，采用項目式學習方式，有真實產品產出，強調學習與現實的聯系，培養學生的創新思維和動手能力。3D打印設備作為目前安全、經濟、智能的創新造物手段，是培養學生創造力最理想的工具，有望成為我國教育改革的新引擎。據了解，國內外已掀起創新教育熱潮，各地教育機構及校外培訓機構紛紛涉足創客教育領域[3]。

四、3D打印技術教學的實踐

隨著技術的發展，企業對3D打印技術人才需求越來越大，廣州市輕工職業學校圍繞《中國制造2025》等要求，開設3D建模與打印技術專業，蘊含著職業教育加速發展的巨大潛力，為社會培養高素質技能人才。廣州市輕工職業學校3D建模與打印技術專業目前擁有3個班共120名學生，新建成3D打印實訓中心，包括三維設計室、FDM打印操作室、SLA打印操作室、裝調與后處理室等，配備各種不同型號3D打印設備與3D掃描儀超過30臺，開設了產品建模、逆向建模、3D打印技術綜合應用等課程[4]。

同時，開設了3D打印興趣社團，組織參加會展、走進社區等豐富多彩的活動。3D建模與打印技術專業師生積極參加各項比賽，在2015年全國機械職業院校“三維數字建模與制圖”技能大賽獲得二等獎，在2016年、2017年廣州市青少年3D打印創意設計比賽中均獲得一等獎，在2018年廣東省職業院校技能大賽中職組3D打印賽項中獲得二等獎等優異成績。3D打印是極具前景的專業，應培養更多精于技術、善于創新的技能創新人才，推進專業建設，適應新技術、新模式、新業態的發展。

五、3D打印技術核心課程建設的研究

（一）機械設計與3D打印技術工學結合課程

培養學生的工程計算能力和簡單機械的零部件的設計能力，同時結合3D打印技術進行制作，也為后續課程學習打下基礎。熟悉常用機構、常用機械傳動及通用零部件的工作原理、特點、應用、結構和標準，掌握常用機構、常用機械傳動和通用零部件的選用和基本設計方法，具備正確分析、使用和維護機械的能力，初步具有設計簡單機械傳動裝置的能力。結合3D打印機，分析掌握3D打印的工作原理、打印機分類、打印機裝調與簡單故障排除等相關技術，進行機械結構設計與3D打印制作。

（二）產品設計與3D打印技術工學結合課程

該課程不僅包括對產品功能、結構、材料、工藝以及產品形態、色彩、表面處理、裝飾工藝等方面的設計，同時3D打印機作為課程實驗設備，基于項目式教學形式，通過課程的學習，學生需要掌握如何應用三維設計軟件來表達頭腦中的創意，并通過操作3D打印機等最新的數字化制作設備把自己豐富多彩的創意變成實物。本課程的目的就是讓學生全面了解技術與藝術、設計與審美文化的相互關系，拓寬學生視野，改善知識結構，培養學生的創新能力，使其能與3D打印技術專業的知識有機結合起來。通過本課程的學習，使學生對工業產品造型設計的具體運作過程有一定的了解和興趣，為學習后續的專業課程及從事3D打印技術相關工作打下基礎。

（三）逆向建模與3D打印技術工學結合課程

逆向技術，主要是針對于正向工程而言。正向工程是從產品設計到產品生產，是一種“從無到有”的設計過程，而逆向工程則是對一種產品設計技術再現的過程，即通過一定的技術和手段對產品進行逆向分析和探究，通過數字化設備和技術以及CAD等制圖軟件構造曲面或者實體，形成一個三維模型，進而演繹并且得出該產品的生產流程、功能特點、結構特征以及技術規格等設計要素，最終制作出功能相近但又和原產品不同的一種“從有到新”的設計過程。開設逆向建模與3D打印技術工學結合課程，主要內容有3D掃描技術概論、3D掃描儀基本原理、3D掃描儀的基本操作、Geomagic系列軟件應用、逆向建模及3D打印制作。學習后能使用三維掃描儀對手板、樣品、模型進行掃描，收集模型數據，使用逆向造型軟件重構三維模型，最后能運用3D打印機對逆向原模型進行復制[5]。

（四）3D打印技術綜合應用工學結合課程

能夠把前面課程所學的知識，如機械設計、產品設計、逆向建模與3D打印技術相結合，基于項目式教學模式，學生通過設計研討與啟發，運用機械設計與制造的相關知識，設計產品功能與結構；從材料、結構、工藝以及產品形態、色彩、表面處理等方面進行外觀設計；使用三維軟件進行建模，然后用3D打印機進行工件的制作、組裝；在此過程中，需要對3D打印機進行裝調、故障排除等步驟熟練的操作。對3D打印完成的產品，進行分析與改進，利用逆向技術，使用3D掃描儀采集數據與逆向建模軟件進行點云處理及逆向建模；使用3D打印設備進行產品復制與改造。最后，把整個產品的設計階段、制作階段、逆向改進階段等過程總結為產品報告書。

六、結語

為適應經濟社會發展需要，深化教育綜合改革，更需要讓職業院校師生也具備創新的思維與能力。開展3D打印技術的課程，經過3D打印項目式教學的實踐，把創新思維轉化為實際成果，并融入教育教學工作中。以3D打印技術的核心課程建設為載體進行教學研究與實踐，推進課程建設適應新技術、新模式、新業態的發展。職業院校開展3D打印技術教學，為社會培養了3D打印技術應用型技能人才，滿足了3D打印行業不斷擴大的用人需求。

參考文獻：

[1]《國家增材制造產業發展推進計劃（2015-2016年）》發布[J].印刷技術，2015（8）：13-17.

[2]楊三艷.淺談3D打印技術在機械類課程教學中的應用[J].職業教育研究，2014（10）：166-168.

[3]李彬.3D打印技術在任務驅動教學法中的應用[J].考索·探微，2015（5）：211-212.

[4]羅烽.開設逆向工程實訓課程的探索[J].現代教育技術，2011（5）：145-148.

[5]王克欣，張紅哲，梁延德，等.工程訓練中設置“3D打印技術”實訓課程的研究[J].實驗室科學，2015（4）：138-140.