3D打印技術在技工院校教學中應用的研究

高玉忠

摘 要：3D打印技術是一項基于材料堆積的先進技術，出現于20世紀80年代。雖然它不是新技術，但是近年來卻成為大家關注的熱點，由軍工領域逐漸進入民用領域。但在教育應用領域，特別是技工教育領域，3D打印技術起步較晚，還處于試驗階段。本文介紹了3D技術在技工院校的教學應用以及在技工院校的未來前景。

關鍵詞：3D打印 材料堆積 技工教育 教學應用

3D打印技術被譽為“第三次工業革命”的重要技術之一，會對多個行業和領域產生重大的影響。3D打印技術的出現讓個性化的定制與生產成為可能，在珠寶設計、鞋類設計、航空航天、汽車產業、食品等領域有廣闊的應用空間。但是，在教育應用領域，特別是技工教育領域，3D打印還是一項比較新的技術，對大家來說還比較陌生，有許多問題值得研究和探討。

一、3D打印技術的概念

從專業的角度來說，3D打印技術其實就是快速原型制造（Rapid Prototyping Manufacturing）技術或者快速成型技術。3D打印是一種利用三維立體軟件模型的相關數據，通過逐層增加材料的增材制造方式，與傳統的加工工藝（削材制造）完全相反。它的工作原理和一般打印機基本相同，3D打印機內裝有液體樹脂或金屬粉末等“打印材料”，通過數據線與計算機端口連接，利用計算機控制打印機把相應材料逐層堆積，最終把設計的三維立體模型變成實物。3D打印機不需要任何加工設備，就可以把計算機中的任意三維立體圖形數據，生成相應的形狀，因此大大縮短產品的更新換代周期，提高了生產率，降低了生產成本，這都是傳統加工工藝無法比擬的。3D打印技術融合了機電一體化技術、網絡技術、三維建模技術、機械、材料等方面的前沿技術，具有相當高的科技含量。

二、3D打印的工作原理及特點

1.3D打印技術的原理

3D打印技術是一種堆積制造技術，通過逐層打印的方式來制造產品。盡管目前打印機使用的材料和工藝不同，但是3D打印的基本原理都是根據要打印的三維模型，一層一層堆疊而成。比如PLA/ABS材料，就是在3D打印機噴頭內將其加熱后形成絲，然后將絲一層層地堆起來，形成三維實物;液體樹脂材料，就是3D打印機的噴頭于托盤上噴灑一層液態物質，利用紫外線進行處理，形成固體后逐層堆積形成三維實體;金屬粉末材料，利用激光照射金屬粉末，讓粉末融化冷卻形成固體后再逐層堆積形成三維實體。無論是哪種3D打印材料，都是一層層的堆材料，而不是像傳統的加工工藝那樣把材料削去，3D打印技術堆疊人們需要的部分，傳統的加工工藝去掉人們不需要的部分，兩者的加工方法是截然不同的。

2.3D打印技術的特點

3D打印技術的優勢是不需要機械加工和磨具，能直接從電腦三維圖形數據打印出任何形狀的物體。傳統的制造技術是減材制造技術，即通過車床、銑床、機床等機械加工工具將原材料制造成產品，其典型的特征是削減不需要的材料來生產零件。與傳統的加工工藝相比，3D打印技術有以下特點。

（1）個性化設計制作

用戶可以根據自己的需求，通過建模軟件構建所需的三維模型，進行個性化的創作，制造出傳統加工設備無法制造的外形。

（2）高材料利用率

3D打印技術是增材制造技術，通過對材料一層層堆積形成所需產品，此過程可以做到原材料零浪費，并且在實際加工過程中不需要生產線，降低了生產成本。

（3）縮短新產品的研發周期

傳統的產品制作往往要先進行模具的設計、制作，再制作模型，后續還要進行修整操作，這使得制作周期很長，然而3D打印技術可以省略一些步驟，縮短新產品的研發周期。

三、3D打印技術在技工教育應用的分析

1.3D打印技術在技工教育應用的現狀

經過幾十年的發展和國家政策的扶持，3D打印技術在一些領域較為成熟。但在教育領域，尤其在職業技工教育領域，未得到大面積普及和推廣。3D打印技術直到最近幾年才在學校有了初步的發展，一些技工院校在積極的研究和探索，希望將此技術應用到實際的教學中去，有的學校還開辦了3D打印專業，但這些都還在探索階段。技工院校作為為國家培養高素質技能型人才的基地，在教學和實踐中普及3D打印技術就顯得十分必要。

2.3D打印教學的理論依據

無論在理論教學還是實驗教學過程中，3D打印技術都將發揮重要的作用。教師可以根據自己的教學需要，用3D打印機打印出各種各樣的理論課件模型，創造一種全新的教學活動方式。下面從戴爾“經驗之塔”理論和教學理論的角度，對基于3D打印技術的教學活動進行分析。

（1）“經驗之塔”理論與3D打印技術

“經驗之塔”理論是用一個學習經驗的三角形寶塔圖來表示不同學習方式的學習效果，將人們的經驗分為三大類：做的經驗、觀察的經驗和抽象的經驗。

學生用3D打印機打印三維實體時可獲得豐富的“做的經驗”，用建模軟件設計三維模型時可以獲得豐富的設計制作經驗，通過展覽3D打印的作品，可以使學生獲得豐富的“觀察的經驗”，這些感性經驗給學生的學習提供了很大的幫助。3D打印技術可以將教學內容中某些抽象復雜的理論知識進行具體化展現，使學生更好地理解“抽象經驗”，從而提高思維能力和遷移能力。

（2）教學理論與3D打印技術

教學理論方法中的實驗教學法，讓3D打印技術得到充分運用。實驗教學法是學生在教師的指導下，使用一定的儀器設備和材料進行實驗操作，觀察和研究這種操作引起現象和過程，以獲取相關知識的教學方法。在課堂上，學生可以在教師指導下使用3D打印機，在打印過程中發現問題并總結經驗。

綜上所述，3D打印技術是虛擬現實技術的延伸，它使人獲得更真實的感覺，進一步促進了人的思維能力的發展，它與教學的融合勢在必行

3.3D打印技術在技工教育課堂教學的應用

3D打印技術在技工院校課堂的理論教學中發揮著重要的作用。教師可以根據自己的教學需要用3D打印機打印各種各樣的三維實體模型，將抽象復雜的理論知識轉化為具體的實體模型，使學生可以更形象更具體的理解所要學習的知識。一個具體的實物勝過成千上萬條語言的表述。將3D打印技術運用到教學中，可以將抽象的理論知識變得更容易理解，加深學生對知識的理解，提高學生的學習效率，更有助于知識的遷移。下面從幾個專業介紹3D打印技術在技工院校的應用。

（1）機械設計專業

在機械設計專業的理論基礎課或者專業課中，為了使學生更好地理解和掌握所學知識，需要使用教具輔導課堂教學，如機械設計的齒輪嚙合裝置、機械原理的四桿機構、機械制圖的一些復雜的三維立體模型等。隨著技術的快速發展，新的專業技術不斷涌現，教材每過幾年就會更新，但教具卻沒有淘汰，這導致了教材內容和教具不匹配，會直接影響到課堂的教學效果。有了3D打印技術后，教師可以根據教學需要自己打印教具，也可以讓學生參與到教具的制作過程，學生還可以觀察和組裝這些教具，從而激發學生的學習興趣，教師可以更好地掌控課堂，還可以減少教學成本，不用再買教學教具了，這種教學方式肯定要比原來的教學效果好。

（2）建筑專業

建筑專業的學生在設計作品的過程中一般都要用Auto CAD、Sketchup、3D MAX等軟件，進行一系列的結構形狀設計。電腦上三維模型肯定沒有實物直觀性，并且還容易忽略一些細節問題。如果采用傳統的方法制作作品實體模型，時間長且不合格率極高，所需的費用也是很大的。但利用3D打印技術，學生只需要在電腦上設計好作品三維模型，然后把數據輸入打印機中，利用打印機在很短的時間內打印出1：1或者縮小、放大模型。學生在設計初期就可以發現問題和不足，及時對自己的設計方案做出調整，教師也可以及時給予幫助和指導，避免更大的錯誤。

（3）車輛工程專業

車輛工程專業的學生都要學習相關的理論課程，如理論力學、材料力學、汽車理論、汽車構造等。在傳統的理論教學中，往往都是教師單純地講解知識，學生被動接受。比如汽車構造這門課程，在講解過程中汽車的各組成件只能通過二維圖像來觀看，這不利于培養學生的學習興趣和空間想象能力。有了3D打印技術后，教師可以根據教學需要來打印汽車的各組成件，通過三維實體模型讓學生更好地理解汽車相關理論和組成件;學生還可以根據汽車各組成件來組裝汽車整車，參與到教學中來，也加強了學生的動手能力，教師可以更好地掌控課堂。往常汽車設計時，學生在電腦上設計好三維立體模型，通過觀看虛擬模型來查找設計的不足，并作出改正。這種設計方法是有缺陷的，粗心大意的學生會忽略一些細節。有了3D打印機后，學生可以打印各種各樣的汽車實體部件，更便于查找設計中的不足。

四、3D打印技術在技工教育領域的發展前景

3D打印技術在技工院校的應用中還面臨著很多需要解決的問題，如成本、材料以及師資的培訓。在實際的教學中，要如何選擇價格低且能快速打印，具備高精度，低故障的打印機;如何選擇安全無毒的材料進行3D打印，以及在預算的范圍內如何進行培訓，讓任課教師準確快速地掌握三維建模軟件和3D打印機的使用，都是需要解決的問題。但3D打印機將復雜抽象的知識變得更容易理解，打印出與教學相關的教具，更好地把教師的教學思想傳遞給學生;可以使學習變得更有趣，讓學生自發的參與到教學中，從而大大激發了學生的學習興趣，提高他們的創新意識;更全面地為教學服務，每所學校可以根據學校自身的需要來打印適合的教具。相信在未來的教學中，3D打印技術有著廣闊的前景。

參考文獻：

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（作者單位：青島市技師學院）