3D打印技術在教育中的應用及推進策略

四川城市職業學院汽車與信息工程學院 四川 成都 610100

目前，教育正在發生變革，各種基于信息化，3D打印等技術的教育教學方式正在影響和改變著傳統的教育。作為教育工作者及相關部門，需要參與到這個變革中來，更好地利用這些技術來服務我們的教育，利用這些技術促進人才的培養。為了充分發揮3D打印技術對教學的推動作用，文章圍繞以下幾個方面進行了探討和研究。

一、3D打印技術的應用和發展現狀

3D打印作為一種基于數字技術的打印，與傳統的打印相比，主要是利用各種材料進行三維模型、產品的實體實現。在3D打印技術出現初期，主要是在制造和設計領域用來進行模型的制造。隨著打印材料的逐漸成熟，3D打印逐步直接用在了產品的制造中。目前，此技術幾乎覆蓋了建筑、藝術設計、汽車、航空、醫療、教育、槍支等眾多領域。按照打印材料以及成型原理的不同，3D打印技術可以分為擠出熔融成型、粒狀物料成型、光聚合成型幾種類型。根據打印耗材，其又分為非金屬材料打印和金屬材料打印。在應用方面看，3D打印技術可以應用于汽車行業，用來打印汽車的零部件。可以應用在汽車的研發、生產以及使用過程的維護、改裝方面。在航空航天領域，3D打印技術已完成上萬零部件的打印并成功在多種機型上使用。在生物醫療中，3D打印也得到了成功的應用，用于打印各種活體及器官。在建筑方面，利用3D打印可以讓建筑設計藍圖可視化和設計模型精細化，更好的表達設計者的思想和設計細節。3D打印技術還可以用于藝術設計，制造出傳統工藝難以加工或無法加工的形狀，開辟更廣的設計空間。

目前，3D打印機有桌面級，商用級及工業級，作為最簡單的桌面級熔融堆積和熔絲制造型3D打印機，根據打印精度、打印噴頭、成型體積大小的不同，其價格從幾千元到幾萬元不等。而基于燒熔纖維原理以及光固化原理的3D打印機目前價格稍高。3D打印材料眾多，根據打印的精度，打印的應用領域，打印的對象，打印的設備等可以分為不同的類型。有金屬、陶瓷、工程塑料等。當然，這些材料都是根據打印要求而特殊制造的。從材料的形態上看，也有不同，有絲狀的、層狀的、液體的和粉末的。通常，從造造價上看：PLA塑料＜塑料＜樹脂＜全彩砂巖＜尼龍＜藍蠟＜金屬。除了材料價格的考慮，另一方面，在使用3D打印的過程中，我們需要結合我們使用的目的進行材料的選擇。

如果用3D技術打印模型，在設計領域中可以分兩種類型：一是用來進行外觀檢驗的，比如，藝術類設計師為了看到自己所設計作品呈現出的真實狀態，經常會使用3D打印將自己的設計作品打印出來。這種打印出來的模型可以非常直觀的反應設計作品的創意。可以拉近設想和現實的距離，幫助設計師完成最好的外觀修正和設計。另外一種則是進行產品的結構測試和驗證。比如，在工業零件的設計中，開模的價格往往非常昂貴，而利用3D打印技術可以提前將設計的零件等打印出來進行結構測試分析，最大可能的降低開模的風險和成本。當然，對于量少或單件的定制產品，在材料和打印技術滿足產品要求時，直接打印可以最大的減少設計和開模成本。

3D打印技術發展到今天，由于其增材制造的優越性和能解決很多普通工藝無法解決的問題，其在各個行業均有應用，誕生了推動工業發展的個性化定制，但由于材料成本的問題和特殊領域對打印精度的高要求，3D打印技術的應用并沒有得到真正的普及。在調查中我們發現，目前有類似水龍頭這樣的企業實現了產品進小區的個性化定制，由客戶自主在平臺上選擇款型進行設計，按自己的喜好進行打印。這無疑是3D打印技術在推進智能制造進程中的重要角色體現。同時，打印高精度的零件的材料和設備成本也是高居不下。比如，在調研中，重慶大學機械工程學院的重點實驗室利用3D打印進行了機械零件的打印，其中，包含普通工藝無法完成的零件，打印非常精美，一次成型，省去了焊接和二次裝配，整體性很好。另外，還打印了大型的齒輪，為了滿足要求，所使用的設備非常昂貴，其所使用的金屬粉末也是進口粉末。

二、3D打印技術在教育中應用的方向和意義

3D打印技術推動了制造領域的重大變革，是一次歷史的轉折，加快了制造業發展的步伐。3D打印技術對國家未來工業發展具有重要意義，教育作為國家未來發展的源動力，更需要注重當前發展的形勢和技術前沿，我們需要在學校推廣和使用3D打印技術。目前許多教育機構都逐步的在引入3D打印，從幼兒教育到大學教育都有不同的涉及，職業教育作為教育重要的一個版塊，所培養的學生必須了解這些前沿技術。觀念的轉變、技術的革新，材料的發展，促使社會和工業設計行業不斷進步，企業對人才的知識、能力、素質的要求在不斷提高，需求也不斷增大。既需要工業設計師這樣的高層次人才，也需要以效果圖繪制、產品手板制作等為代表的高級應用型工業設計人才。另外，隨著產業和科技的發展，既懂高端設備和先進科技，又懂工業設計的人才更是少之又少。所以作為職業院校，培養一系列的綜合型人才更是當務之急。將3D打印引入高職院校勢在必行。另一方面，將3D打印引入職業教育具有重要的意義。

1.幫助進行教具的制作，輔助教學。職業教育的教學突出的是應用，但在設計類、結構認知與分析類課程教學過程中，經常會遇到教學模型與實物不匹配，教材圖形太抽象的情況，而抽象的描述不利于這類知識的理解，嘗試了借助多種教學軟件的應用，但有了3D打印技術，這個問題就迎刃而解，教師在教學的過程中可借助3D打印技術打印出相關的實體摸型，供學生觀察研究，將抽象的東西實物化，幫助學生進行結構的認識和理解，提升學生學習興趣。

2.實現設計成果快速轉化，提升學習興趣。在美術設計類或機械設計類等課程中，傳統的設計無法讓學生迅速的看到自己所設計的成果的實物，課程就顯得較為枯燥。將3D打印引入這類設計課程中，利用3D打印機可直接打印出學生自己設計的實物，學生們可以根據實物進行設計的評估和修正，讓學生較快的看到自己的設計成果和進行設計的完善，極大縮短實物制造時間，可以增強學生學習設計類課程的興趣。

3.有利于產教融合，實現教學成果到產品的轉化。將3D打印技術引入到高職教育，引入進校園。一方面，可以面向本校師生提供教學、科研、培訓等創新服務；另一方面，可以面向社會、企業及個人提供產品模型、個性化定制等3D打印服務，可以成為學校與社會、企業及個人之間“產、學、研、服務”于一體的橋梁紐帶和綜合技術服務平臺，促進產教融合，實現教學成果的轉化以及社會服務。

4.促進創新型人才培養，培養學生的創新思維。創新型人才培養的最好場合和手段是日常教學活動，如何有效利用有限的課堂教學時間培養學生的創新能力是值得我們關注的問題。3 D打印技術為現代教學提供了新的媒體形式，有助于開創新的教學活動方式。3D打印技術能夠將物體從虛擬的數字模型直接制造出三維實體產品，真正實現產品的設計制造一體化。學習者可以利用所學知識自己嘗試設計、制作3 D打印機或者創意產品，將所學知識運用在實踐中，學生在這種真實環境中獲得感性認識，體驗做的過程。這樣的過程可以促發學生不斷的思考和探索式的學習和研究，激發學生學習的自主性和創造性，有效推進我們的創新教育，培養學生創新思維，促進創新設計和創新成果的產生。

5.推進3D打印技術的發展。技術如果想有所突破，首先得有一大批感興趣的人。任何一項技術的革新和進步都源于使用者的需求和探索，學生在進行該技術的學習和使用中，必然會發現產品的不完善和提出更高的使用要求。此時，具備技術基礎、使用需求、又對該技術有濃厚興趣的學生勢必會用他們的得天獨厚的創造性和與之而來的好奇心去探索這項技術，去研究它，這種不斷壯大的力量將最終推動3D打印技術的發展。

三、3D打印技術在教育中應用的現狀

通過對四川及周邊的院校的調研發現，在這個區域，3D打印技術目前在教育中的應用情況不容樂觀，大致情況如下：3D打印技術已經逐步輻射進入校園，輻射教育階段廣，從幼兒、小學到大學都有涉及，在中小學階段主要用于激發創作興趣上，以“玩耍”興趣方式在進行推行使用，在大學階段主要是少部分偏設計類的專業的少部分人使用。3D打印技擁有量和擁有的等級有限。中小學中大部分學校沒有3D打印技，擁有的學校少且一般只有一臺桌面級熔融堆積和熔絲制造型3D打印機。從大學和高職院校相比，絕大部分大學的不同專業院系都有3D打印機。在所調研的省內高職院校中，有的院校沒有3D打印機，有的院校也僅僅局限于少量的專業，所使用的臺數也非常有限。院校師生對3D打印技術認識和掌握不夠。在調查中發現，絕大部分教師和學生僅僅是聽說過3D打印技術，簡單的認為3D打印技術是一項高級的技術，而對技術本身是完全不了解，也不知道怎么去涉及，更不知道3D打印技術和自己的教學和學習又什么關系，以及怎么去結合自己的專業進行相關應用。部分師生更是認為其價格和技術都遙不可及。

四、3D打印技術在教育中應用的推進策略

3D打印技術應用在教育中有如此重要的意義，但反觀我們的應用現狀不容樂觀，為了將3D打印技術更好的用在教育中，充分發揮其對教育的推動作用和教育對3D打印技術發展的反哺作用，項目組根據調研情況和討論，提出了如下的推進策略。

1.理念引領。在調研中發現，許多師生的回答讓我們驚訝，也許是出于西部，很多師生仍然覺得該技術充滿神秘感，遙不可及，理所當然就回避，沒有想過在自己的學習和教學中去使用它，因此當務之急是解決意識問題，對師生普及常識，一方面讓大家意識到3D打印技術并不神秘，并不是所有打印材料都非常昂貴。另一方面，讓相關教師認識3D打印技術對輔助教學、提升學生學習興趣、培養學生創新思維具有其他技術無可比擬的作用。

2.教材引導。需要規范和編訂相應的3D打印技術入門級教材，教材的內容應該既涵蓋有關3D打印技術的發展、3D打印相關科普知識，又涵蓋簡單通用3D打印機應用的知識。在此基礎上，再針對性分類分專業推行其他有關3D打印技術應用的課程教材。通過教材引導，讓院校的教師進一步了解3D打印技術，學會簡單桌面級3D打印機的使用，從而進一步將3D打印技術與自己的專業結合，設計課程和進行教學。

3.設備支撐。院校要進行設備的引入，作為院校，可以嘗試整合資源，在初期以搭建創新平臺的方式購入桌面級打印機，統一管理，供全院師生使用。一方面可以作為創新工作室，促進協同創新；另一方面，可以作為全院師生的學習場地，借助企業和教材對全院教師進行3D打印技術的初步普及教學。待專業教師有了對3D打印技術的進一步掌握，將3D技術與專業教學進行探討和融合之后，有針對性分批分類的為相關專業建設專門的3D打印工作室。既輔助了專業教學，又有利于成果的轉化，促進產教融合。

4.試驗先行。由于我省處于西部，起步較低，各所院校的條件又不相同，直接全面推行將3D打印技術引入院校，勢必會給一些院校帶來壓力。在全省范圍內，可以試驗先行。利用政策扶持和相關的鼓勵政策，進行試點，讓企業積極參與和資助院校進行3D打印實驗室建設，讓院校積極引入3D打印技術進校園。

5.搭建平臺。通過搭建平臺，讓政府、行業專家、3D打印企業、高職院校共同來研究和實施3D打印技術進校園的方案，形成校政企聯盟，共同推進3改進D打印技術在教育中的應用。

技術在創新，教育也需要變革。3D打印技術在教育中的應用將會給教育帶來不一樣的前景，按照這樣的策略來推進3D打印技術在教育中的應用，我們有理由相信，3D打印技術將會逐步在我省的院校推行，助力我省的教育。