3D打印技術在高職教育中的應用研究

洪軻

摘要：隨著3D打印技術在各行業(yè)的迅猛發(fā)展，將其與教育相結合也成為現實。文章主要探討了3D打印技術在高職教育中的應用，分析了3D打印技術對高職教育產生的深遠影響，促進了教學手段的多樣化，有效激發(fā)了學生的學習積極性。

關鍵詞：3D打印;高職教育;模型

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）22-0130-02

1 引言

3D打印（3D Printing） 技術，又稱增材制造（material additive manufacturing） 技術，是在20世紀80年代后期開始出現的一種新興制造技術，是一種以數字模型文件為基礎，利用塑料或者金屬粉末等可粘合材料，通過逐層打印的方式來快速構造任意復雜形狀3D物體的數字化成型技術。目前主流的3D打印技術主要有熔融沉積制造（FDM） 、光固化成形（SLA） 、選擇性激光燒結（SLS） 、三維噴印（3DP） 等，以3D Systems和Stratasys為代表的兩家3D打印設備制造商整合了全球主流工藝90%的產品線。3D打印技術已經在模型鑄造、成型制造、直接零部件制造、生物醫(yī)用高分子材料、藝術品修復等領域達到了廣泛的應用[1，2]。目前，特別是在高職教育領域，3D打印技術與教學相結合還是一個嶄新的領域，面臨著很多問題有待解決。如何有效地將其應用到高職教育領域，為學生提供學習支持，還有待深入研究。

2 3D打印技術的基本原理及其特點

2.1 三維建模

利用3D建模軟件或三維掃描設備得到目標產品的數字化模型，并將該模型保存為通用的STL文件格式，得到打印“原稿”。目前市場上的3D建模軟件有很多，具有代表性的有：SketchUp、Blender、3DMax、AutoCAD等。

2.2 切片處理

3D模型建好后，需要利用打印機專配的軟件將STL文件切片處理，得到相應的截面輪廓和加工路徑，生成Gcode代碼。

2.3 打印輸出

將切片生成的Gcode代碼發(fā)送給3D打印機并調節(jié)好相關參數，打印機根據Gcode代碼將打印耗材逐層噴涂，等待3D模型打印成型即可。

2.4 后期處理

打印完成后的模型表面一般都會比較粗糙并伴有毛刺，需要進行修整、去除支撐、固化處理等后期處理。

3 3D打印在高職院校教學的應用

英國著名雜志《經濟學人》早在2012年就明確指出3D打印技術作為第三次工業(yè)革命的代表性技術必將對制造業(yè)的發(fā)展產生深遠影響。同時，美國新媒體聯盟（NMC） 《地平線報告》也在2013年預測3D打印技術將在教育領域得到重要發(fā)展。

隨著3D打印技術在社會各領域的廣泛應用，將3D打印技術引入到高職教學中也成為現實，Stratasys和3D Systems兩大3D打印廠商也非常重視3D打印機技術在教育教學領域的應用，推出了各自的教育服務平臺，將這些平臺應用到高職教學中，就有望形成一個獨特的高職教育科技創(chuàng)新平臺，從而極大地提高在線教學過程并培養(yǎng)學生的學習技能。3D打印技術給高職教學提供了新的技術支持，在這些新平臺、新資源、新環(huán)境、新工具的影響下，必將對現有高職教學產生深遠的影響[3]。

3.1 新平臺

3D打印技術所創(chuàng)建的新平臺，為高職教育的創(chuàng)新型和技能型人才的培養(yǎng)提供了新的契機。讓高職教育從傳統(tǒng)的“應試教育”向創(chuàng)新型教育轉變提供了幫助。

3.2 新資源

3D打印技術的發(fā)展為各個學科提供了相應的立體資源。為學生提供了逼真生動的實際模型，能有效減少學生對抽象概念的認知負荷。比如：在汽車維修相關專業(yè)的教學中，汽車的成本相對較高，很多情況下都是采用多媒體教學的方式進行，學生通過圖片和視頻很難對汽車的部件有直觀的感受，教學效果較差。而3D打印技術可以通過打印出縮小版的實體模型進行教學，同學們能夠進行詳細的觀察并動手操作，將傳統(tǒng)的紙上談兵的教學模式變?yōu)閷嶋H操作，必然讓教學效果得到質的飛躍[4，5]。

3.3 新環(huán)境

3D打印技術提供了高職教育所需的技術創(chuàng)新環(huán)境。通過打印的實際模型作為學習材料，讓學生能夠對新知識有更深更廣的認識和理解，從而彌補了傳統(tǒng)學習環(huán)境的不足，為高職課堂提供了一個新環(huán)境。比如：在生物等相關學科中，通過3D打印技術可將細胞結構、血管構造、骨骼等打印成實體模型，將使學生的學習過程變得輕松快樂，教師在這種新環(huán)境中的教學過程也變得相對容易。

3.4 新工具

3D打印技術的不斷的發(fā)展為高職教學提供了新的工具，各種通用和專用的3D繪圖軟件、建模工具不斷出現，比如：SketchUp、blender、Shockwave3D、3ds Max等，并在教學中得到了應用，從而有助于構建一個嶄新的智能化教學環(huán)境。

3.5 新課程

除了在傳統(tǒng)學科中引入3D打印技術，也可在高職院校開設專門的3D打印課程，可以從以下幾方面內容下手：3D打印技術的發(fā)展現狀及應用趨勢;3D打印技術的分類、原理和關鍵技術;3D打印的過程及其過程控制系統(tǒng)存在的問題;3D打印設備廠商及其主流產品;3D打印材料的分類及發(fā)展現狀;3D打印技術的優(yōu)缺點及問題。

4 3D打印在高職教育應用中的思考

隨著高職院校逐步把3D打印引入到教學和課程中，將對目前的教與學的現狀起到積極的促進作用。

4.1 顯著提高學生的參與和動手能力

3D打印的整個過程都涉及實踐操作，學生在參與的過程中，操作能力、觀察能力和制作能力得到了全方位的提高，這將為后續(xù)創(chuàng)新能力的發(fā)展打下基礎。

4.2 學生的學習積極性得到顯著改善

3D打印過程中有大量的DIY的機會，通過打印可將相關學科的抽象概念更加實體化，學生能夠多角度地融入學習過程中，積極性和學習熱情得到了有效激發(fā)。

4.3 推動學生創(chuàng)新能力的發(fā)展

在打印實體模型的過程中，往往需要發(fā)揮學生的想象力，將想象中的模型實體化，這是推動學生創(chuàng)新創(chuàng)造能力的重要環(huán)節(jié)，對高職教育培養(yǎng)創(chuàng)新型人才有著積極的意義[6]。

5 3D打印技術在高職教育中的局限性

目前，3D打印技術正在逐步應用到各行各業(yè)中，已經在建筑、軍工、醫(yī)療、工業(yè)、農業(yè)、交通、影視、藝術等領域得到廣泛應用，同時3D打印所使用的材料的品種也越來越多。但是在職業(yè)教育領域的應用才剛剛起步，還有一定的局限性[7]。

5.1 3D打印在高職教育領域的推廣不夠

3D打印在高職教育的領域的研究還比較欠缺，相關文獻較少，或者深度不夠。大部分高職院校對3D打印技術能否與傳統(tǒng)學科相結合還存在質疑，缺乏有效的實施。

5.2 3D打印機和耗材的成本相對較高

即使是小型的桌面型3D打印機的價格也不算便宜，同時打印所需的材料種類也比較少，價格也相對較貴，并且打印的良品率不高，需要多次調整合適的參數。

5.3 3D打印速度相對較慢

由于3D打印是增材制造，目前與傳統(tǒng)的工業(yè)流水線生產方式相比，生產速度上不具備優(yōu)勢。但是任何技術的發(fā)展都要經過這一過程，相信隨著技術的完善和提高，最終將得到解決。

6 結束語

隨著3D打印技術的發(fā)展，3D打印時代即將來臨，各行各業(yè)都將面臨變革，高職教育乃至整個教育界自然也不能例外。相信在不久的將來，3D打印技術將大面積走入高職教育的課堂中，并對現有的教育教學方式產生深遠的影響，讓我們做好準備，迎接高職教育大變革的到來。

參考文獻：

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

[2] 李小麗，馬劍雄，李萍，等.3D打印技術及應用趨勢[J].自動化儀表，2014，35（1）：1-5.

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

[4] 童宇陽.3D打印技術在中小學教學中的應用研究[J].現代教育技術，2013，23（12）：16-19.

[5] 王娟，吳永和，段曄，等.3D技術教育應用創(chuàng)新透視[J].現代遠程教育研究，2015（1）：62-71.

[6] 兀旦暉，趙晨飛.3D打印技術在教學中的應用研究[J].課程教育研究，2013（21）：185-186.

[7] 孫智強.我國3D打印產業(yè)發(fā)展現狀及前景展望[J].江蘇科技信息，2014（6）：19-20.

【通聯編輯：王力】