增材制造技術(shù)在海南省中職教育領(lǐng)域中的應(yīng)用研究

□ 海南省技師學(xué)院 余水晶

如今，增材制造技術(shù)已成為現(xiàn)代社會(huì)的焦點(diǎn)，被看作是工業(yè)領(lǐng)域的重要科技突破，并有望帶來“第三次工業(yè)革命”。增材制造技術(shù)在各行各業(yè)中的應(yīng)用已得到研究者的廣泛關(guān)注，但在職業(yè)教育領(lǐng)域，特別是中職教育，未得到大面積推廣。海南省“十三五”規(guī)劃方案提出堅(jiān)持低碳、高技術(shù)的發(fā)展方向，著力發(fā)展新能源汽車制造、新型網(wǎng)絡(luò)化制造等低碳智能制造業(yè)。增材制造技術(shù)在海南省政府堅(jiān)持低碳、高技術(shù)的發(fā)展方向引領(lǐng)下，必將有更廣闊的發(fā)展空間和發(fā)展機(jī)遇。

一、增材制造技術(shù)

1.增材制造技術(shù)概念

增材制造技術(shù)(Additive Manufacturing AM)，又稱3D打印技術(shù)，是依據(jù)三維模型，運(yùn)用相應(yīng)的材料，通過程序控制將材料逐層堆積粘接起來，快速制造出產(chǎn)品的成型技術(shù)[1]。與傳統(tǒng)的制造（減材加工）方法不同，以其獨(dú)特的工藝，把設(shè)計(jì)的三維物體分成無數(shù)個(gè)二維層片，逐層堆積起來，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的快速制造。如圖一所示，它是一種綜合性、交叉性的制造技術(shù)，于20世紀(jì)80年代初出現(xiàn)在美國。增材制造綜合運(yùn)用材料科學(xué)與工程、激光、計(jì)算機(jī)、精密傳動(dòng)與數(shù)控、粉末冶金等現(xiàn)代與傳統(tǒng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)零件或產(chǎn)品原型的直接快速制造，為產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)和快速制造提供新的技術(shù)手段，可以大幅度加快開發(fā)周期，降低試制成本。隨著經(jīng)濟(jì)全球化，產(chǎn)品開發(fā)周期和成本是制約產(chǎn)品早日上市和贏得市場份額的最突出因素。到目前為止，增材制造是滿足這種市場需求最理想的技術(shù)方法。

2.增材制造技術(shù)的特征

（1）增材制造技術(shù)特別適合于傳統(tǒng)技術(shù)不能處理的、極為復(fù)雜的幾何構(gòu)造。它不但能夠生產(chǎn)復(fù)雜型的超大中型零部件，還能夠生產(chǎn)一些非常復(fù)雜的中小型零部件。

圖1：增材制造與傳統(tǒng)制造

（2）增材制造技術(shù)非常適合用于小批量復(fù)雜零件、備件及個(gè)性化產(chǎn)品設(shè)計(jì)的快速生產(chǎn)制造。對小批量、外形特別復(fù)雜的工件，可以省略中間環(huán)節(jié)。與我國傳統(tǒng)工藝以及其他生產(chǎn)技術(shù)比較，直接生產(chǎn)終端部件有著更突出的成本優(yōu)勢。

（3）增材制造技術(shù)可使設(shè)計(jì)師將設(shè)計(jì)思路迅速轉(zhuǎn)變?yōu)槿S空間設(shè)計(jì)實(shí)體，進(jìn)而為零部件設(shè)計(jì)原型、組裝、功能測試、設(shè)計(jì)檢驗(yàn)與糾錯(cuò)等提供更高效的三維空間優(yōu)化與設(shè)計(jì)手段，從而推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)品的創(chuàng)新與優(yōu)化。

（4）增材制造技術(shù)不需要傳統(tǒng)的機(jī)械工具、夾具、模具等工裝，就能夠在同一個(gè)裝置上迅速、精確地制造任何復(fù)雜形式的汽車零部件，進(jìn)而達(dá)到零部件的“自由制造”，從而簡化制造過程，降低工藝，大大減少了制造時(shí)間。

（5）增材制造技術(shù)可以適應(yīng)航空兵器等高端裝備研發(fā)中低成本、縮短周期的需求。據(jù)統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)大中型飛機(jī)上鈦合金零部件的原材料使用率很低，一般都不高于10%；若采用高能束流式增量生產(chǎn)技術(shù)，可以節(jié)約金屬材料的三分之二以上，而數(shù)控整機(jī)工藝時(shí)間也可以縮短50%以上。

總的來說，和傳統(tǒng)的切削加工等制造方法比較，增材制造無需對物體進(jìn)行切削，可以直接出成品，縮短設(shè)計(jì)樣品的制造周期。同時(shí)，減少材料的消耗，大大降低產(chǎn)品成本，使得設(shè)計(jì)者能夠更充分地按照實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)功能的需求進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)工作，而不用考慮因造型設(shè)計(jì)繁瑣、生產(chǎn)困難帶來的局限。

二、海南省中職教育現(xiàn)狀

近年來，海南省政府高度重視中等職業(yè)教育發(fā)展，把它作為一項(xiàng)基本民生工程，重點(diǎn)扶持、重點(diǎn)發(fā)展，對中等職業(yè)教育的整體投入不斷增加，規(guī)模不斷擴(kuò)大，發(fā)展十分迅速，特色十分明顯，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益良好。同時(shí)，職業(yè)教育的影響力也在同步提升，整個(gè)社會(huì)對職業(yè)教育的接受度也越來越高[2]。海南省中等職業(yè)教育具有其鮮明特點(diǎn)。

一是大量投資。海南省政府財(cái)政對中職教育的投入持續(xù)穩(wěn)定。首先省財(cái)政對中等職業(yè)學(xué)校總投入持續(xù)增長。其次，建立了海南省中職院校生均撥款制度，且生均撥款額在逐年提高。穩(wěn)定的投入，為海南中職教育的發(fā)展提供了穩(wěn)定的財(cái)政保障，從而奠定了堅(jiān)實(shí)的發(fā)展基礎(chǔ)。

二是迅猛發(fā)展。近年來，海南省政府重點(diǎn)支持，優(yōu)先發(fā)展中等職業(yè)教育，把中等職業(yè)教育作為民生重點(diǎn)工程來推進(jìn)，中等職業(yè)教育實(shí)現(xiàn)了跨越式發(fā)展。公辦中職學(xué)校專任教師隊(duì)伍基本穩(wěn)定，基本滿足教育教學(xué)需求，通過繼續(xù)教育培訓(xùn)，擴(kuò)招高質(zhì)量教師隊(duì)伍，教師素質(zhì)得到了提高，保證了中職教育的教學(xué)質(zhì)量。“十三五”期間，中等職業(yè)學(xué)校招生規(guī)模逐年擴(kuò)大，學(xué)生素質(zhì)不斷提高，另外，開展職業(yè)教育資源優(yōu)化整合，中等職業(yè)學(xué)校教學(xué)資源不斷在優(yōu)化。

三是特色鮮明。從現(xiàn)實(shí)的角度來看，海南中等職業(yè)教育體現(xiàn)出自身的特點(diǎn)，主要體現(xiàn)在“新三階段”“訂單式”“集體化”“村官班”等教育模式上。其中，“新三階段”教育模式已成為海南省“十大民生工程”的亮點(diǎn)之一，作為中等職業(yè)教育創(chuàng)新模式面向全國推廣。另外，為傳承海南民族文化特色，還開設(shè)“花梨木雕刻技藝”“黎族織錦技藝”“貝雕技藝”“紅木雕刻技藝”和“黎族剪紙技藝”等特色專業(yè)。

三、海南中職教育增材制造技術(shù)教學(xué)現(xiàn)狀

1.教學(xué)體系不完善，師資力量不夠強(qiáng)大

中職院校的增材制造專業(yè)教師應(yīng)具有很強(qiáng)的專業(yè)理論知識(shí)與實(shí)踐能力，但海南中職院校卻缺少在實(shí)踐上具有豐富經(jīng)驗(yàn)的增材制造專業(yè)老師，缺少實(shí)際從業(yè)經(jīng)驗(yàn)。其次，師資是學(xué)校教育的主導(dǎo)支柱，其思想認(rèn)識(shí)能力和水平直接影響著增材制造技術(shù)人才轉(zhuǎn)型的培養(yǎng)。如果中職院校教師沒有正確的增材制造技術(shù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的引導(dǎo)，一系列相關(guān)的教學(xué)內(nèi)容可能會(huì)變得低效。因此，關(guān)于中職院校增材制造技術(shù)專業(yè)教學(xué)中實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)改進(jìn)，最重要的內(nèi)容之一就是變革和改進(jìn)增材制造技術(shù)教學(xué)思維模式。一些中職學(xué)校缺少改革創(chuàng)新理念意識(shí)，在教學(xué)方式開展上沖勁不夠，而且沒有對社會(huì)教學(xué)物資進(jìn)行合理使用，束縛了實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)改進(jìn)效果。

很多的中職院校忽略了對教師實(shí)踐培養(yǎng)的策略，在時(shí)間、組織力度、組織經(jīng)費(fèi)上沒有對應(yīng)的安排。對于教師離開學(xué)校到企業(yè)學(xué)習(xí)沒有足夠的保障，教師的考核與收入依舊還是按照上課課時(shí)分配，對教師的職稱評審依舊停留在學(xué)術(shù)論文的數(shù)量以及層次上，缺少對相關(guān)增材制造技術(shù)實(shí)踐知識(shí)的培養(yǎng)。因此，課程安排不科學(xué)，教學(xué)體系不完善，阻礙增材制造技術(shù)人才轉(zhuǎn)型的順利進(jìn)行。

2.理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)比例失衡

增材制造專業(yè)是一門不僅需要技術(shù)同時(shí)也需要實(shí)踐的項(xiàng)目。想要將增材制造技術(shù)學(xué)好，需要的不僅僅是理論知識(shí)，更加需要去實(shí)踐，將自己所學(xué)到的技術(shù)一一去踐行。如今，中職院校里增材制造專業(yè)的教學(xué)方式還是傳統(tǒng)的以班教學(xué)，讓授課老師傳授理論上的知識(shí)，缺少與時(shí)俱進(jìn)的增材制造專業(yè)教學(xué)手段，無法將科學(xué)的增材制造專業(yè)教學(xué)案例運(yùn)用到實(shí)際教學(xué)當(dāng)中，出去實(shí)踐的機(jī)會(huì)也是少之甚少。在大多數(shù)的中職院校，問題討論被老師講授所替代，動(dòng)手實(shí)踐也被簡單的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目所取代。

3.增材制造技術(shù)人才培養(yǎng)目標(biāo)不明確

中職院校增材制造技術(shù)教學(xué)的主要目的是培養(yǎng)社會(huì)上增材制造技術(shù)專業(yè)技術(shù)人才，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)際動(dòng)手能力，解決更多中職學(xué)生的就業(yè)選擇問題。然而，海南很多中職學(xué)校并未對市場需求進(jìn)行調(diào)研，不了解社會(huì)及相關(guān)企業(yè)對增材制造技術(shù)人才的需求情況，這直接導(dǎo)致培養(yǎng)目標(biāo)和實(shí)際需求兩極分化，使得學(xué)生就業(yè)更加困難，不能保證學(xué)生的就業(yè)率。中職院校的培養(yǎng)目標(biāo)應(yīng)該是培養(yǎng)中低水平的技術(shù)服務(wù)型人才，因此學(xué)校應(yīng)該注重培養(yǎng)增材制造技術(shù)學(xué)生的實(shí)際操作能力。

四、增材制造技術(shù)在海南中職教育的應(yīng)用分析

1.擴(kuò)大知識(shí)覆蓋面，拓寬就業(yè)渠道

增材制造技術(shù)被看作是工業(yè)領(lǐng)域的重要科技突破，認(rèn)為是“第三次工業(yè)革命”的重要技術(shù)之一。可用于珠寶設(shè)計(jì)、建筑工程、航空航天、醫(yī)療行業(yè)、教育行業(yè)、GIS、機(jī)械工程等領(lǐng)域[3]。

2.教學(xué)模式革新，便于中職學(xué)生理解抽象知識(shí)

增材制造技術(shù)易于將抽象的設(shè)計(jì)快速物化，變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，這極為方便對教學(xué)、設(shè)計(jì)進(jìn)行分析論證，同時(shí)也方便學(xué)生直觀學(xué)習(xí)。海南中職學(xué)生普遍基礎(chǔ)較差，專業(yè)課中有些知識(shí)過于抽象，不易理解，教師可以利用增材制造技術(shù)，根據(jù)實(shí)際授課需要，打印出所需的實(shí)物模型，將不易理解的抽象理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為具體的、可視化的實(shí)物模型，最終呈現(xiàn)在課堂上，中職學(xué)生便可以輕易理解這些抽象知識(shí)，形成交互式教學(xué)模式。對于中職院校學(xué)生來說，理解一個(gè)抽象的知識(shí)點(diǎn)，可視化的實(shí)物模型勝過教師或書本上成千上萬條的語言描述[4]。

3.豐富課堂，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

在海南的中職學(xué)校，很多學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)興趣，特別是一些比較抽象化的專業(yè)課程。增材制造技術(shù)能將抽象的設(shè)計(jì)快速物化，變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。教師可以打印出與教學(xué)相關(guān)的教具或作品，使學(xué)習(xí)變得生動(dòng)有趣。在一些乏味的課堂中融入增材制造技術(shù)，讓學(xué)生積極主動(dòng)參與到課堂教學(xué)中，從而大大激發(fā)學(xué)生對知識(shí)獲取的興趣，提高學(xué)習(xí)的效率[5]。與此同時(shí)，學(xué)生對設(shè)計(jì)理念有了新的看法與轉(zhuǎn)變，他們采用增材制造技術(shù)可以讓零件、模型、作品更加生動(dòng)和形象，這也極大的激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。同時(shí)，教學(xué)過程中，要求學(xué)生之間的相互協(xié)作來完成制作的過程，培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)意識(shí)，也能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。所以，在海南中職教育中引入增材制造技術(shù)來輔助教學(xué)，能使學(xué)生積極主動(dòng)參與到教學(xué)活動(dòng)中，豐富課堂活動(dòng)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力與創(chuàng)造力，利于學(xué)生的協(xié)作能力的發(fā)展。

4.培養(yǎng)教師及學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)

近年來，隨著增材制造技術(shù)在教育領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，一些學(xué)者提出了增材制造技術(shù)輔助創(chuàng)新教育的理念。增材制造技術(shù)能利用3D打印機(jī)將抽象的設(shè)計(jì)快速物化，變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。利用這一特性，一方面，教師可以用增材制造技術(shù)對教學(xué)模式進(jìn)行創(chuàng)新與優(yōu)化，使其符合學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，也能培養(yǎng)教師的創(chuàng)新性；另一方面，教師可以借助增材制造技術(shù)，根據(jù)中職學(xué)生的現(xiàn)狀對教學(xué)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，積極正確地引導(dǎo)學(xué)生，開展有效的教學(xué)活動(dòng)，讓學(xué)生主動(dòng)地參與到教學(xué)中，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。因此，在海南省中職教育領(lǐng)域中，應(yīng)用增材制造技術(shù)進(jìn)行輔助教學(xué)，對教師提出了更高的要求，需要從教學(xué)模式、技術(shù)等方面進(jìn)行創(chuàng)新，同時(shí)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生自主地參與到教學(xué)中，提高學(xué)生的創(chuàng)造性思維能力以及動(dòng)手解決問題的能力。

五、結(jié)語

從增材制造技術(shù)的發(fā)展來看，由于技術(shù)的不斷改進(jìn)以及使用的便捷，增材制造技術(shù)越來越受到制造業(yè)的青睞。在未來，它將成為解決設(shè)計(jì)和成型問題的重要途徑。無論是素質(zhì)教育發(fā)展的需要，創(chuàng)新教育的自身價(jià)值體現(xiàn)，還是海南中職學(xué)生自身整體素質(zhì)的提高，增材制造技術(shù)都應(yīng)該作為一門專業(yè)技術(shù)課在海南中職學(xué)校進(jìn)行教學(xué)，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)中職學(xué)生創(chuàng)新能力的提高，為社會(huì)提供更多優(yōu)秀的應(yīng)用型人才。