浅谈3D打印技术在实践教学中的应用

2015-08-28潘爱琼张辉张建强刘军

中国教育技术装备 2015年14期

关键词：打印机学习者教学

潘爱琼++张辉++张建强++刘军

摘要在分析3D打印技术原理和在实践教学中应用现状的基础上，结合实际教学案例，探究教学应用模式。3D打印可应用于课堂情境教学，深化知与行的交互性，有助于学习者进行课外创新，增强综合技能，提高就业竞争力，便于开展产学研项目。

关键词 3D打印；实践教学；创新能力

中图分类号：G642.44 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2015）14-0058-03

Simply Talking about Application of 3D Printing in Practical Teaching//PAN Aiqiong， ZHANG Hui， ZHANG Jianqiang， LIU Jun

Abstract 3D printing is still in its infancy phase in our country. Based on the principle of 3D printing and its current application situation， this paper discusses the pattern of its application in practical teaching with actual examples. 3D printing could be used in class situational teaching， deepening the interactivity of knowledge and practice. This technology could promote the creativity of students， enhance their integrated ability， increase the employment competitive strength and help to carry out the cooperation of production， study and research.

Key words 3D printing； practical teaching； innovation ability

1 引言

近几年“3D打印”成为先进技术的代名词，有关3D打印的新闻占据着各大媒体科技报道的主要版面。其实3D打印技术并不是一项新兴技术，它产生于20世纪80年代，由于当时工业机型成本巨大，只有3DSystems、DTM等少数科技公司进行了相关研究及工业应用。经过近30年的不断发展和完善，3D打印技术已渗透到各个领域，如汽车制造、航空航天、文化娱乐、医疗假肢、创意设计、生活用具等领域。甚至英国《经济学人》刊文认为，3D打印技术将与其他数字化生产模式一起，推动新的工业革命的实现。美国《时代》周刊也将3D打印列为美国十大增长最快的工业。《新媒体联盟地平线报告：2014高等教育版》指出：3D打印技术应用于教学能够帮助学习者获得深刻而有成就体验的学习，并提出未来2～3年3D打印将走进教学[1]。因此，探讨3D打印技术在我国教学实践中的合理应用至关重要。

2 3D打印技术简介

“3D打印”是通俗叫法，其学术名称为快速原型技术（Rapid Prototyping Manufacturing，RPM），也称增材制造技术（Additive Manufacturing，AM）。其工作原理是：先设计零件的三维模型，再利用切片软件将此三维数字模型分层切片，获得打印件各切片层的横截面信息，最后采用3D打印机把丝状、粉末状或液体状材料，通过逐层堆叠累积的方式制作出立体产品。整个制备过程不需要模具，也不再需要传统的刀具、夹具和机床，缩短产品的生产周期，降低原型产品的开发成本；且理论上可打印任意复杂形状的工件，加工柔性化大大提高。

3D打印过程的关键设备是3D打印机，它是集机械、控制及计算机技术等为一体的复杂机电一体化系统，主要包括高精度机械系统、数控系统、喷射系统和成型环境等，此外还涉及新型打印材料的开发、不同设备不同材料打印工艺的研究、产品创新设计等众多方面[2]。当今科技日新月异，随着学科交叉综合加强，要求学生具备全面的知识结构，而3D打印技术恰能为学生提供一个综合性技术知识的学习途径，因此，3D打印技术在高等教育领域的应用能为我国开辟新的教育模式[3]。

3 3D打印技术在教学中的应用现状

欧美国家已将3D打印技术广泛应用于实践教学中，美国走在3D打印技术教学应用的前列，政府部门大力支持将3D打印技术与学校教育结合。2013年2月，美国总统奥巴马在国情咨文演讲中强调了3D打印技术的重要性。2013年11月，作为全球最大的熔融沉积3D打印机厂商，美国Makerbot公司计划让全美所有学校拥有3D打印机。2014年6月，美国白宫举办了历史上第一次创客DIY发布会，美国总统第一次宣布在全美引入3D打印机产业，推进中小学教育改革[4]。

3D打印技术在我国教育领域的应用还处于初级阶段，但已引起部分地区的重视。2014年5月，浙江省经信委联合省内多家企业向83所学校捐赠了3D打印机，用于对该技术的普及教育。成都锦江区拟建全国首个3D打印教育示范区，培养学生的创新能力和动手实践能力。中国3D打印技术产业联盟正在和地方政府合作，计划两年至少采购2000台桌面机[5]。同时，青岛、上海、苏州等多地的部分中小学也引进了3D打印设备，用于提高学生的探索精神。

不难发现，3D打印技术在我国教育领域中的应用多数处于科普阶段，而在该技术发展程度较好的高校，如清华大学、北京航空航天大学、华中科技大学、西安交通大学等，主要工作集中在工业级设备的研制和开发，也较少将3D打印技术用于教学创新中。

4 3D打印技术在教学实践中应用模式探究

3D打印技术用于课堂情境教与学以莱夫为代表的情境学习理论认为，知识寓于情境之中，学习者通过具体活动能更好地获得知识，强调知与行的交互性。而我国教师在教学中普遍实施的是灌输式教学法，教学模式僵化。3D打印技术对于教师和学习者的重要价值体现在，它能够更加真实形象地呈现特定事物，并让学习者获得深刻的感知体验。利用3D打印机可将任何有益教学的模型打印出来，最终呈现在课堂上，教师可以更容易将抽象问题进行深刻解析，学习者也可通过实物模型加深对知识的理解、加工[6]，

形成交互式教学模式。在桌面3D打印机巨头MakerBot举办的数学工具模型大赛上，爱好者制作了各类创意教具，并用3D打印机将创意立体化为三维实物，提高学习者的学习兴趣[7]。

实践证明，教学中采用自制生动教具，课堂氛围更加轻松。图1为学生自行设计并打印的球齿轮模型，图2为变速齿轮模型。3D打印教具的使用可促使学习者将已有知识经验与实际问题进行联系，深化知识和意义；使教师从知识权威转变为学习者学习的促进者，有利于引导学习者应用习得的知识来解决“现实”问题。

3D打印技术用于课外创新实践活动创新是一个民族进步的灵魂，提高自主创新能力、建设创新型国家必须依靠创新型人才。而我国教育工作者针对如何培养人才创新能力难题一直在努力探索。许多学校创建了科技兴趣小组以鼓励学生创新，但往往一些创意思想都囿于现实而被迫终止。当学生试图将创意付诸实践时发现，即使标准零部件仍需去市场上逐一甄选，过程繁杂，而非标准件则必须找代工厂进行单件生产，加工周期长且价格昂贵，这些困扰在很大程度上消减了学生创新的积极性。

3D打印的出现彻底改变了这一现状，任何创意设计都不再局限于传统加工能力的局限，3D打印机可以快速打印出学生DIY过程所需的零件，学生几乎可以足不出户就能将创意变成成品。3D打印技术可激发学习者对某些科学过程或现象进行可视化展现，便于学习者进行科技发明或创新制作，能为学生创新制作提供一种更加高效的形式。荷兰学生已用桌面3D打印机打印赛车参加2014环保马拉松。

3D打印技术用于培养大学生的综合技能当今社会对人才知识形式要求发生剧烈变化，从传统的单一知识形式转变为多领域知识融合形式。3D打印对于中小学生可简单定位为一种科普教育，而高等教育是一种专业教育。因此，3D打印机对于大学生不仅仅是一种模型制作设备，更应该通过对打印设备的系统学习，深入掌握所涉及的各种技术知识。

如前所述，3D打印技术是一种集多领域知识于一体的技术形式，它要求学生综合学习机械设计、计算机技术、控制技术、光学技术、材料科学等多种新兴技术，这就必然促使大学生加强多领域知识的学习与融合，契合当今社会对综合型人才的需求。

3D打印技术用于提高大学生就业竞争力近年来我国大学生就业问题日益突出，其根源在于人才培养与社会需求脱节，存在“两张皮”现象。部分专业的课程设置和课程内容不能与时俱进，与社会岗位对专业人才的要求不相符合。2014年9月，人力资源咨询机构WANTED Analytics发布报告表示，四年来市场上对具备3D打印与增材制造相关技能的人员需求量持续上升；2014年8月，3D打印行业的招聘广告数量比去年同期增长103%，且相关岗位的人员招聘难度系数最高达到60%，企业很难招聘到具有此项专门技术的人才，人才缺口十分巨大[8]。

目前，我国还没有设置3D打印专业，仅出现小规模具有高效背景的培训机构，远不能满足市场对3D打印人才的需求，所以亟待将3D打印技术融入课堂教学，将人才培养与社会需求结合起来，可以大大提高学生就业竞争力。

3D打印技术用于开展产学研项目技术作为连接知识与生产的桥梁，不仅是知识的应用与物化，要进行构思设计，还要直接作用于生产过程，进行产品开发与制造。因此，积极开展产学研项目合作是把握技术的理论性与实践性之间发展规律的重要环节。

3D打印技术用于开展产学研项目有利于培养学生科研能力，增强科研转化能力。对于高校，一方面可对3D打印技术进行深入科学研究，另一方面应向企业提供共享服务。如青岛高新区引进西安交通大学快速制造国家工程研究中心卢秉恒院士团队，帮助其打造完整的3D打印产业链；与中科院自动化所共建青岛智能产业技术研究院，建设3D打印社会资源平台等，形成双赢的局面。

5 结束语

3D打印技术以其独特的优势广泛应用于诸多领域，能极大促进业内人士的创新实践。本文通过对该技术在我国教育领域发展现状的分析，提出3D打印技术在高等教育教学实践中的几种应用模式。3D打印技术可用于改革我国传统的灌输式教育模式为情境教育，它将充分挖掘学生的创新潜力和拓宽学生的思维空间，有利于培养大学生的综合知识技能和提高就业竞争力，3D打印技术在我国高等教育教学实践的应用具有广阔前景。

参考文献

[1]约翰逊，亚当贝斯克尔，卡明斯，等.新媒体联盟地平线报告（2014高等教育版）[J].北京广播电视大学学报，

2014（2）：14-36.

[2]王雪莹.3D打印技术与产业的发展及前景分析[J].中国高新技术企业，2012（26）：3-5.

[3]王萍.3D打印及其教育应用初探[J].中国远程教育，

2013（8）：83-87.

[4]Kraft C. White House Maker Faire Fact Sheet Has Been Re-

leased[EB/OL].[2014-06-18].http：//makezine.com/2014/06/

18/white-house-maker-faire-fact-sheet-has-been-released/.

[5]3D打印教育培训标准正制定[N/OL].[2014-05-15].http：//

news.163.com/14/0515/01/9S8IG87300014AED.html.

[6]李青，王青.3D打印：一种新兴的学习技术[J].远程教育杂志，2013（4）：29-35.