浅谈3D打印技术在采矿工程教学中的应用与研究

李阳 柳小波 刘芹 王连成

摘要：采矿工程是一门具有复杂性、整体性、系统性特点的学科，其特点导致了采矿教学的难度大，对教师的高质量授课提出了更高的要求，然而当前的教学模式不能很好地解析采矿方法与采矿工艺过程，使空间想象力不足的学生无法更好地理解采矿工程各个要素。3D打印技术作为一种新兴技术，应用到采矿工程中，将为采矿工程专业课程教学提供一种新的有效方法。采用形象具体、可自由组装的3D打印实体模型，将很好地改进教学方式方法，提高学生的理解能力和创新能力，对采矿工程教学改革具有重大意义。

关键词：3D打印技术；采矿工程；教学；应用与研究

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）31-0256-02

计算机辅助教学是在计算机辅助下进行的各种教学活动，以对话方式与学生讨论教学内容、安排教学进程、进行教学训练的方法与技术。这一技术已广泛应用于高校教学过程中并获得了一定的效果，但课件属于传统的平面教学模式，缺乏直观的立体感，所以在教学中容易使学生产生视觉疲劳，影响教学效果。在科学技术大力发展和先进技术广泛应用的大背景下，已经有众多高校将现代技术引入到课堂教学中，其中就不乏有教师在了解了3D打印技术原理后，提出了将3D打印技术应用于难以理解的专业课程教学与研究上，这其中既有机械类的课程教学应用，也有地理教学方面的应用。在这种情形下项目组大胆尝试将3D打印技术应用于采矿工程的教学与研究中，利用3D打印机打印出矿山实体模型来指导教学工作，让复杂的理论模型变得清晰易懂。

一、概述

（一）當下传统教学模式

目前，3D打印技术还没有引进到采矿教学中，对于采矿方法的学习一直是采矿工程学生的软肋。在传统矿业类课程教学中，教师讲解矿山模型的具体构造、原理等，一般通过计算机辅助教学和矿山模型的三视图。尤其是在采矿方法的学习中，不同的采矿方法有着不同的结构，对于空间想象能力较差的同学很难在脑中想象和构建三维立体图。

因此，传统的教学实践中通常都存在一些问题：静态的平面教具（如图片等）不能很好地反映矿山实体模型的形状、结构，采矿方法也不能直观地表示出来；传统的采矿教学主要以课堂为主，学生的设计和创新能力培养不足；传统教学方法很难调动学生的学习积极性和学习乐趣。

（二）采矿专业课程特点

采矿专业方面的课程艰涩难懂，课程新概念多、理论性强，其中涉及大量的、难以理解的抽象知识，学生学习起来都有很大的难度，如矿山模型的学习对学生的三维模型构建能力和想象能力做出了很高的要求，但很多学生在这方面的能力却很薄弱。在文字语言和图形语言的互相转化时，学生不易在头脑中建立相应的理论模型。如果用3D打印矿山实体模型来展示和说明，课堂气氛会立刻活跃起来，这时学生可以通过观察和感知矿山实体模型中各个部分，认识和理解它们的含义，提高学习效率。这样不仅会激发学生的兴趣，提高课堂注意力，同时也可以使学生充当设计者、参与者，利用绘图软件制作矿山模型，然后通过3D打印机将其输出，引发他们对知识的联想与探知，达到“举一反三”的一个效果。

二、3D打印在教学模型制作中的应用

（一）3D打印技术颠覆了传统观念的教学思想

通过AutoCAD、3D Mine等建模软件来建立三维矿山模型，通过3D打印机将模型输出，把二维图形转换成三维立体图形，把抽象的三维模型转化成3D打印实体模型。老师在讲解这一复杂的、多样性的结构时，就容易讲解明白各个不同井巷之间的联系与区别，各个井巷之间的功能。学生通过对不同结构的认识和区分，对不理解的部分深入探讨，这样能帮助学生清晰明白地理解这一重要、复杂的井巷结构。

（二）3D打印技术应用于采矿教学的优点

1.可改善采矿工程教学方式方法。采矿工程是一门具有复杂性、整体性、系统性等特点的学科。在采矿教学中，教师和学生接触的是较为复杂的立体几何，需要较强的空间想象和构造能力。在采矿教学中，对现实中的立体是采用三视图来体现的，大多数学生很难在脑中构建出完整的立体图，很难达到预期的教学效果。3D打印技术的发展为解决这一难题提供了新的途径，3D打印技术本身并不是课程的重点，这类课程采用项目的形式，主要目标是将抽象的概念变成有趣的问题来解决，进而帮助学生掌握抽象概念。

教师在讲解开拓系统、采矿方法的时候可以采用计算机与书本相结合，再加上3D打印教具辅助教学的方式，通过展现3D打印矿山实体模型给同学们具体地讲解矿山元素的各个要点以及开采过程中的具体流程。同时，基于矿山“标准零件”的思想，教师在经过模型讲解后，可以让学生自由组装模型，激发学生的好奇心和学习兴趣。

传统的课题教学模式都是“灌输式”的，学生被动吸取，学习效率不高，没有自主性；而采用学生自己动手组装、拼接、设计模型的方式，学生自己发挥自己的想象力，再通过建模软件（AutoCAD、3DMine）建立数字模型然后实体输出，将自己设计的开采方法与老师和同学们讨论，借鉴其他好的建议然后不断改进自己的设计方案，这样也就有了更多的见解和更深的理解。

2.可激励和辅助学生进行创新设计。通过电脑直接将设计打印成微缩模型来构造设计方案，而不用花很多时间手工制作。作为参与、设计者的角色，一方面通过自己设计、自己制作的方法来提高空间想象和构建能力，直接对矿山实体模型进行讲解，更能够表现自己的设计思路，以及矿山的生产过程。另一方面，采用3D打印建立模型来展现实体流程的新颖方式，学生也将发挥自己的创造力将其应用于各个方面，如可以应用于矿山开采过程中的深部开采，开采过程中的人员信息集成（将矿山开采中所有人员的实时位置等相关信息通过3D打印实体矿山模型集成与可视化的桌面上），或者也能将这种方法引申到其他学科的深奥专业课学习中等。这样的教学和学习方法可有效提高学生的参与和思考能力，培养学生的创新和创造能力。

3.可提高学生的实践能力和参与团队协作意识，激发学生的学习积极性。3D打印需要学生的实践操作，从三维模型设计到实体打印，都需要他们参与完成，这将促进学生操作、观察、制作和团队互助能力的发展，全面提高学生的动手参与能力。同时，3D打印将激发学生DIY的兴趣，通过3D打印机，学生的构思转变为真实的立体彩色模型，将抽象概念和设计带入现实世界，使学习更加生动。3D打印技术的出现使得学生可以从设计、制作、展示、参与等角度融入到学习过程中，有效地激发了学生实践的积极性，提高了学习热情。

三、对3D打印教学应用的思考

3D打印技术在当前教育领域的应用越来越多，但在未来的发展中，仍然有某些方面需要进行进一步的思考和持续探索。

（一）3D打印将成为未来教学改革发展的新方向

像采矿工程这种系统性的工程还有很多，在探索未来教学改革的过程中，3D打印将成为一些较为复杂的学科的改革新方向，这一新模式应用于教学将很好地改进传统教学模式，3D打印技术在教学方法中的比例会越来越大。

（二）3D打印技术将推动教学模式呈现多元化发展

从最初的因材施教慢慢转变为老师集体教学和采用各种辅助方式来教学，其中的实物展示、课堂演示、实习，到后来的计算机辅助教学、ppt、视频也出现在课堂教学模式中，现如今3D打印技术也将出现在课堂中，这将很好地推动未来的教学向更加多元化、人性化的方向发展。像采矿工程这种整体性、系统性、复杂性的课程学习将出现多种教学模式并存的模式。

（三）3D技术尚需要全面推广

3D打印技术的快速发展推动了许多产业的发展，但相应的流程还不是很完善。首先，3D打印的普及与推广就存在很大的问题，这次我们的项目也是3D打印技术在矿山实体模型中的建立和输出过程中的初次尝试。我国在3D打印技术的培训与推广方面，与其他国家相比还有差距，需要进一步推动新技术的学习。因此，我們需要关注并参与到最新的工业革命和教育变革中，对原有教学课程进行优化设计和再造，加强创新型人才培养，这是我们未来能够在竞争中保持先进地位的根本保证。

四、结语

3D打印技术作为一种新兴技术，被应用在各个领域，教育领域将是未来3D打印技术推广应用的重要市场之一。采用3D打印技术，教师可以制作出任意复杂、形象化的三维实体教具，用于课程的教学演示，使许多原本枯燥的课程和课程设计变得生动有趣，使学生从学习者变成设计者、参与者，有利于培养学生的创新能力。作为教育工作者，应该积极学习提高，在将来的实践探索中，找到更多更好的教学模式和教学方法，为现代技能型人才的培养做出更大的贡献。

参考文献：

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