面向大学生创新教育的3D打印教学实验平台研究与应用

尚　雯　谭跃刚　张　帆　周祖德　娄　平

（武汉理工大学，武汉430070）

面向大学生创新教育的3D打印教学实验平台研究与应用

尚雯谭跃刚张帆周祖德娄平

（武汉理工大学，武汉430070）

3D打印作为第三次科技革命的重要工具广泛应用于各个领域，3D打印与教育的结合逐渐被教育界所重视。本文通过对3D打印教育应用现状与所面临问题的研究，设计了面对大学生的3D打印教学实验平台，论述了平台的设计思想、功能体系、工作流程以及在创新教学中的实践应用。平台作为3D打印实验室创新教育的重要组成部分，为学生提供了一个高效快速的学习工具，为老师和学生之间搭建了交流合作的桥梁，提高了创新与合作能力。

3D打印技术；教学平台；创新教育

一、引言

3D打印是近年来逐渐兴起的热门领域，在国内外以星火燎原之势迅速发展。3D打印技术是一种新型的快速成型技术，是“第三次工业革命最具标志性的生产工具”［1］。随着科技的发展，3D打印已逐渐渗透到工业、医学、建筑、教育等领域。随着技术的发展，我们生活的方方面面都会与3D打印息息相关。然而3D打印的技术门槛使得很多人都处于观望状态，没有真正的参与进来［2-3］。

近年来，一些国家已经开始重视3D打印在教育领域的应用。从2012年10月起，英国开展了为期一年的试验项目。选中21个试点学校，将3D打印与数学、物理、计算机、工程、设计等课程相结合，呈现出一种新的教学方式，推动教学创新［4-8］。世界上最大的桌面3D打印机制造商MakerBot近期提出，他们正在与布鲁克林区区长洽谈，准备在布鲁克林近千所学校内，推动3D打印机的普及和应用［9］。国内的一些中小学以及一些大学也引进了与3D打印相关的课程。2014年起，南京市教育装备与勤工俭学办公室先后组织了两期“中小学‘3D打印’专项装备学校应用培训”，对中小学老师进行集中培训，为3D打印走进校园做准备。

但是，国内外有关3D打印的教育仍处于起步阶段，很多学校没有足够多熟悉3D打印技术的老师，这使得3D打印技术的普及速度大大降低。因此，需要构建一个学习和交流的平台，整合教育、技术及设备等资源，方便不同阶段的学生进行自主学习。目前国内外已经出现了一些类似的平台，比如美国的Shapeways公司、3D System公司的cubify capture、新西兰的Ponoko以及MakerBot公司［10］，国内的公司有叁迪网、广东省工业设计中心以及杭州先临快速成型技术有限公司等设立的3D打印服务中心［11］。由于这些公司面向的主要对象是企业或个人，平台更侧重于服务，并不适合广大学生群体。有些机构也开始尝试3D打印在教育上的应用，但多数以提供3D打印机、3D扫描仪为主，无法解决3D打印与教育如何融合、如何应用、如何提高学生创新能力的问题［12］。针对以上问题，我们研究了针对大学生的3D打印教学平台，作为3D打印实验室的重要组成部分，引导学生进行自主学习，团队合作，交流共享，提高学生的动手能力和创新意识。

二、3D打印教学平台的设计

1.教学平台的设计思想

3D打印教学平台是3D打印创新实验室的重要组成部分，是一个面向创新教育的资源共享平台，整合了教育、技术、设备等资源，为学生提供自主学习的工具，激发学生探索新知识的热情。平台的主要设计思想如图1所示。平台以资源库为核心，以实际问题为引导，以创新设计为目的。通过3D打印机与实验相结合的边学边做的方式，掌握原理；通过3D打印实现具体案例，用所学原理解决问题；通过学习多个案例，掌握综合知识应用，利用3D打印实现创新设计。旨在培养学生的思考、自学、动手、解决问题以及创新创造这五大能力。通过3D打印与不同领域学科的结合，让学生在问题驱动下，完成提出问题、分析问题、解决问题的全过程，以自主探索式学习为主，以教师引导为辅的方式，颠覆传统的教学模式。

图1　平台设计思想

2.教学平台的体系结构

3D打印教学平台的实现采用SSH集成框架结构。该框架结构符合J2EE标准，是一个分布式结构，支持多种主机类型，多操作系统以及多数据库。使得平台易于扩展和维护，能够满足平台跟随不同场景不断丰富的要求。平台的结构体系如图2所示。

图2　教学平台的结构体系

教学平台的开发主要分为六个层：

线下物理层：该层主要是指学校中的实验室以及3D打印设备，为3D打印教学平台提供设备支持。学生可以根据在平台上的学习情况完成相关的打印设计任务。

用户层：主要是提供给老师、学生及其他3D打印爱好者一个学习、交互的界面。

应用层：该层接收来自于用户层的数据，并将数据传给业务层进行处理，然后返回用户需要的信息。

业务层：该层接收应用层的数据，并调用持久层进行逻辑处理，最后把处理结果返回给应用层。

持久层：该层主要是对数据库操作进行封装，并返回数据到业务层进行进一步处理。

数据库层：数据库用来存储老师、学生等用户的信息，老师上传的课件以及3D打印模型库与案例知识库等，实现平台用户之间的资源共享。

三、3D打印教学平台的功能

根据教学平台的设计思想，主要包含用户管理、3D打印教学专区、交流答疑以及模型库。平台主要功能及相互关系如图3所示，以资源库为核心，通过富有特色的教学案例来提高学习能力和创新能力；通过开放式的讨论交流区，加强团队之间的合作与共享；通过不同用户管理来定义教学中的不同角色，多个功能之间相互协同，共同服务于3D打印创新性教育。

图3　平台主要功能及相互关系

1.用户管理

用户模块主要是起到教师和学生相区分的作用。可以对用户的信息进行存储、管理。为不同的用户分配不同的权限。用户主要分为未注册用户、注册用户以及系统管理员。未注册用户只能浏览模型库及教学专区的教程。注册用户可以访问平台的每个模块并进行交互。系统管理员对用户分类及用户信息、权限进行管理，对用户上传的课件、模型进行审核。

2.3D打印教学专区

教学专区主要分为基础知识专区、机械原理专区、控制原理专区，如图4。前者是对打印机的基本操作及原理介绍，使学生能迅速的掌握打印机的使用。机械原理专区是对打印机相关的机械原理进行介绍，使学生对打印机有更深入的了解。

图4　教学平台界面

3.答疑交流区

答疑交流区以开放式论坛的形式让多种思想能够交流碰撞，解决同学们在学习过程中遇到的包括软件、硬件、结构等各个方面的问题或分享自己的见解，同时为3D打印创意提供交流的空间。比如用户可以在这里讨论打印机相关软件——打印机控制、切片以及扫描仪等软件的使用和优化；硬件方面涉及打印的精度、材料、控制电路、固件等；结构方面涉及打印机的结构设计，外观设计等；以及一些小组件的设计、小制作等。目的是让任何有创意的想法都能够通过大家的交流得以实现。

目前大学中的教学模式多为传统教学模式。老师作为课堂的主体向学生讲授课程内容，学生是一个被动学习的角色。这种以理论教学为主的教学方式，往往与实践脱节，学生不容易理解，兴趣不足，没法达到理想的教学效果。

针对以上问题，3D打印教学专区将理论教学与实验教学结合起来。不同于以教师课堂教授理论知识为主的传统教育模式，课件教学把这些枯燥、难懂的理论知识运用二维、三维模型模拟实验过程，把抽象的原理形象化。激发学生的学习兴趣，也培养了学生的空间思维能力，提高了想象力。课件通过问题引导、原理介绍、边学边做以及创新设计这四个步骤引导学生进行自主探索，把学生变成课堂的主角。学生还可以根据学到的知识，在老师的引导下自己设计模型并打印，锻炼了学生的动手能力和创新能力。

4.模型知识库

模型知识库是教学平台的支撑模块，包括基础模型和创新设计案例。模型知识库按照不同的课程类别进行分类，比如物理课程、力学课程、电学课程、机械课程等。学生可以在每个分类下浏览相关的实验模型或设计案例并下载打印完成实验，也可以对已有的设计进行改进上传自己的作品。模型知识库为教师和学生提供了一个资源共享、知识迭代、创意展示的平台，激发了学生的创新创造能力。

四、实例展示

3D打印教学平台的主界面如图5所示，展示了3D打印实验室的布局、平台的主要功能、最新课程等，并可以灵活部署在云服务器上，以“互联网+3D打印教育”的方式，不仅可以在课堂上应用，还能够让教育走出课堂，走进生活，随时随地展开创客活动。

模型库界面如图6所示，作为资源共享区，这里显示了所有用户上传的模型。可以实时查看自己感兴趣的模型，不需要专门的软件就可以进行3D预览和下载编辑，提供知识库的积累。还可以对模型进行评价交流，为以后的浏览者提供参考和持续改进模型提出意见。模型库不仅为用户提供了一个丰富的资源库，也为用户提供了一个存储中心。用户可以把自己的设计上传到模型库，需要时再查找下载，把传统的书本教学迁移到线上空间，大大提高了学习、工作的效率和便利性。

图5　3D打印教学平台主界面

图6　模型库界面

教学专区包含了与课堂知识深度融合的教学案例。如图7所示，以学习机械原理课程的齿轮传动为目的，设计了齿轮实验案例。案例分四步引导学生在自主学习中掌握原理，并能够学以致用。

图7　齿轮实验

首先，由齿轮传动动画引发同学们的思考，引出案例的主要教学内容，明白齿轮会用在生活中的哪些方面；然后，通过几组不同齿数比的齿轮实验介绍齿轮传动的原理，同学们可以通过键盘控制齿轮组转动，并实时观测各个齿轮的旋转角度然后总结旋转角度与齿数比的关系；接着是一个挤料实验，这个实验模拟了打印机的挤料过程，通过不同的齿数比来控制打印机的挤料速度，使同学们对原理有更加深入的了解；最后，创新实验模拟汽车离合器的功能，把实验原理运用到生活中，激发同学们的创新性思维。同学们还可以继续深入，通过平台模型库模型和建模软件进行设计，利用3D打印机实现自己的汽车离合器，不仅学会了齿轮知识，对其他跨学科知识都有很好的了解。学生还可以通过学习到的原理，自己设计相关的齿轮传动模型，如图8为同学们打印的两个实例。整个教学过程都是以学生为主导，老师只是辅助同学们解决学习中的疑惑。这样既减少了老师的工作量，也是锻炼了学生自主学习、创新创造的能力，使得课堂教学更加高效。

图8　齿轮传动应用实例

目前，武汉理工大学已经建立了面向本科生的3D打印创新实验中心，已有200多名学生参与其中，同时培养了多个以3D打印为依托的创新团队。在无老师指导的课堂中，同学们通过教学实验平台自主学习3D打印操作、3D打印相关的控制以及机械方面的基础知识，并在平台的引导下完成系列的创新设计，并通过平台分享创新成果，进一步丰富了教学实验平台的知识库。3D打印创新团队参加了机械设计创新大赛、节能减排、挑战杯等比赛，都取得了不错的成绩。图9为学生参加比赛作品之一，3D打印出来的用于快递传输过程中分拣的多自由度机械手，快速验证设计的合理性。

3D打印教学实验平台借助互联网思维，把3D打印机技术与多个学科结合，以不断迭代的创新知识库，特色的案例引导，自主的学习模式，形成了针对大学生创新教育的新的方法。

图9　多自由度机械手

五、结束语

3D打印技术在教学领域的应用能够改变传统教学理念，以“触觉教育”、“边学边做”的方式提高学生的动手能力和创造力，为教与学提供了新的模式。如何将3D打印渗透到教学中，并通过3D打印推动教育的变革，这些问题受到了越来越多的关注。3D打印教学平台把3D打印技术与不同课堂元素深度融合，通过资源库、创新案例、开放式论坛、创新实践等方式为广大师生提供了一个学习交流的平台。以3D打印实验室为依托，以3D打印机为基础，以3D打印教育平台为工具，改变传统的以教师为中心的教学形式，让学生在自主探索式学习和交流中提高学生对3D打印技术和相关课程的兴趣，培养学生的创新思维和创造能力。

［1］Manufacturing：The Third Industrial Revolution［EB/OL］. http：//xiaozu.renhe.cn/showtopic/227671，2012.

［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］刘永利.3D打印技术在教学具设计与制造中的应用［J］.科技与管理，2014（24）：83-85.

［4］王萍.3D打印及其教育应用初探［J］.中国远程教育，2013（8）：83-87.

［5］陈功.浅谈信息技术下的网络教育［J］.教育探索，2012（1）：98.

［6］姚利民，段文彧.高校教学方法改革［J］.中国大学教学，2013（8）.

［7］宋朝霞，俞启定.基于翻转课堂的项目式教学模式研究［J］.远程教育杂志，2014（1）：96-103.

［8］肖念.对中国大学教学逻辑改革的思考［J］.中国大学教学，2012（7）：7-9.

［9］3D打印可能进入布鲁克林上千所学校［EB/OL］.http：// 3dprint.it168.com/a2015/0805/1752/000001752035.shtml，2015.

［10］ESIENBEERG M.3D printing for children：What to build next？［J］.InternationalJournal of ChildComputer Interaction，2013，1（1）：7-13.

［11］王忠宏，李扬帆，张曼茵.中国3D打印产业的现状及发展思路［J］.经济纵横，2013（1）：90-93.

［12］刘雪梅，黄剑锋.面向教育的3D打印及其网络化交流平台的研究［J］.中国工程机械学报，2015（1）：82-87.

（责任编辑：张华凡）

A 3D Printing Teaching Platform for Innovation Education of College Students

SHANG Wen，TAN Yuegang，ZHANG Fan，ZHOU Zude，LOU Ping
（Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China）

3D printing technology，as an important tool of the third industrial revolution，is widely used in various fields.The combination of 3D printing and education has gradually been valued in educational community.Through a research on the present situation of 3D printing education，a network teaching platform for various students has been designed.The designing concepts，functions of the system and the working process of the platform are discussed.The framework can provide an efficient and fast learning tool for students and thus build a communication way between teachers and students，which can then improve the innovation capability and teamwork skills of the students.

3D printing technology；teaching platform；innovation education

G642.0

尚雯（1994—），女，硕士研究生，研究方向：3D打印技术；通讯作者：张帆（1983—），男，讲师，研究方向：3D打印技术。

湖北省科技支撑计划项目（2014BAA018）；武汉理工大学教学研究项目（w2014004）。