3D打印创新教学实验室及其应用

谭跃刚， 陈章念， 张 帆， 周祖德， 陈雅辉

(武汉理工大学 机电工程学院，湖北 武汉 430070)



3D打印创新教学实验室及其应用

谭跃刚， 陈章念， 张 帆， 周祖德， 陈雅辉

(武汉理工大学 机电工程学院，湖北 武汉 430070)

3D打印技术成为第三次科技革命关注的焦点，逐步应用到各行各业。3D打印在教育领域的应用能够架起理论和实践的桥梁，改变传统教学模式，提高创新和创造力。但对比国外，远未发掘出3D打印技术在教学中独有的激发创新应用的能力。本文利用3D打印技术，研究构建一种创新教学实验室，根据实际教学应用，分析了3D打印创新教学实验室在教学中的作用，提出了全新的基于3D打印的创新教学模式。3D打印创新教学实验室将会成为教学创新不可或缺的组成部分，对教学改革具有重要意义。

3D打印； 创新教学； 教学实验室； 教学模式； 做中学

0 引 言

3D打印技术是快速成型制造的一种，又将多种高新科技集成于一体。这两种特性结合使得3D打印技术可应用于模型验证科学假设和不同学科实验及教学，在众多学科中可以起到辅助作用，在教育领域大有所为[1-3]。国内外教学机构正在研究探索如何将这项技术更好地应用到教学领域中，充分发挥3D打印技术的独特优势使得学生不仅可以在快速成型制造的帮助下更轻松地学习到专业知识，还可以激发他们的创新设计技能，并对他们未来的技术素养和职业发展都会产生深远的影响[4]。

美国弗吉尼亚大学开设3D打印课，教授学生通过3D打印技术制造出一架模型飞机并成功试飞，飞机的所有零部件都是通过3D打印制造的[5]。明尼苏达星站(STARBASE Minnesota)是一个由美国国防部资助的、旨在培养学生的科学、数学和技术兴趣的非营利教育项目。该项目始于1993 年，主要教授航天主题的短期课程，项目的主要活动是让学生以工程师的身份参与，通过3D打印为探索火星的模拟任务设计和建造模型火箭提供了丰富的技术环境，鼓励学生自信地发展自己的技能和能力[6]。美国Fab@school(学校工厂)试点项目可以帮助教师创造集设计和3D打印于一体的课堂，项目目的是创造儿童工程师，迄今为止，大约有350名四五年级学生和10名教师体验了该课程[7]。我国3D打印研发机构主要集中在清华大学、北京航空航天大学、华中科技大学、西安交通大学、西北工业大学等著名高校，部分研究成果已处于世界先进水平[8-9]。清华大学x-lab的AOD 3D打印团队致力于为小学初中教育打造3D奇思妙想课堂，让学生边玩边学，边学边做。合肥中科大阿巴赛教育是国内首家3D打印技术培训机构，专注于提供3D建模、3D扫描、3D内雕、3D打印机组装调试等课程培训内容。杭州先临TEACH教育课程由浙江大学创新中心研发，旨在将创新教育的思想理念和3D打印的前沿科技结合，通过线上互联网和线下学校培训机构的多元合作，将成功模式复制至更多科技教育领域，成为国内最优秀的科技创新教育品牌。

3D打印技术为教育创新打开了一扇窗，目前也有在不同学科领域内使用3D打印机辅助教学的例子，例如在电子学学科制作设备外壳，在化学学科制作立体分子模型，在生物医学学科制作病毒、器官、人工关节模型等[10]。

1 3D打印创新教学实验室在教育中的作用

3D打印技术能够渗透到各个学科之中，帮助多个学科教师和学生在知识和技能、理论和实践之间架起桥梁，丰富教师的教学方式，极大地调动学生的学习兴趣。3D打印技术在教学中的应用，主要有教学教具、创新设计、团队协作三种模式[5]，见图1。三种模式相辅相成、相互融合，3D打印技术应用在学科基础知识教学的课堂中，教师和学生可以自主为课堂制作教学

图1 3D打印在教学中的应用模式

教具，教具制作的过程也锻炼学习能力，为开设创新设计课堂提供条件；学生在学习实验室针对性设计的创新课程过程中激发了创新能力，提高了学习兴趣；同时在完成学习任务过程中，往往需要相互帮助，团队协作，在这一过程中也提升了交际能力和团队合作能力。

3D打印创新教学实验室在教学教具、创新设计中所体现的作用又可分为教学目标及内容、教学工具和验证工具三种角色[5]，教学目标及内容即是3D打印技术所包含的三维建模技术、机械工程、分层制造技术、传感器技术、以及新材料技术等专业知识作为教学内容，学生通过学习3D打印技术及使用3D打印机的过程学习到与自身专业相关的知识；教学工具即是3D打印机作为快速成型工具帮助需要建模做创新设计的专业的教师和学生快速实现他们的设计作品，并随时调整和改进；验证工具是指学生建模后通过将模型快速成型来验证模型是否合理以及实现模型的最优化，充分打造了探究式学习环境，培养学生的自主思考和解决问题能力。

3D打印创新教学实验室在团队协作下使3D打印技术为教与学提供了新的教授学习形式，将教师与学生的从教与学的关系，转变为团结合作的关系，使学生得到更多的动手参与机会使得课堂理论与实践紧密结合，更利于知识的吸收与运用。教育工作者在构思3D打印技术课堂的课程设计时，要巧妙地融入多做、多思考、多创新的思维在其中，以提升学生自主解决问题和学习能力为方向，将3D打印技术的独特优势利用到最优，让学生在玩中学,在与其他人协作中完成学习任务。

2 3D打印创新教学实验室及其应用模式

2.1 3D打印创新教学实验室

3D打印创新教学实验室由3D打印设备、3D打印教学平台和专业指导人员构成,见图2。

图2 3D打印创新教学实验室的组成

3D打印创新教学实验室主要采用与专业课程相结合的形式，为教师和学生创造自由创新的创客空间。3D打印设备给学生提供大量的实践操作机会，教学平台课程内容覆盖从打印机组装到调试，从模型设计到打印等，学生参与并在专业指导人员指导下完成，在这个过程中将极大促进学生动手能力、思考能力和解决问题能力。动手能力是学生知识掌握程度的检验，思考能力是学生自主动脑思考思维的前提，解决问题是学生以后职业生涯所需的重要能力[11-13]。3D打印创新教学实验室的目的就是让学生在掌握知识和培养动手能力的基础上，进一步锻炼其研究能力和创新能力。

2.2 实验室包含内容

3D打印创新教学实验室秉持“触觉教育”、“创客文化”和“DIY”观念，以3D打印设备、教学平台和专业指导人员配备基础设备，开展项目内容包含教学科研、课堂融合、工程实践、创新设计，搭建基础设备[14]。3D实验室架构见图3。

“触觉教育”即是学生从设计、制作、展示、参与等角度融入到学习过程中，将他们的创新设计变成实物[15]；“创客文化”是鼓励学生学习针对性设计的实践课程，在学习中激发创新思维，推动创新精神和创造能力发展；“DIY”是指设计实验室教学课程中融合了更多学生动手操作的环节，三者相结合使学生的动手能力、设计能力和思维能力等得到全面发展和提高。

图3 3D创新教学实验室构架图

2.3 实验室组成

(1) 3D打印设备。实验室的3D打印硬件设备包含3D打印机和3D扫描仪。3D打印机有开放式打印机和框架式打印机两种，既能满足对3D打印机本身的研究，又能满足3D打印功能的需求。硬件打印设备构成了3D打印与3D扫描反求的闭环应用，见图4。

(2) 3D打印教学平台。3D打印教学平台的核心思想是以3D打印技术教学为基础，以多学科融合的实践应用为方法，以提高创新创造力为目标，平台包括教学平台、边学边做、远程监控、资源共享等功能，包含3D打印基础技术、3D建模、设计、实践、验证等内容。在学习3D打印技术的过程中，还涉及到多学科交叉的实践课程，从不同方向激发学生的学习兴趣，掌握所学知识，学会分析问题与解决问题的方法打下坚实的基础。主要内容为：①教学平台包含3D课堂教学、自定义教学课堂、远程教学平台、师生交流专区、答疑专区；②边学边做包含3D打印模拟、3D打印在线、3D打印课程实践等；③远程监控包含3D打印机监控、打印任务管理分配、设备调度等；④资源共享包含STL文件、G代码和相关软件下载、3D打印知识库、3D创意模型。资源库均开源共享。

(a)开放式3D打印机(b)框架式3D打印机

(c) 3D扫描仪

(3) 专业指导人员。3D创新实验室专业指导人员由不同学科背景的教师和博士生组成，包括机电学科、信息学科、材料学科等。其拥有深厚的技术积累，具有软硬件一体化解决能力，还有强大的专家顾问团指导。实验室内专业指导人员均对3D打印技术研究有1年以上经验，对3D打印机固件、控制系统、切片软件、打印机组装、维修、调试等均达到专业水准。专业指导人员、3D打印设备及3D打印教学平台相结合形成完善的与教学相融合的知识体系。同时在实验室营造创客精神，在教学过程中，营造创新创造氛围。

3 实验室应用

以“武汉理工大学—英国伯明翰大学”智能机械联合实验室为基础建设的3D打印创新教学实验室见图5。实验室包括20台开放式桌面3D打印机， 5台框架式3D打印机和三维扫描仪，能够每次为40名学生提供创新实践教学，同时可为学校大学生创客提供服务支撑。学生参与积极性高，已培训300余名学生。

图5 3D打印创新教学实验室

如机械设计课程中的基础知识“平面四杆机构”，传统教学只能通过课本讲解和画二维平面图的方式来理解。3D打印创新教学实验室设计此课程按照问题引导、原理分析、边学边做、创新设计的步骤，首先由教师提出任务，学生分组讨论对任务进行分解分析，根据分析结果制作草图，在教师指导下建成三维模型，然后打印出模型，这个阶段需判断模型是否合理可行，若不合理或方案不可行，学生则需重复任务分析，直至建立的模型合理可用。打印出合格的模型后，教师和学生进行模型学习交流，彼此给出评价，最后教师根据课堂任务完成情况进行总结，课程设计流程见图6。

图6 课程设计的流程图

3D打印创新教学实验室建立了机械机构实验课程，可展示曲柄摇杆、双曲柄及双摇杆等机构的结构形式和工作原理，并有动态原理分析图和三维模型，可根据机构设计模型进行3D打印，让学生在边学边做中理解机构原理，见图7。

图7 杆长实验

图8为学生通过3D打印自主完成制作的小贱钟，巧妙运用课堂上学习的机构原理、电路控制、电机伺服以及计算机编程等知识，组建起具有自动书写和擦除时间重新再写功能的小贱钟，使学生掌握理论知识更加扎实，同时锻炼了动手能力，真正做到了理论与实践相结合，学生的学习兴趣和自主思考能力得到了极大的提升。

图8 学生自主完成的小贱钟

4 结 语

3D打印在教学创新应用中具有重要作用，构建了知识与技能、理论与实践的桥梁，可较大增加学生动手机会和丰富教师的教学方式，3D打印创新教学实验室使得3D打印的独特优势成功地在教学中得到应用，效果表明学生动手实践后能快速准确地掌握专业知识，学生的创新思维得到锻炼，对学生独立思考探索能力有大的提升。对于以后3D创新教学实验室的建设提出以下建议：

(1)3D打印创新教学实验室的建立对教育者提出了新的要求。在3D打印创新教育应用中教师起着引导作用。既要制作特制的教具还需要设计课程实践活动内容，培养学生对知识的运用和动手能力，巧妙地将创新思维植入课堂中传输给学生，这需要教师具备较全面的3D打印知识及丰富的教学经验。

(2)3D打印创新教学实验室的建设需要加强理论教学的深度融合和建设。“任何技术都倾向于创造一个新的人类环境”，3D打印技术的出现亦是如此。随着技术的进步发展，全球教育领域正在发生着革命性变化，需要更加深入分析3D打印创新教学实验室的建设理论，有针对性地加强对学生的创新能力培养，这是我们能够在未来世界科技竞争中实现制造业赶超的根本保证。

[1] 李小丽,马剑雄,李 萍.3D打印技术及应用趋势[J].自动化仪表,2014,35(1):1-5.

[2] 江 洪,康学萍.3D打印技术的发展分析[J].新材料产业,2013(10):30-35.

[3] Walters, P. & Davies, K. 3D printing for artists: research and creative practice[J]. Journal of the Norwegian Print Association, 2010(1):12-15.[4] Esienbeerg M. 3D printing for children: What to build next? [J].International Journal of Child Computer Interaction, 2013, 1(1):7-13.

[5] 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.

[6] Paul G. McMenamin, Michelle R. Quayle, Colin R. McHenry. The Production of Anatomical Teaching Resources Using Three-Dimensional (3D) Printing Technology [J]. Anatomical Sciences Education, 2014, 7(6):479-486.

[7] 胡迪·利普森,梅尔芭·库曼.3D打印:从想象到现实[M].北京:中信出版社,2013：167-169.

[8] 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.

[9] Mauro Vaccarezza,Veronica Papa,3D printing: a valuable resource in human anatomy education[J]. Anatomical Science International, 2015, 90(1):64-65.

[10] Barry Berman.3-D printing: The new industrial revolution[J].Business Horizons, 2012, 55(2): 155-162.

[11] Michele Moorefield-Lang, Heather,Makers in the library: case studies of 3D printers and maker spaces in library settings[J]. Library Hi Tech, 2014, 32 (4): 593-583

[12] 李涤尘.3D打印技术:创新与创业的利器[J].中国远程教育,2014(24):69-69.

[13] Horejsi, Martin,Teaching STEM with a 3D Printer [J]. The Science Teacher, 2014, 81(4): 10.

[14] 朱志彪,侯海鸽,黄国珍.深化实验教学改革努力培养创新人才[J].实验室研究与探索,2006,25(4): 413-414.

[15] 李英俊,孙淑琴,于世钧,等.多种模式开放实验室培养创新人才的探索与实践[J].实验室研究与探索,2007,26(3):121-124.

Application of 3D Printing Innovation Lab in Education

TANYue-gang，CHENZhang-nian，ZHANGFan，ZHOUZu-de，CHENYa-hui

(School of Electrical and Mechanical Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China)

3D printing technology has become the focus of the third revolution of science and technology, and gradually are applied to all walks of life. The application of 3D printing technology in the field of education is a bridge between the theory and the practice, and can enhance the innovation and creativity and change the traditional teaching mode. But compared with foreign countries, it still has a long way to explore the unique innovative capacity in the 3D printing teaching education. Based on the teaching application of the 3D printing innovation laboratory, the composition and implementation method of the lab are studied. According to the actual teaching effect, the innovation mode of 3D printing laboratory is discussed. The 3D printing innovation laboratory will become an integral part of innovation education which has a great significance to the education process.

3D printing; innovation education; teaching laboratories; teaching model; learning by doing

2015-11-25

中央高校基本科研业务费专项基金(155204001)；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)

谭跃刚(1959-)，男，重庆人，博士，教授，博士生导师，主要研究方向：3D打印技术在教学中的应用。

Tel.：15308656298；E-mail：ygtan@whut.edu.cn

G 424.31

A

1006-7167(2016)09-0246-04