职业院校开展3D打印技术的课程教学实践与研究

袁晨峰

[摘 要] 3D打印随着关键技术的进步，以及社会发展的需求，被广泛地应用于各行各业。3D打印行业用人需求不断扩大，职业教育开展3D打印技术教学，为社会培养3D打印技术应用型技能人才尤为重要。主要介绍了开展3D打印技术教学的实践经验，对3D打印技术的核心课程提出建设性意见，为职业院校开设3D打印技术课程提供参考。

[关 键 词] 3D打印；职业教育；教学实践；课程建设

[中图分类号] G712 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2018）14-0176-02

一、引言

随着产业的升级，特别是围绕工业4.0、《中国制造2025》等要求，社会需要大批高素质技能人才，蕴含着职业教育加速发展的巨大潜力，要求职业院校师生具备创新的精神与能力。职业学校开展3D打印技术课程的教学，推进课程建设适应新技术、新模式、新业态的发展，以课程创新推动职业学校教育教学改革与创新、提升办学质量。

二、3D打印技术的发展概况

3D打印以数字模型为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式构造物体的技术。3D打印技术可以制造任意复杂的三维几何实体，通过离散或堆积成型的原理，将十分复杂的三维制造过程简化为二维过程的叠加，成型过程无需专用工具或夹具，通过对CAD模型的修改重组就可获得新零件的设计和加工信息。3D打印技术有高度集成的特点，集成了CAD、CNC、激光、材料等技术，对设计约束越来越小、工件制造技能低、可由逆向工程实现精确复制，3D打印技术在各个领域都有越来越广泛的应用[1]。

三、开展3D打印技术教学的重要性与迫切性

（一）从人才需求角度出发

我国3D打印行业的快速发展和广阔的市场前景，使越来越多的企业开始涉足其中，相应的企业对3D打印专业人才的需求也越来越旺盛。目前我国3D打印行业的专业人才缺口超过千万，制造行业对3D应用人才需求最大，且需求还在不断攀升。

我国3D打印行业所需人才按分工不同可以大致分为：上游技术和材料研发企业所需的3D打印技术研究、材料开发人才；中游设备生产商所需的3D打印机生产研发人才；下游服务商所需的3D打印机营销、售后服务以及3D打印服务等方面的技术应用人才。面向机械、模具、机电设备制造、汽车、家具和玩具制造等企业，培养具有基本的科学文化素养、良好的职业道德、较强的就业能力和一定的创业能力，从事3D打印设备操作、3D打印设备装配维修、设备销售、新产品的手板制作、产品设计、个性化定制创业等工作的技术应用人才，显得尤为重要以及迫切[2]。

（二）从3D打印创新角度出发

3D打印技术在模具制造、工业设计、珠宝、鞋类、建筑、工程和施工、汽车、航空航天、牙科和医疗产业、教育以及其他领域都有越来越广泛的应用。由于拥有传统制造业所不具备的优势，3D打印技术被看成第三次工业革命的使者。在全球范围内，3D打印正在掀起一轮技术革新热潮。为应对新一轮科技革命和产业变革，我国制定《中国制造2025》，坚持创新驱动、智能转型、强化基础、绿色发展，加快从制造大国向制造强国的转变。在进入“工业4.0”时代的今天，信息化广泛而深入地融合到各行业，作为最能体现“工业4.0”特点的3D打印技术，如何推动我国创新设计水平提升，从而促进我国从制造大国向制造强国转型，成为当下的重要课题。

（三）从教学改革角度出发

《国家增材制造产业发展推进计划（2015-2016年）》将3D打印技术发展规划推到国家战略高度，特别强调了3D打印教育的推广和普及，加快3D打印技术人才的培养，鼓励院校与企业联合办学或建立3D打印人才培训基地。围绕职业院校学生3D 打印创新教育的展开，结合国内教育特点及其与国际教育的差距，学生普遍存在的想象力和创造力不足等问题，提倡创客教育以数字化工具为基础，采用项目式学习方式，有真实产品产出，强调学习与现实的联系，培养学生的创新思维和动手能力。3D打印设备作为目前安全、经济、智能的创新造物手段，是培养学生创造力最理想的工具，有望成为我国教育改革的新引擎。据了解，国内外已掀起创新教育热潮，各地教育机构及校外培训机构纷纷涉足创客教育领域[3]。

四、3D打印技术教学的实践

随着技术的发展，企业对3D打印技术人才需求越来越大，广州市轻工职业学校围绕《中国制造2025》等要求，开设3D建模与打印技术专业，蕴含着职业教育加速发展的巨大潜力，为社会培养高素质技能人才。广州市轻工职业学校3D建模与打印技术专业目前拥有3个班共120名学生，新建成3D打印实训中心，包括三维设计室、FDM打印操作室、SLA打印操作室、装调与后处理室等，配备各种不同型号3D打印设备与3D扫描仪超过30台，开设了产品建模、逆向建模、3D打印技术综合应用等课程[4]。

同时，开设了3D打印兴趣社团，组织参加会展、走进社区等丰富多彩的活動。3D建模与打印技术专业师生积极参加各项比赛，在2015年全国机械职业院校“三维数字建模与制图”技能大赛获得二等奖，在2016年、2017年广州市青少年3D打印创意设计比赛中均获得一等奖，在2018年广东省职业院校技能大赛中职组3D打印赛项中获得二等奖等优异成绩。3D打印是极具前景的专业，应培养更多精于技术、善于创新的技能创新人才，推进专业建设，适应新技术、新模式、新业态的发展。

五、3D打印技术核心课程建设的研究

（一）机械设计与3D打印技术工学结合课程

培养学生的工程计算能力和简单机械的零部件的设计能力，同时结合3D打印技术进行制作，也为后续课程学习打下基础。熟悉常用机构、常用机械传动及通用零部件的工作原理、特点、应用、结构和标准，掌握常用机构、常用机械传动和通用零部件的选用和基本设计方法，具备正确分析、使用和维护机械的能力，初步具有设计简单机械传动装置的能力。结合3D打印机，分析掌握3D打印的工作原理、打印机分类、打印机装调与简单故障排除等相关技术，进行机械结构设计与3D打印制作。

（二）产品设计与3D打印技术工学结合课程

该课程不仅包括对产品功能、结构、材料、工艺以及产品形态、色彩、表面处理、装饰工艺等方面的设计，同时3D打印机作为课程实验设备，基于项目式教学形式，通过课程的学习，学生需要掌握如何应用三维设计软件来表达头脑中的创意，并通过操作3D打印机等最新的数字化制作设备把自己丰富多彩的创意变成实物。本课程的目的就是让学生全面了解技术与艺术、设计与审美文化的相互关系，拓宽学生视野，改善知识结构，培养学生的创新能力，使其能与3D打印技术专业的知识有机结合起来。通过本课程的学习，使学生对工业产品造型设计的具体运作过程有一定的了解和兴趣，为学习后续的专业课程及从事3D打印技术相关工作打下基础。

（三）逆向建模与3D打印技术工学结合课程

逆向技术，主要是针对于正向工程而言。正向工程是从产品设计到产品生产，是一种“从无到有”的设计过程，而逆向工程则是对一种产品设计技术再现的过程，即通过一定的技术和手段对产品进行逆向分析和探究，通过数字化设备和技术以及CAD等制图软件构造曲面或者实体，形成一个三维模型，进而演绎并且得出该产品的生产流程、功能特点、结构特征以及技术规格等设计要素，最终制作出功能相近但又和原产品不同的一种“从有到新”的设计过程。开设逆向建模与3D打印技术工学结合课程，主要内容有3D扫描技术概论、3D扫描仪基本原理、3D扫描仪的基本操作、Geomagic系列软件应用、逆向建模及3D打印制作。学习后能使用三维扫描仪对手板、样品、模型进行扫描，收集模型数据，使用逆向造型软件重构三维模型，最后能运用3D打印机对逆向原模型进行复制[5]。

（四）3D打印技术综合应用工学结合课程

能够把前面课程所学的知识，如机械设计、产品设计、逆向建模与3D打印技术相结合，基于项目式教学模式，学生通过设计研讨与启发，运用机械设计与制造的相关知识，设计产品功能与结构；从材料、结构、工艺以及产品形态、色彩、表面处理等方面进行外观设计；使用三维软件进行建模，然后用3D打印机进行工件的制作、组装；在此过程中，需要对3D打印机进行装调、故障排除等步骤熟练的操作。对3D打印完成的产品，进行分析与改进，利用逆向技术，使用3D扫描仪采集数据与逆向建模软件进行点云处理及逆向建模；使用3D打印设备进行产品复制与改造。最后，把整个产品的设计阶段、制作阶段、逆向改进阶段等过程总结为产品報告书。

六、结语

为适应经济社会发展需要，深化教育综合改革，更需要让职业院校师生也具备创新的思维与能力。开展3D打印技术的课程，经过3D打印项目式教学的实践，把创新思维转化为实际成果，并融入教育教学工作中。以3D打印技术的核心课程建设为载体进行教学研究与实践，推进课程建设适应新技术、新模式、新业态的发展。职业院校开展3D打印技术教学，为社会培养了3D打印技术应用型技能人才，满足了3D打印行业不断扩大的用人需求。

参考文献：

[1]《国家增材制造产业发展推进计划（2015-2016年）》发布[J].印刷技术，2015（8）：13-17.

[2]杨三艳.浅谈3D打印技术在机械类课程教学中的应用[J].职业教育研究，2014（10）：166-168.

[3]李彬.3D打印技术在任务驱动教学法中的应用[J].考索·探微，2015（5）：211-212.

[4]罗烽.开设逆向工程实训课程的探索[J].现代教育技术，2011（5）：145-148.

[5]王克欣，张红哲，梁延德，等.工程训练中设置“3D打印技术”实训课程的研究[J].实验室科学，2015（4）：138-140.