3D打印技术在技工院校教学中应用的研究

高玉忠

摘 要：3D打印技术是一项基于材料堆积的先进技术，出现于20世纪80年代。虽然它不是新技术，但是近年来却成为大家关注的热点，由军工领域逐渐进入民用领域。但在教育应用领域，特别是技工教育领域，3D打印技术起步较晚，还处于试验阶段。本文介绍了3D技术在技工院校的教学应用以及在技工院校的未来前景。

关键词：3D打印 材料堆积 技工教育 教学应用

3D打印技术被誉为“第三次工业革命”的重要技术之一，会对多个行业和领域产生重大的影响。3D打印技术的出现让个性化的定制与生产成为可能，在珠宝设计、鞋类设计、航空航天、汽车产业、食品等领域有广阔的应用空间。但是，在教育应用领域，特别是技工教育领域，3D打印还是一项比较新的技术，对大家来说还比较陌生，有许多问题值得研究和探讨。

一、3D打印技术的概念

从专业的角度来说，3D打印技术其实就是快速原型制造（Rapid Prototyping Manufacturing）技术或者快速成型技术。3D打印是一种利用三维立体软件模型的相关数据，通过逐层增加材料的增材制造方式，与传统的加工工艺（削材制造）完全相反。它的工作原理和一般打印机基本相同，3D打印机内装有液体树脂或金属粉末等“打印材料”，通过数据线与计算机端口连接，利用计算机控制打印机把相应材料逐层堆积，最终把设计的三维立体模型变成实物。3D打印机不需要任何加工设备，就可以把计算机中的任意三维立体图形数据，生成相应的形状，因此大大缩短产品的更新换代周期，提高了生产率，降低了生产成本，这都是传统加工工艺无法比拟的。3D打印技术融合了机电一体化技术、网络技术、三维建模技术、机械、材料等方面的前沿技术，具有相当高的科技含量。

二、3D打印的工作原理及特点

1.3D打印技术的原理

3D打印技术是一种堆积制造技术，通过逐层打印的方式来制造产品。尽管目前打印机使用的材料和工艺不同，但是3D打印的基本原理都是根据要打印的三维模型，一层一层堆叠而成。比如PLA/ABS材料，就是在3D打印机喷头内将其加热后形成丝，然后将丝一层层地堆起来，形成三维实物;液体树脂材料，就是3D打印机的喷头于托盘上喷洒一层液态物质，利用紫外线进行处理，形成固体后逐层堆积形成三维实体;金属粉末材料，利用激光照射金属粉末，让粉末融化冷却形成固体后再逐层堆积形成三维实体。无论是哪种3D打印材料，都是一层层的堆材料，而不是像传统的加工工艺那样把材料削去，3D打印技术堆叠人们需要的部分，传统的加工工艺去掉人们不需要的部分，两者的加工方法是截然不同的。

2.3D打印技术的特点

3D打印技术的优势是不需要机械加工和磨具，能直接从电脑三维图形数据打印出任何形状的物体。传统的制造技术是减材制造技术，即通过车床、铣床、机床等机械加工工具将原材料制造成产品，其典型的特征是削减不需要的材料来生产零件。与传统的加工工艺相比，3D打印技术有以下特点。

（1）个性化设计制作

用户可以根据自己的需求，通过建模软件构建所需的三维模型，进行个性化的创作，制造出传统加工设备无法制造的外形。

（2）高材料利用率

3D打印技術是增材制造技术，通过对材料一层层堆积形成所需产品，此过程可以做到原材料零浪费，并且在实际加工过程中不需要生产线，降低了生产成本。

（3）缩短新产品的研发周期

传统的产品制作往往要先进行模具的设计、制作，再制作模型，后续还要进行修整操作，这使得制作周期很长，然而3D打印技术可以省略一些步骤，缩短新产品的研发周期。

三、3D打印技术在技工教育应用的分析

1.3D打印技术在技工教育应用的现状

经过几十年的发展和国家政策的扶持，3D打印技术在一些领域较为成熟。但在教育领域，尤其在职业技工教育领域，未得到大面积普及和推广。3D打印技术直到最近几年才在学校有了初步的发展，一些技工院校在积极的研究和探索，希望将此技术应用到实际的教学中去，有的学校还开办了3D打印专业，但这些都还在探索阶段。技工院校作为为国家培养高素质技能型人才的基地，在教学和实践中普及3D打印技术就显得十分必要。

2.3D打印教学的理论依据

无论在理论教学还是实验教学过程中，3D打印技术都将发挥重要的作用。教师可以根据自己的教学需要，用3D打印机打印出各种各样的理论课件模型，创造一种全新的教学活动方式。下面从戴尔“经验之塔”理论和教学理论的角度，对基于3D打印技术的教学活动进行分析。

（1）“经验之塔”理论与3D打印技术

“经验之塔”理论是用一个学习经验的三角形宝塔图来表示不同学习方式的学习效果，将人们的经验分为三大类：做的经验、观察的经验和抽象的经验。

学生用3D打印机打印三维实体时可获得丰富的“做的经验”，用建模软件设计三维模型时可以获得丰富的设计制作经验，通过展览3D打印的作品，可以使学生获得丰富的“观察的经验”，这些感性经验给学生的学习提供了很大的帮助。3D打印技术可以将教学内容中某些抽象复杂的理论知识进行具体化展现，使学生更好地理解“抽象经验”，从而提高思维能力和迁移能力。

（2）教学理论与3D打印技术

教学理论方法中的实验教学法，让3D打印技术得到充分运用。实验教学法是学生在教师的指导下，使用一定的仪器设备和材料进行实验操作，观察和研究这种操作引起现象和过程，以获取相关知识的教学方法。在课堂上，学生可以在教师指导下使用3D打印机，在打印过程中发现问题并总结经验。

综上所述，3D打印技术是虚拟现实技术的延伸，它使人获得更真实的感觉，进一步促进了人的思维能力的发展，它与教学的融合势在必行

3.3D打印技术在技工教育课堂教学的应用

3D打印技术在技工院校课堂的理论教学中发挥着重要的作用。教师可以根据自己的教学需要用3D打印机打印各种各样的三维实体模型，将抽象复杂的理论知识转化为具体的实体模型，使学生可以更形象更具体的理解所要学习的知识。一个具体的实物胜过成千上万条语言的表述。将3D打印技术运用到教学中，可以将抽象的理论知识变得更容易理解，加深学生对知识的理解，提高学生的学习效率，更有助于知识的迁移。下面从几个专业介绍3D打印技术在技工院校的应用。

（1）机械设计专业

在机械设计专业的理论基础课或者专业课中，为了使学生更好地理解和掌握所学知识，需要使用教具辅导课堂教学，如机械设计的齿轮啮合装置、机械原理的四杆机构、机械制图的一些复杂的三维立体模型等。随着技术的快速发展，新的专业技术不断涌现，教材每过几年就会更新，但教具却没有淘汰，这导致了教材内容和教具不匹配，会直接影响到课堂的教学效果。有了3D打印技术后，教师可以根据教学需要自己打印教具，也可以让学生参与到教具的制作过程，学生还可以观察和组装这些教具，从而激发学生的学习兴趣，教师可以更好地掌控课堂，还可以减少教学成本，不用再买教学教具了，这种教学方式肯定要比原来的教学效果好。

（2）建筑专业

建筑专业的学生在设计作品的过程中一般都要用Auto CAD、Sketchup、3D MAX等软件，进行一系列的结构形状设计。电脑上三维模型肯定没有实物直观性，并且还容易忽略一些细节问题。如果采用传统的方法制作作品实体模型，时间长且不合格率极高，所需的费用也是很大的。但利用3D打印技术，学生只需要在电脑上设计好作品三维模型，然后把数据输入打印机中，利用打印机在很短的时间内打印出1：1或者缩小、放大模型。学生在设计初期就可以发现问题和不足，及时对自己的设计方案做出调整，教师也可以及时给予帮助和指导，避免更大的错误。

（3）车辆工程专业

车辆工程专业的学生都要学习相关的理论课程，如理论力学、材料力学、汽车理论、汽车构造等。在传统的理论教学中，往往都是教师单纯地讲解知识，学生被动接受。比如汽车构造这门课程，在讲解过程中汽车的各组成件只能通过二维图像来观看，这不利于培养学生的学习兴趣和空间想象能力。有了3D打印技术后，教师可以根据教学需要来打印汽车的各组成件，通过三维实体模型让学生更好地理解汽车相关理论和组成件;学生还可以根据汽车各组成件来组装汽车整车，参与到教学中来，也加强了学生的动手能力，教师可以更好地掌控课堂。往常汽车设计时，学生在电脑上设计好三维立体模型，通过观看虚拟模型来查找设计的不足，并作出改正。这种设计方法是有缺陷的，粗心大意的学生会忽略一些细节。有了3D打印机后，学生可以打印各种各样的汽车实体部件，更便于查找设计中的不足。

四、3D打印技术在技工教育领域的发展前景

3D打印技术在技工院校的应用中还面临着很多需要解决的問题，如成本、材料以及师资的培训。在实际的教学中，要如何选择价格低且能快速打印，具备高精度，低故障的打印机;如何选择安全无毒的材料进行3D打印，以及在预算的范围内如何进行培训，让任课教师准确快速地掌握三维建模软件和3D打印机的使用，都是需要解决的问题。但3D打印机将复杂抽象的知识变得更容易理解，打印出与教学相关的教具，更好地把教师的教学思想传递给学生;可以使学习变得更有趣，让学生自发的参与到教学中，从而大大激发了学生的学习兴趣，提高他们的创新意识;更全面地为教学服务，每所学校可以根据学校自身的需要来打印适合的教具。相信在未来的教学中，3D打印技术有着广阔的前景。

参考文献：

[1]王永淇，孙佳.3D打印技术及其在职业教育领域中的应用[J].辽宁农业职业技术学院学报，2017（19）.

[2]彭志强.3D打印技术在高职机械专业教学中的应用[J].湖南铁路科技职业技术学院学报，2014（1）.

[3]王冠.听障高职动漫专业教学中3D打印技术的应用[J].现代特殊教育，2015（4）.

（作者单位：青岛市技师学院）