3D打印技術(shù)在高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育中的應(yīng)用

張景龍，張劍波

(河北政法職業(yè)學(xué)院，河北 石家莊 050061)

3D打印技術(shù)在高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育中的應(yīng)用

張景龍，張劍波

(河北政法職業(yè)學(xué)院，河北 石家莊 050061)

被稱為工業(yè)4.0標(biāo)準(zhǔn)的3D打印技術(shù)正在興起，誰能抓住機遇誰就能把握時代的脈搏，棲身世界強國。3D打印技術(shù)為教育提供了更多的資源和突破口。在高校創(chuàng)新教育中植入3D打印技術(shù)，不僅能讓學(xué)生對3D打印有一個嶄新的認識，而且能通過建模、體驗等方式提高學(xué)生的參與度；在創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育中植入3D打印技術(shù)，通過創(chuàng)意設(shè)計、或與文化產(chǎn)業(yè)相對接，可推動學(xué)生開發(fā)創(chuàng)新思維、開展創(chuàng)業(yè)實踐；將3D打印技術(shù)植入學(xué)生專業(yè)社團，可將第一課堂與第二課堂有機結(jié)合，設(shè)計、開發(fā)3D打印產(chǎn)品，滿足個性和社會需要。

3D打印技術(shù)；創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育；學(xué)生專業(yè)社團

引言

信息技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展把我們帶入了智能制造時代，而3D打印技術(shù)是智能技術(shù)與制造方式相結(jié)合的產(chǎn)物，它是一種新的制造理念，以增材制造代替?zhèn)鹘y(tǒng)的減材制造方式，節(jié)約了資源，提高了效率。而且借助3D打印技術(shù)，可以方便的把我們生活中的精彩瞬間立體呈現(xiàn)并永久保存，可以把想象中根本不存在的造型活生生地呈現(xiàn)在我們面前，可以把任意不規(guī)則、結(jié)構(gòu)無限復(fù)雜的物體快速制造出來。3D打印技術(shù)在創(chuàng)造巨大的社會效益和經(jīng)濟效益的同時，也在悄然地改變?nèi)藗兊纳罘绞剑Ω咝＝逃a(chǎn)生了積極影響。3D打印技術(shù)應(yīng)用于教育，促進了教育形式和教學(xué)內(nèi)容創(chuàng)新和發(fā)展，提高了課堂教學(xué)效率和人才培養(yǎng)質(zhì)量。

1 3D打印技術(shù)在創(chuàng)新教育中的積極作用

1.1 3D打印技術(shù)簡介

3D打印的過程是首先把我們需要的物件能通過三維制作軟件在電腦中形成虛擬三維圖形，再用3D打印機打印成實體的物體。3D打印技術(shù)出現(xiàn)于上世紀(jì)八十年代末，基于其巨大的發(fā)展?jié)摿?，各國政府尤其發(fā)達國家紛紛投入重金進行開發(fā)研究。2012年奧巴馬宣稱，美國要大力發(fā)展3D打印等新技術(shù)，要把“中國制造”變回為美國制造；歐盟投入800億歐元的“地平線2020”計劃支持3D打??；我們國家對此也高度重視，3D打印已成為“中國制造2025”國家重大工程項目(見下圖1)的重要組成部分。

圖1中國制造2025

3D打印技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)前“增材制造”技術(shù)的主要存在形態(tài)[1]，其在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用也日益凸顯。2015年2月，工信部出臺的《國家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進計劃》中指出，要加快3D打印技術(shù)在創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育中的應(yīng)用。縱觀國外關(guān)于3D打印技術(shù)應(yīng)用于創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育領(lǐng)域的研究，可以發(fā)現(xiàn)3D打印技術(shù)已經(jīng)成為高等教育應(yīng)用中主流技術(shù)，國外的很多院校通過開設(shè)3D打印課程與培訓(xùn)、組建興趣社團、舉辦創(chuàng)新大賽等形式提升學(xué)生對3D打印技術(shù)的認知,培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力[2]。

1.2 3D打印技術(shù)將帶領(lǐng)我們進入實體模型教學(xué)時代

以往的教學(xué)中我們用大量的圖片展示教學(xué)內(nèi)容，都知道用圖片記憶比用抽象的文字記憶效果要好很多。但實體模型帶給我們的信息量會更大，代替圖片的話效果會更好。借助3D打印技術(shù)可以方便制造出在教學(xué)演示中所需要各種實體模型。可以說3D打印為取得教育資源打開了一扇大門，使我們可以輕松獲得所需要的教學(xué)工具和模型而且不需要太多的成本。3D打印的優(yōu)勢之一就是產(chǎn)品形狀的任意性和廣泛性，只要我們能夠想到的都可以在電腦形成數(shù)據(jù)模型并驅(qū)動機器操作形成產(chǎn)品。從微觀的原子、分子結(jié)構(gòu)，晶體模型到宏觀的天體結(jié)構(gòu)；從史前生物、人類進化、生物演化到物種的分化；從微觀生物病毒、細菌、細胞結(jié)構(gòu)到生物的組織器官等，只要是人們研究探討過的，我們都可以通過3D打印技術(shù)再現(xiàn)出來形成直觀的實體教學(xué)模型。

3D打印技術(shù)作為教學(xué)輔助工具，創(chuàng)新了教育教學(xué)方式，彌補了傳統(tǒng)模擬教學(xué)設(shè)備的不足，打造虛實結(jié)合的教育創(chuàng)新應(yīng)用平臺，拓展了學(xué)生的視覺空間能力。具體而細致的模型可以直觀地呈現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容，不僅能有效地降低教師教學(xué)難度，而且能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，顯著地提高教學(xué)效果。所謂百聞不如一見，更方便的是教師自己可以根據(jù)需要訂制甚至自己設(shè)計打印出所需的教學(xué)模型和工具。

1.3 3D打印技術(shù)在高校專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用

3D打印技術(shù)與建模課程的結(jié)合，有效地提高了教育教學(xué)質(zhì)量。3D打印技術(shù)的一個重要環(huán)節(jié)就是虛擬三維模型的制作，它需要我們利用三維制作軟件如3ds max、SolidWorks、maya、AutodeskCAD、Zbrush等制作出完整準(zhǔn)確的三維模型，或者是使用三維掃描儀把實物掃描到電腦中，再使用上述軟件進行修正和完善。然后導(dǎo)出3D打印機支持的數(shù)據(jù)格式如*.stl、*.OBJ、*. DAE、*.3ds、*.ply等，不同的打印機支持文件格式可能有差異。通過電腦或U盤輸入到3D打印機，3D打印機中設(shè)置打印物體的大小、精度、層高、支承物等，然后進行打印。

這里有個關(guān)鍵的技術(shù)就是模型的建造技術(shù)，河北政法職業(yè)學(xué)院的三維動畫制作、園林設(shè)計、會展策劃等多個專業(yè)都開設(shè)三維建模課程。建模學(xué)習(xí)過程是很繁復(fù)的，也是非?？菰锓ξ兜?，如果學(xué)生沒有很好的學(xué)習(xí)習(xí)慣、教學(xué)內(nèi)容不生動，就會影響課堂教學(xué)效果。在教學(xué)過程中，引入3D打印技術(shù)，鼓勵學(xué)生把自己制作的三維模型如角色模型、武器道具、甚至是室內(nèi)效果、室外景觀等用3D打印機打印出來，學(xué)生看到自己設(shè)計的作品以實物出現(xiàn)時就有一種較強的成就感，對課程的興趣明顯增大，3D打印的實物不僅能夠直觀地反映出模型創(chuàng)建的質(zhì)量，而且很容易發(fā)現(xiàn)模型創(chuàng)建存在中的問題，有利于對模型的修改與完善。

2 3D打印技術(shù)在高校創(chuàng)新教育中的應(yīng)用

3D打印植入高校教育中促進了學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)業(yè)實踐，3D打印技術(shù)是一種全新的制造理念，它打破了傳統(tǒng)制造技術(shù)中的鑄造、注塑，車、銑、刨、磨、削，插接、縫合、焊接等等的生產(chǎn)方式，3D打印技術(shù)借助智能成型技術(shù)，可以實現(xiàn)物體的多樣性、復(fù)雜化，整體成型等優(yōu)勢，在我們面前展現(xiàn)出一片無限廣闊的天地；青年學(xué)生是思維最活躍、頭腦中最具有無限想法的一類人群，只要合理引導(dǎo)，就能夠有效地激發(fā)高校學(xué)生的創(chuàng)新思維與創(chuàng)造性。借用3D打印設(shè)備，直接將這些創(chuàng)意形成產(chǎn)品甚至商品，從而服務(wù)于社會。

2.1 3D打印技術(shù)拓寬了教育教學(xué)思路

3D打印技術(shù)的制造理念應(yīng)用于課堂實踐教學(xué)中激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)造性思維，3D打印的模型可以用于培養(yǎng)學(xué)生的自主創(chuàng)新能力和自我探究能力[3]。

1．利用3D打印技術(shù)實現(xiàn)了常規(guī)產(chǎn)品設(shè)計的精致化，3D打印通過電腦設(shè)計和計算，在制作精準(zhǔn)外形的同時還能夠形成更加科學(xué)合理的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而大大提高產(chǎn)品的實用性。比如，在同等強度的產(chǎn)品組件上，可以大大的減輕重量，這在某些領(lǐng)域如航空航天工業(yè)是革命性的進步，用某位國防高官的話說，在殲擊機上，每減輕1克的重量，其價值要高于1克黃金的價值。圖2左邊傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)飛機配件，右邊就是學(xué)生設(shè)計并用3D打印機打印出的相同材料相同強度的飛機配件。其重量僅僅是傳統(tǒng)配件的16%。

圖2飛機配件

2．3D打印技術(shù)的應(yīng)用使復(fù)雜的結(jié)構(gòu)簡單化。3D打印多采用熔融凝固技術(shù)，理論上支持任意形狀和大小的物體，例如時裝、橋梁、房屋、汽車、飛機等。把不需要拆裝和沒有相對移動的物件盡量地設(shè)計成一體，用3D打印機成型，與傳統(tǒng)制造方式制造物品相比，質(zhì)量更輕，結(jié)構(gòu)更牢固，操作更方便。有效地節(jié)約資源，節(jié)約能源，降低成本。人們把3D打印稱為第四次工業(yè)革命是毫不夸張的。(圖3)為空中客車未來(2050年)3D打印的概念客機項目。

圖3空客概念機

2.2 3D打印技術(shù)與文化藝術(shù)相結(jié)合，促進文化產(chǎn)業(yè)發(fā)展

3D打印技術(shù)與藝術(shù)的結(jié)合，使專業(yè)復(fù)雜的藝術(shù)教育趨于簡單化，降低了雕塑家的門檻，讓非藝術(shù)專業(yè)的學(xué)生入手藝術(shù)設(shè)計和制作變得容易。為高校學(xué)生提供了就業(yè)創(chuàng)業(yè)的機會，推動了文化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

計算機圖形處理技術(shù)的發(fā)展，使現(xiàn)在的藝術(shù)表現(xiàn)形式不再拘泥于紙筆和刻刀，用手繪板連接電腦，學(xué)生們就可以在三維制作軟件或是雕刻軟件中縱橫馳騁，充分發(fā)揮想象的空間，創(chuàng)作出各種形狀、各種顏色的物體，而且可以保存，可以復(fù)制，可以無限地修改，操作失誤了可以撤消，不滿意了可以從頭再來，而完全不必擔(dān)心材料的損失，只要有耐心，就可以做到盡善盡美。完成的作品用3D打印機打印出來，可以用低價的ABS材料或PLA材料，也可以打印成銅像或不銹鋼雕像。成品可以自己留著欣賞，也可以作為禮物送人，當(dāng)然也可以作為商品出售。即使不用3D打印機打印出來，創(chuàng)建好的三維模型也可拿到網(wǎng)上出售。只要有好的創(chuàng)意，只要有精細的制作，就可以獲得可觀的收入，這不僅增加了大學(xué)生就業(yè)的機會，也是學(xué)生創(chuàng)業(yè)的一條有效的途徑。圖4為網(wǎng)站三維模型出售及周收入排行。

圖4出售排行

3 3D打印在學(xué)生創(chuàng)業(yè)教育中的應(yīng)用

在河北政法職業(yè)學(xué)院，依托三維動畫設(shè)計等專業(yè)，成立了多個以學(xué)生為主體的3D打印創(chuàng)客空間、興趣小組。將3D打印技術(shù)植入這些學(xué)生專業(yè)社團，實現(xiàn)第一課堂與第二課堂有機結(jié)合，讓學(xué)生在體驗中學(xué)習(xí)、探究，激勵學(xué)生根據(jù)個性或社會需求設(shè)計、開發(fā)3D打印產(chǎn)品，激發(fā)了其創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)熱情，取得了較好的教學(xué)效果。

3.1 3D打印技術(shù)可有效滿足人們對個性化訂制服務(wù)的需求

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，人們的物質(zhì)生活水平越來越高，在滿足基本生活需求后，追求個性化和訂制服務(wù)逐漸成為一種消費趨勢和消費時尚，人們需要服裝鞋帽可訂制生產(chǎn)、需要居室裝修可訂制生產(chǎn)、需要交通工具也可訂制生產(chǎn)等。這些個性化產(chǎn)品的生產(chǎn)對傳統(tǒng)制造工業(yè)的大批量標(biāo)配流水線的生產(chǎn)模式提出了挑戰(zhàn)。如果用傳統(tǒng)的機器設(shè)備和生產(chǎn)工藝只加工一件產(chǎn)品，不僅浪費資源，成本也會讓人崩潰。而3D打印技術(shù)恰恰為個性化生產(chǎn)提供了方便，它通過電腦設(shè)計，可以最大限度的滿足你的要求，而且3D打印能夠最經(jīng)濟的使用原料，因為這是增材制造，其原材料的利用率比傳統(tǒng)的減材制造方式要高得多。

個性化需求為學(xué)生個體創(chuàng)業(yè)或小團體創(chuàng)業(yè)提供了機會，再加上物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、云計算特別是移動互聯(lián)的發(fā)展，學(xué)生個體或團體可以無地界分工合作，有人提供創(chuàng)意、有人提供設(shè)計、有人提供打印設(shè)備?？梢詫⒌赜虻馁Y源有效地整合在一起，克服了學(xué)生團體創(chuàng)業(yè)資金、資源不足的困窘。

3.2 3D打印將成為學(xué)生創(chuàng)業(yè)的主要手段之一

提起學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)，人們會立刻想到一個人群“創(chuàng)客”。創(chuàng)客，有多種解釋，其一為“車庫”，在車庫中存放著各種工具和材料，人們可以方便制作自己想要的東西。也有人稱其為(maker)，指出于興趣與愛好，努力把各種創(chuàng)意轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實的人。也有一種說法是說“創(chuàng)客”一詞來源于英文單詞“hacker”，不過它不是指電腦領(lǐng)域的黑客，而是突出它是不以贏利為目標(biāo)，追求自身創(chuàng)意的實現(xiàn)。而克里斯.安德森在自己作品《創(chuàng)客：新工業(yè)革命》一文中給創(chuàng)客的定義是，“創(chuàng)客”是“不以營利為目標(biāo) ”，利用3D打印技術(shù)以及各種開源硬件，努力把各種創(chuàng)意轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實的人[4]。

利用3D打印技術(shù)建設(shè)創(chuàng)客空間是大學(xué)生實現(xiàn)快速創(chuàng)新應(yīng)用并使創(chuàng)業(yè)成為可能性的重要技術(shù)保障[5]。3D打印技術(shù)為創(chuàng)客的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動提供了有利的支持，河北政法職業(yè)學(xué)院各個3D打印專業(yè)社團，依靠建模技術(shù)的優(yōu)勢和對社會的敏感的洞察力，創(chuàng)建了豐富的物品，先從實用性小物品入手，如手機架、杯托、筆筒等小物件；也有個性像框、燈罩、人像、標(biāo)致性建筑模型等。然后逐漸發(fā)展向社會提供服務(wù)，為幼教、中小學(xué)或兄弟專業(yè)設(shè)計制作模型教具等。有的小組建設(shè)了3D打印網(wǎng)站，以此為平臺互相交流技術(shù)；有的小組申請了網(wǎng)店，把自己的作品在網(wǎng)店上展銷，并以此為平臺溝通社會，進一步了解社會市場的同時也接受訂制服務(wù)。發(fā)展快的同學(xué)已經(jīng)在校外建立了自己的創(chuàng)業(yè)基地，有了自己的廠房車間。

4 3D打印對高校創(chuàng)新教育提出了新內(nèi)容

目前3D打印技術(shù)人員缺口較大，需要各種人才推動其進步和發(fā)展，在高校開設(shè)3D打印專業(yè)或3D打印打課程已成為一種潮流，如跟不上時代的步伐就會落伍、掉隊。但是，3D打印技術(shù)雖然取得了一定的進展，但總體來說還處于起步階段，存在不少的問題，比如打印速度慢、打印空間的限制、色彩問題、材料和工藝的限制等。3D打印的產(chǎn)品目前還不能完全滿足我們的需要。培養(yǎng)合格的3D打印技術(shù)人員和研究人員已成為高校教育的當(dāng)務(wù)之急。

3D打印技術(shù)涉及創(chuàng)意設(shè)計、模型制作、新材料加工、電子、機械等多個學(xué)科領(lǐng)域，3D打印技術(shù)發(fā)展的初期，這種跨學(xué)科的綜合人才是主力軍，為此河北政法職業(yè)學(xué)院設(shè)計了基于跨學(xué)科整合的“STEAM+3D”的教育課程，以這種新的教育模式為社會輸送人才。

沒有做不到，只有想不到。3D打印是一項學(xué)科跨度較大的前沿技術(shù)，可應(yīng)用于高校教育中各個方面或環(huán)節(jié)。在高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育中植入3D打印技術(shù)，豐富了教學(xué)資源，革新了教育理念，開拓了學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)業(yè)意識，為高校學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)提供了技術(shù)支持和有效途徑。同時，在高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育中應(yīng)用好這項技術(shù)，將會大大提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，為“中國制造2025”提供智力支持和人才保障。

[1]李青，王青．3D 打印: 一種新興的打印技術(shù)[J].遠程教育雜志,2013( 4) .

[2]祝智庭,雒亮.從創(chuàng)客運動到創(chuàng)客教育:培植眾創(chuàng)文化[J].電化教育研究，2015(7).

[3]鐘志賢.信息化教學(xué)模式-理論建構(gòu)和實踐例說[M].北京:教育科學(xué)出版社,2007.

[4]單小東.從職業(yè)體能視角談高職體育課程教學(xué)改革[J].體育科技文獻通報，2010(2)：10-11.

[5]艾賢明等．3D打印技術(shù)在大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)中的應(yīng)用[J]．中小學(xué)電教，2015(9).

The Application of 3D Printing Technology in the Innovation and Entrepreneurship Education in Colleges and Universities

ZHANG Jing-long,ZHANG Jian-bo

(Hebei Professional College of Political Science and Law, Shijiazhuang, Hebei 050061)

3D printing technology, known as the industrial 4 standard, is emerging. Those who can seize the opportunity can grasp the pulse of the times, and become the world power. 3D printing technology provides more resources and a breakthrough in education. Innovative education in colleges and universities in the implantation of 3D printing technology, not only can let the students have a new understanding of 3D printing, but also can enhance the participation of students through modeling, experience and so on. The implantation of 3D printing technology in innovation and entrepreneurship education, through creative design, and cultural industry or relative access, can promote the development and innovation of students thinking. 3D printing technology can be applied for the combination of the first class and the second class to meet the individual and social needs.

3D printing technology; innovation and entrepreneurship education; student professional associations

2016-10-26

張景龍(1970-)，男，河北保定人，河北政法職業(yè)學(xué)院講師，工程碩士。研究方向：三維建模技術(shù)、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育等。

本文系2016年度河北省社會科學(xué)院立項社會科學(xué)發(fā)展研究課題、民生調(diào)研專項課題“3D打印技術(shù)在高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育中的應(yīng)用研究”(項目編號：201601018)的研究成果。

G717.38

A

1008-8156(2016)04-0060-04

修回日期：2016-11-20