面向大學(xué)生創(chuàng)新教育的3D打印教學(xué)實驗平臺研究與應(yīng)用

尚　雯　譚躍剛　張　帆　周祖德　婁　平

（武漢理工大學(xué)，武漢430070）

面向大學(xué)生創(chuàng)新教育的3D打印教學(xué)實驗平臺研究與應(yīng)用

尚雯譚躍剛張帆周祖德婁平

（武漢理工大學(xué)，武漢430070）

3D打印作為第三次科技革命的重要工具廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，3D打印與教育的結(jié)合逐漸被教育界所重視。本文通過對3D打印教育應(yīng)用現(xiàn)狀與所面臨問題的研究，設(shè)計了面對大學(xué)生的3D打印教學(xué)實驗平臺，論述了平臺的設(shè)計思想、功能體系、工作流程以及在創(chuàng)新教學(xué)中的實踐應(yīng)用。平臺作為3D打印實驗室創(chuàng)新教育的重要組成部分，為學(xué)生提供了一個高效快速的學(xué)習(xí)工具，為老師和學(xué)生之間搭建了交流合作的橋梁，提高了創(chuàng)新與合作能力。

3D打印技術(shù)；教學(xué)平臺；創(chuàng)新教育

一、引言

3D打印是近年來逐漸興起的熱門領(lǐng)域，在國內(nèi)外以星火燎原之勢迅速發(fā)展。3D打印技術(shù)是一種新型的快速成型技術(shù)，是“第三次工業(yè)革命最具標(biāo)志性的生產(chǎn)工具”［1］。隨著科技的發(fā)展，3D打印已逐漸滲透到工業(yè)、醫(yī)學(xué)、建筑、教育等領(lǐng)域。隨著技術(shù)的發(fā)展，我們生活的方方面面都會與3D打印息息相關(guān)。然而3D打印的技術(shù)門檻使得很多人都處于觀望狀態(tài)，沒有真正的參與進(jìn)來［2-3］。

近年來，一些國家已經(jīng)開始重視3D打印在教育領(lǐng)域的應(yīng)用。從2012年10月起，英國開展了為期一年的試驗項目。選中21個試點學(xué)校，將3D打印與數(shù)學(xué)、物理、計算機(jī)、工程、設(shè)計等課程相結(jié)合，呈現(xiàn)出一種新的教學(xué)方式，推動教學(xué)創(chuàng)新［4-8］。世界上最大的桌面3D打印機(jī)制造商MakerBot近期提出，他們正在與布魯克林區(qū)區(qū)長洽談，準(zhǔn)備在布魯克林近千所學(xué)校內(nèi)，推動3D打印機(jī)的普及和應(yīng)用［9］。國內(nèi)的一些中小學(xué)以及一些大學(xué)也引進(jìn)了與3D打印相關(guān)的課程。2014年起，南京市教育裝備與勤工儉學(xué)辦公室先后組織了兩期“中小學(xué)‘3D打印’專項裝備學(xué)校應(yīng)用培訓(xùn)”，對中小學(xué)老師進(jìn)行集中培訓(xùn)，為3D打印走進(jìn)校園做準(zhǔn)備。

但是，國內(nèi)外有關(guān)3D打印的教育仍處于起步階段，很多學(xué)校沒有足夠多熟悉3D打印技術(shù)的老師，這使得3D打印技術(shù)的普及速度大大降低。因此，需要構(gòu)建一個學(xué)習(xí)和交流的平臺，整合教育、技術(shù)及設(shè)備等資源，方便不同階段的學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。目前國內(nèi)外已經(jīng)出現(xiàn)了一些類似的平臺，比如美國的Shapeways公司、3D System公司的cubify capture、新西蘭的Ponoko以及MakerBot公司［10］，國內(nèi)的公司有叁迪網(wǎng)、廣東省工業(yè)設(shè)計中心以及杭州先臨快速成型技術(shù)有限公司等設(shè)立的3D打印服務(wù)中心［11］。由于這些公司面向的主要對象是企業(yè)或個人，平臺更側(cè)重于服務(wù)，并不適合廣大學(xué)生群體。有些機(jī)構(gòu)也開始嘗試3D打印在教育上的應(yīng)用，但多數(shù)以提供3D打印機(jī)、3D掃描儀為主，無法解決3D打印與教育如何融合、如何應(yīng)用、如何提高學(xué)生創(chuàng)新能力的問題［12］。針對以上問題，我們研究了針對大學(xué)生的3D打印教學(xué)平臺，作為3D打印實驗室的重要組成部分，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，團(tuán)隊合作，交流共享，提高學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新意識。

二、3D打印教學(xué)平臺的設(shè)計

1.教學(xué)平臺的設(shè)計思想

3D打印教學(xué)平臺是3D打印創(chuàng)新實驗室的重要組成部分，是一個面向創(chuàng)新教育的資源共享平臺，整合了教育、技術(shù)、設(shè)備等資源，為學(xué)生提供自主學(xué)習(xí)的工具，激發(fā)學(xué)生探索新知識的熱情。平臺的主要設(shè)計思想如圖1所示。平臺以資源庫為核心，以實際問題為引導(dǎo)，以創(chuàng)新設(shè)計為目的。通過3D打印機(jī)與實驗相結(jié)合的邊學(xué)邊做的方式，掌握原理；通過3D打印實現(xiàn)具體案例，用所學(xué)原理解決問題；通過學(xué)習(xí)多個案例，掌握綜合知識應(yīng)用，利用3D打印實現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計。旨在培養(yǎng)學(xué)生的思考、自學(xué)、動手、解決問題以及創(chuàng)新創(chuàng)造這五大能力。通過3D打印與不同領(lǐng)域?qū)W科的結(jié)合，讓學(xué)生在問題驅(qū)動下，完成提出問題、分析問題、解決問題的全過程，以自主探索式學(xué)習(xí)為主，以教師引導(dǎo)為輔的方式，顛覆傳統(tǒng)的教學(xué)模式。

圖1　平臺設(shè)計思想

2.教學(xué)平臺的體系結(jié)構(gòu)

3D打印教學(xué)平臺的實現(xiàn)采用SSH集成框架結(jié)構(gòu)。該框架結(jié)構(gòu)符合J2EE標(biāo)準(zhǔn)，是一個分布式結(jié)構(gòu)，支持多種主機(jī)類型，多操作系統(tǒng)以及多數(shù)據(jù)庫。使得平臺易于擴(kuò)展和維護(hù)，能夠滿足平臺跟隨不同場景不斷豐富的要求。平臺的結(jié)構(gòu)體系如圖2所示。

圖2　教學(xué)平臺的結(jié)構(gòu)體系

教學(xué)平臺的開發(fā)主要分為六個層：

線下物理層：該層主要是指學(xué)校中的實驗室以及3D打印設(shè)備，為3D打印教學(xué)平臺提供設(shè)備支持。學(xué)生可以根據(jù)在平臺上的學(xué)習(xí)情況完成相關(guān)的打印設(shè)計任務(wù)。

用戶層：主要是提供給老師、學(xué)生及其他3D打印愛好者一個學(xué)習(xí)、交互的界面。

應(yīng)用層：該層接收來自于用戶層的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳給業(yè)務(wù)層進(jìn)行處理，然后返回用戶需要的信息。

業(yè)務(wù)層：該層接收應(yīng)用層的數(shù)據(jù)，并調(diào)用持久層進(jìn)行邏輯處理，最后把處理結(jié)果返回給應(yīng)用層。

持久層：該層主要是對數(shù)據(jù)庫操作進(jìn)行封裝，并返回數(shù)據(jù)到業(yè)務(wù)層進(jìn)行進(jìn)一步處理。

數(shù)據(jù)庫層：數(shù)據(jù)庫用來存儲老師、學(xué)生等用戶的信息，老師上傳的課件以及3D打印模型庫與案例知識庫等，實現(xiàn)平臺用戶之間的資源共享。

三、3D打印教學(xué)平臺的功能

根據(jù)教學(xué)平臺的設(shè)計思想，主要包含用戶管理、3D打印教學(xué)專區(qū)、交流答疑以及模型庫。平臺主要功能及相互關(guān)系如圖3所示，以資源庫為核心，通過富有特色的教學(xué)案例來提高學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力；通過開放式的討論交流區(qū)，加強(qiáng)團(tuán)隊之間的合作與共享；通過不同用戶管理來定義教學(xué)中的不同角色，多個功能之間相互協(xié)同，共同服務(wù)于3D打印創(chuàng)新性教育。

圖3　平臺主要功能及相互關(guān)系

1.用戶管理

用戶模塊主要是起到教師和學(xué)生相區(qū)分的作用?？梢詫τ脩舻男畔⑦M(jìn)行存儲、管理。為不同的用戶分配不同的權(quán)限。用戶主要分為未注冊用戶、注冊用戶以及系統(tǒng)管理員。未注冊用戶只能瀏覽模型庫及教學(xué)專區(qū)的教程。注冊用戶可以訪問平臺的每個模塊并進(jìn)行交互。系統(tǒng)管理員對用戶分類及用戶信息、權(quán)限進(jìn)行管理，對用戶上傳的課件、模型進(jìn)行審核。

2.3D打印教學(xué)專區(qū)

教學(xué)專區(qū)主要分為基礎(chǔ)知識專區(qū)、機(jī)械原理專區(qū)、控制原理專區(qū)，如圖4。前者是對打印機(jī)的基本操作及原理介紹，使學(xué)生能迅速的掌握打印機(jī)的使用。機(jī)械原理專區(qū)是對打印機(jī)相關(guān)的機(jī)械原理進(jìn)行介紹，使學(xué)生對打印機(jī)有更深入的了解。

圖4　教學(xué)平臺界面

3.答疑交流區(qū)

答疑交流區(qū)以開放式論壇的形式讓多種思想能夠交流碰撞，解決同學(xué)們在學(xué)習(xí)過程中遇到的包括軟件、硬件、結(jié)構(gòu)等各個方面的問題或分享自己的見解，同時為3D打印創(chuàng)意提供交流的空間。比如用戶可以在這里討論打印機(jī)相關(guān)軟件——打印機(jī)控制、切片以及掃描儀等軟件的使用和優(yōu)化；硬件方面涉及打印的精度、材料、控制電路、固件等；結(jié)構(gòu)方面涉及打印機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，外觀設(shè)計等；以及一些小組件的設(shè)計、小制作等。目的是讓任何有創(chuàng)意的想法都能夠通過大家的交流得以實現(xiàn)。

目前大學(xué)中的教學(xué)模式多為傳統(tǒng)教學(xué)模式。老師作為課堂的主體向?qū)W生講授課程內(nèi)容，學(xué)生是一個被動學(xué)習(xí)的角色。這種以理論教學(xué)為主的教學(xué)方式，往往與實踐脫節(jié)，學(xué)生不容易理解，興趣不足，沒法達(dá)到理想的教學(xué)效果。

針對以上問題，3D打印教學(xué)專區(qū)將理論教學(xué)與實驗教學(xué)結(jié)合起來。不同于以教師課堂教授理論知識為主的傳統(tǒng)教育模式，課件教學(xué)把這些枯燥、難懂的理論知識運用二維、三維模型模擬實驗過程，把抽象的原理形象化。激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也培養(yǎng)了學(xué)生的空間思維能力，提高了想象力。課件通過問題引導(dǎo)、原理介紹、邊學(xué)邊做以及創(chuàng)新設(shè)計這四個步驟引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主探索，把學(xué)生變成課堂的主角。學(xué)生還可以根據(jù)學(xué)到的知識，在老師的引導(dǎo)下自己設(shè)計模型并打印，鍛煉了學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力。

4.模型知識庫

模型知識庫是教學(xué)平臺的支撐模塊，包括基礎(chǔ)模型和創(chuàng)新設(shè)計案例。模型知識庫按照不同的課程類別進(jìn)行分類，比如物理課程、力學(xué)課程、電學(xué)課程、機(jī)械課程等。學(xué)生可以在每個分類下瀏覽相關(guān)的實驗?zāi)Ｐ突蛟O(shè)計案例并下載打印完成實驗，也可以對已有的設(shè)計進(jìn)行改進(jìn)上傳自己的作品。模型知識庫為教師和學(xué)生提供了一個資源共享、知識迭代、創(chuàng)意展示的平臺，激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)造能力。

四、實例展示

3D打印教學(xué)平臺的主界面如圖5所示，展示了3D打印實驗室的布局、平臺的主要功能、最新課程等，并可以靈活部署在云服務(wù)器上，以“互聯(lián)網(wǎng)+3D打印教育”的方式，不僅可以在課堂上應(yīng)用，還能夠讓教育走出課堂，走進(jìn)生活，隨時隨地展開創(chuàng)客活動。

模型庫界面如圖6所示，作為資源共享區(qū)，這里顯示了所有用戶上傳的模型?？梢詫崟r查看自己感興趣的模型，不需要專門的軟件就可以進(jìn)行3D預(yù)覽和下載編輯，提供知識庫的積累。還可以對模型進(jìn)行評價交流，為以后的瀏覽者提供參考和持續(xù)改進(jìn)模型提出意見。模型庫不僅為用戶提供了一個豐富的資源庫，也為用戶提供了一個存儲中心。用戶可以把自己的設(shè)計上傳到模型庫，需要時再查找下載，把傳統(tǒng)的書本教學(xué)遷移到線上空間，大大提高了學(xué)習(xí)、工作的效率和便利性。

圖5　3D打印教學(xué)平臺主界面

圖6　模型庫界面

教學(xué)專區(qū)包含了與課堂知識深度融合的教學(xué)案例。如圖7所示，以學(xué)習(xí)機(jī)械原理課程的齒輪傳動為目的，設(shè)計了齒輪實驗案例。案例分四步引導(dǎo)學(xué)生在自主學(xué)習(xí)中掌握原理，并能夠?qū)W以致用。

圖7　齒輪實驗

首先，由齒輪傳動動畫引發(fā)同學(xué)們的思考，引出案例的主要教學(xué)內(nèi)容，明白齒輪會用在生活中的哪些方面；然后，通過幾組不同齒數(shù)比的齒輪實驗介紹齒輪傳動的原理，同學(xué)們可以通過鍵盤控制齒輪組轉(zhuǎn)動，并實時觀測各個齒輪的旋轉(zhuǎn)角度然后總結(jié)旋轉(zhuǎn)角度與齒數(shù)比的關(guān)系；接著是一個擠料實驗，這個實驗?zāi)M了打印機(jī)的擠料過程，通過不同的齒數(shù)比來控制打印機(jī)的擠料速度，使同學(xué)們對原理有更加深入的了解；最后，創(chuàng)新實驗?zāi)M汽車離合器的功能，把實驗原理運用到生活中，激發(fā)同學(xué)們的創(chuàng)新性思維。同學(xué)們還可以繼續(xù)深入，通過平臺模型庫模型和建模軟件進(jìn)行設(shè)計，利用3D打印機(jī)實現(xiàn)自己的汽車離合器，不僅學(xué)會了齒輪知識，對其他跨學(xué)科知識都有很好的了解。學(xué)生還可以通過學(xué)習(xí)到的原理，自己設(shè)計相關(guān)的齒輪傳動模型，如圖8為同學(xué)們打印的兩個實例。整個教學(xué)過程都是以學(xué)生為主導(dǎo)，老師只是輔助同學(xué)們解決學(xué)習(xí)中的疑惑。這樣既減少了老師的工作量，也是鍛煉了學(xué)生自主學(xué)習(xí)、創(chuàng)新創(chuàng)造的能力，使得課堂教學(xué)更加高效。

圖8　齒輪傳動應(yīng)用實例

目前，武漢理工大學(xué)已經(jīng)建立了面向本科生的3D打印創(chuàng)新實驗中心，已有200多名學(xué)生參與其中，同時培養(yǎng)了多個以3D打印為依托的創(chuàng)新團(tuán)隊。在無老師指導(dǎo)的課堂中，同學(xué)們通過教學(xué)實驗平臺自主學(xué)習(xí)3D打印操作、3D打印相關(guān)的控制以及機(jī)械方面的基礎(chǔ)知識，并在平臺的引導(dǎo)下完成系列的創(chuàng)新設(shè)計，并通過平臺分享創(chuàng)新成果，進(jìn)一步豐富了教學(xué)實驗平臺的知識庫。3D打印創(chuàng)新團(tuán)隊參加了機(jī)械設(shè)計創(chuàng)新大賽、節(jié)能減排、挑戰(zhàn)杯等比賽，都取得了不錯的成績。圖9為學(xué)生參加比賽作品之一，3D打印出來的用于快遞傳輸過程中分揀的多自由度機(jī)械手，快速驗證設(shè)計的合理性。

3D打印教學(xué)實驗平臺借助互聯(lián)網(wǎng)思維，把3D打印機(jī)技術(shù)與多個學(xué)科結(jié)合，以不斷迭代的創(chuàng)新知識庫，特色的案例引導(dǎo)，自主的學(xué)習(xí)模式，形成了針對大學(xué)生創(chuàng)新教育的新的方法。

圖9　多自由度機(jī)械手

五、結(jié)束語

3D打印技術(shù)在教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用能夠改變傳統(tǒng)教學(xué)理念，以“觸覺教育”、“邊學(xué)邊做”的方式提高學(xué)生的動手能力和創(chuàng)造力，為教與學(xué)提供了新的模式。如何將3D打印滲透到教學(xué)中，并通過3D打印推動教育的變革，這些問題受到了越來越多的關(guān)注。3D打印教學(xué)平臺把3D打印技術(shù)與不同課堂元素深度融合，通過資源庫、創(chuàng)新案例、開放式論壇、創(chuàng)新實踐等方式為廣大師生提供了一個學(xué)習(xí)交流的平臺。以3D打印實驗室為依托，以3D打印機(jī)為基礎(chǔ)，以3D打印教育平臺為工具，改變傳統(tǒng)的以教師為中心的教學(xué)形式，讓學(xué)生在自主探索式學(xué)習(xí)和交流中提高學(xué)生對3D打印技術(shù)和相關(guān)課程的興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)造能力。

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

［2］王雪瑩.3D打印技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展及前景分析［J］.中國高新技術(shù)企業(yè)，2012（26）：3-5.

［3］劉永利.3D打印技術(shù)在教學(xué)具設(shè)計與制造中的應(yīng)用［J］.科技與管理，2014（24）：83-85.

［4］王萍.3D打印及其教育應(yīng)用初探［J］.中國遠(yuǎn)程教育，2013（8）：83-87.

［5］陳功.淺談信息技術(shù)下的網(wǎng)絡(luò)教育［J］.教育探索，2012（1）：98.

［6］姚利民，段文彧.高校教學(xué)方法改革［J］.中國大學(xué)教學(xué)，2013（8）.

［7］宋朝霞，俞啟定.基于翻轉(zhuǎn)課堂的項目式教學(xué)模式研究［J］.遠(yuǎn)程教育雜志，2014（1）：96-103.

［8］肖念.對中國大學(xué)教學(xué)邏輯改革的思考［J］.中國大學(xué)教學(xué)，2012（7）：7-9.

［9］3D打印可能進(jìn)入布魯克林上千所學(xué)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，李揚(yáng)帆，張曼茵.中國3D打印產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀及發(fā)展思路［J］.經(jīng)濟(jì)縱橫，2013（1）：90-93.

［12］劉雪梅，黃劍鋒.面向教育的3D打印及其網(wǎng)絡(luò)化交流平臺的研究［J］.中國工程機(jī)械學(xué)報，2015（1）：82-87.

（責(zé)任編輯：張華凡）

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，碩士研究生，研究方向：3D打印技術(shù)；通訊作者：張帆（1983—），男，講師，研究方向：3D打印技術(shù)。

湖北省科技支撐計劃項目（2014BAA018）；武漢理工大學(xué)教學(xué)研究項目（w2014004）。