3D打印技術在教育行業(yè)的應用發(fā)展前景研究

邱望潔++李昊陽

摘 要：3D打印技術被稱為“具有工業(yè)革命意義的制造技術”，是《中國制造2025》突破發(fā)展的重點領域。該技術在教育行業(yè)的應用已嶄露頭角。然而3D打印作為創(chuàng)新技術如何與教學活動有機融合一直以來困擾著該項技術在教育領域的廣泛應用，缺乏行業(yè)標準與應用規(guī)范、缺乏面向不同教育階段的分層課程、缺乏硬件環(huán)境配備條件成為三大亟待解決的問題，本文給出了解決3D打印技術教育行業(yè)應用的具體方法。

關鍵詞：3D打印；標準；教學應用；云平臺

中圖分類號：G434 文獻標志碼：A 文章編號：1673-8454（2017）05-0011-04

一、引言

3D打印技術作為一項對傳統(tǒng)制造業(yè)具有顛覆意義的技術，近年來在世界范圍內(nèi)受到廣泛關注，其主要生成流程包括兩大步驟：基于計算機輔助軟件設計立體模型，并通過3D打印機基于熔融、光固化等工藝逐層打印成品。[1]近年來，作為“增材制造”的主要實現(xiàn)形式，3D打印技術受到了我國政府的高度重視。進一步地，針對3D打印等新型數(shù)字化制造技術的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，我國政府出臺了《國家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進計劃（2015-2016）》。此計劃將3D打印技術發(fā)展規(guī)劃提高到了國家戰(zhàn)略發(fā)展的高度，不僅強調(diào)了3D打印教育的推廣和普及，更強調(diào)了3D打印技術人才的培養(yǎng)。隨后，在中國政府實施制造強國戰(zhàn)略第一個十年的行動綱領《中國制造2025》中，3D打印被列為突破發(fā)展的重點領域。更為引人注目的是在國務院關于3D打印增材制造的專題講座后，李克強總理表示要在國內(nèi)多個重點行業(yè)加速3D打印的裝備和運用。

在教育行業(yè)發(fā)展領域中，3D打印技術的相關應用已經(jīng)逐步引起國內(nèi)外政府以及相關組織的高度重視?，F(xiàn)階段，針對3D打印教育價值的一系列探索性研究以及實踐工作正在逐步開展中，并已取得了一些基礎成果。國內(nèi)，上海、青島等教育發(fā)展先進地區(qū)已經(jīng)成功地將3D打印引入基礎教育領域。目前，上述先進地區(qū)通常在青少年活動中心配備3D打印機和掃描儀，同時定期邀請技術專家開設包括CAD建模和3D打印機操作實踐等相關課程，最終以指導學生打印出自己設計的產(chǎn)品為基礎教育階段的教育實踐目標。國外，在“人類學習可以通過制造和分享過程產(chǎn)生”的理念下，英國教育部與英國物理學會、英國全國數(shù)學教學創(chuàng)優(yōu)中心和3D打印機廠商協(xié)調(diào)合作，進一步保障使用3D技術的學?？梢缘玫搅己玫睦碚撝笇Ъ凹夹g支持。另外，為培養(yǎng)高中生的工程技術能力并激發(fā)學生對工程、設計、制造和科學相關課程的興趣，美國以項目推進形式在高中大力推廣3D打印機，例如，美國國防高級研究計劃局制作實驗和拓展項目等。不僅如此，作為預測影響全球教育領域的教學、學習和創(chuàng)造性探究新興技術的權威報告，新媒體聯(lián)盟地平線報告在基礎教育、高等教育和圖書館教育的三個版本中，連續(xù)兩年將教育應用中主流技術的重要進展聚焦到3D打印上。

3D打印技術涵蓋包括信息技術、機械加工技術和新材料技術等多個學科領域的先進技術。在日常教育場景中，3D打印主要體現(xiàn)出以下三方面教育特性：其一，便于塑造可重用的多態(tài)教育對象，且可快速打印用于教學輔助的模型、標本等教具；其二，作為蘊涵“設計思維”的個性化創(chuàng)造工具，可以滿足不同教育層次的學習者以專業(yè)制造水平實現(xiàn)個性化創(chuàng)意設計的產(chǎn)品化需求；其三，便于打造虛實結(jié)合的教育創(chuàng)新應用平臺，并可以基于3D打印技術建立創(chuàng)新實驗室和創(chuàng)客空間，實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)和智能制造技術的協(xié)同創(chuàng)新。盡管目前3D打印技術在教育行業(yè)的創(chuàng)新性應用蓬勃發(fā)展，但是3D打印作為教育裝備用于教育實踐活動開展尚存在幾點無法回避的關鍵性問題：

（1）3D打印作為教育領域的一種新技術，其教育行業(yè)的標準尚未建立，目前教育行業(yè)流通的3D打印機質(zhì)量參差不齊，導致3D打印教學實踐活動的質(zhì)量、安全和教育適用性等方面無法保障；

（2）3D打印技術與教育理論嚴重脫節(jié)，包括教學案例、教學模型庫在內(nèi)的教育資源缺乏，如何體系化地借助3D打印技術輔助基礎教育、高等教育和職業(yè)教育的教育實踐活動成為關鍵性問題；

（3）3D打印軟件環(huán)境和硬件環(huán)境的配備費用均較高，具體地說，3D 打印機和專業(yè)的三維建模軟件價格都比較高而且對使用場地要求較高，從而導致僅有少部分重點學校有能力配備，無法滿足教育均衡發(fā)展的需求。

二、3D打印行業(yè)應用的突破途徑

本文重點圍繞上述關鍵性問題，提出解決方案，主要包含以下三條突破途徑：

（1）研究并起草3D打印技術的教育行業(yè)標準及規(guī)范

3D打印系統(tǒng)按功能分為五大模塊，即三維模型獲取模塊、三維模型處理模塊、三維模塊分層模塊、三維模型打印模塊和三維模型后處理模塊，依托多個學科領域的尖端技術，包括信息技術、機械制造技術和材料技術。技術歸根到底服務于教育，3D打印技術涉及制定相應標準，其意義在于通過對技術的規(guī)范化提升產(chǎn)品質(zhì)量，保障教學活動參與者的人身安全，提升3D打印的教育適用性。

（2）從教育理論出發(fā)面向不同教育階段系統(tǒng)化建立3D打印的教學應用體系架構(gòu)

對于不同教育階段的學生，3D打印技術具有不同的內(nèi)涵和外延。對于基礎教育來說，3D打印作為認知工具，用于快速制造與課程配套的模型；對于高等教育，3D打印作為創(chuàng)新平臺，用于快速實現(xiàn)創(chuàng)新性的設計思想；對于職業(yè)教育，3D打印作為教學目標和學習內(nèi)容，形成了面向中國制造2025的職業(yè)技能知識體系。因此，要將3D打印技術深度融合于不同教育階段的教學實踐活動中，必須探索3D打印技術和教育理論的契合點，系統(tǒng)化地建立面向基礎教育、高等教育和職業(yè)教育的個性化教學應用體系架構(gòu)，涵蓋3D打印的核心課程、資源庫、教材、實訓資源等。

（3）基于互聯(lián)網(wǎng)建立3D打印的服務云平臺

3D打印作為新技術在教育領域的應用案例均取得了有目共睹的效果，激發(fā)了學生的學習熱情，極大地發(fā)掘了學生的創(chuàng)造力。然而，3D打印技術在國內(nèi)學校的普及程度還不夠高，該技術無法普惠于全國所有學生。因此，為實現(xiàn)3D打印技術在教育領域的均衡化發(fā)展，實現(xiàn)資源共享和資源整合，本項目將基于互聯(lián)網(wǎng)建立3D打印的服務云平臺架構(gòu)。該平臺可整合市場上的3D打印機資源、設計資源和材料資源。學生可以通過云平臺選擇3D打印的材料、3D模型和3D打印機提供商，實現(xiàn)個性化產(chǎn)品的遠程打印。[2]

三、3D教育行業(yè)應用突破的具體路線

1.研究并起草3D打印技術的教育行業(yè)標準及規(guī)范的具體路線

3D打印技術以多個學科領域的先進技術為依托，其中最根本的三個方面為信息技術、精密機械技術和材料科學。在信息技術方面，需要實現(xiàn)相應的先進設計軟件和數(shù)字化工具，以輔助設計人員完成對產(chǎn)品三維數(shù)字模型的制作，并根據(jù)模型完成打印工序的自動分析以及打印器材走向的自動控制。在精密機械技術方面，基于“每次的疊加”的加工方式，3D打印技術必須通過對打印設備的穩(wěn)定性和精準程度的高要求，從而滿足對打印產(chǎn)品進行高精度實現(xiàn)的生產(chǎn)要求。在材料科學方面，3D打印技術對打印原材料有以下兩點特殊要求：首先，材料需要具有可液化、粉末化以及絲化的特性；其次，在打印進程完成后，經(jīng)過以上三態(tài)變化后的材料能夠重新結(jié)合在一起。

3D打印技術在教育領域的應用成效取決于能否通過對技術的標準化和規(guī)范化保障使用者的安全，提高教育適用性。從安全角度，打印材料的選擇和精密機械技術中的溫控系統(tǒng)設計尤為關鍵。首先，3D打印材料包括石膏材料、工程塑料、光敏樹脂、尼龍、金屬、石蠟、橡膠、生物材料等，不同材料具備差異化的物理和化學屬性。我們應當對材料進行分類研究，針對各個學段標定適用材料范圍，在杜絕有毒有害材料對學生健康侵害的前提下，選擇滿足課程仿真模擬需求的新材料。其次，3D打印溫控系統(tǒng)工作溫度達到200-300攝氏度，我們應當標準化3D打印機的安全防護系統(tǒng)，以避免學生被燙傷。

另一方面，從教育適用性角度，信息技術中3D建模軟件、精密機械技術中的工藝技術和步進電機系統(tǒng)直接影響教學質(zhì)量。首先，3D建模軟件種類繁多，繁簡不一，如Autocad、3DSMAX等，我們應當針對各個學段，按照認知規(guī)律標定3D建模軟件的適用范圍。其次，3D打印的工藝技術呈多樣化發(fā)展，包括分層實體制造工藝、光固化工藝、熔融擠出工藝和激光燒結(jié)技術。鑒于不同工藝的生產(chǎn)成本、工藝精細度不同，我們應當針對各個學段與課程設置的需求，標定工藝技術的適用范圍。最后，由于步進電機系統(tǒng)影響3D打印的速度，為保證教育實踐活動的實時性和高效性，我們應當標準化步進電機及其控制系統(tǒng)的相關參數(shù)，保證其在穩(wěn)定的前提下，盡可能提高打印效率。

2.建立教學應用體系架構(gòu)的具體路線

建立3D打印教學應用體系的前提是研究3D打印和教學之間的關系，用以指導在教學實踐過程中3D打印的教學輔助功能。教育學家曾經(jīng)深入研究教學媒體在教學實踐活動中的效果，并提出了經(jīng)典的“經(jīng)驗之塔”模型。在該模型中，學者總結(jié)出了學生獲得經(jīng)驗的三大途徑，分別為細致觀察、具體操作和邏輯抽象。在基于3D打印的教學實踐活動中，學生通過3D打印模型感知提升細致觀察的能力；通過3D打印上機實操提高具體操作的能力；通過3D打印編程提高邏輯抽象的能力。以教育理論為出發(fā)點，3D打印技術提供了多個維度的教學輔助功能。由此，形成了支撐3D打印技術教育價值的理論依據(jù)和建立3D打印的教學應用體系架構(gòu)的理論基礎。

面向基礎教育，3D打印主要作為認知工具，輔助學生對知識體系的感知和驗證。在一些教學實訓項目中，學生通過3D打印技術實現(xiàn)自己的奇思妙想，構(gòu)建了感性認知到科學認知的有效過渡途徑。以小學物理課為例，學生為認知力學原理，分組設計了多種基于不同力學結(jié)構(gòu)的橋梁模型，并通過3D打印機生成PVC塑料實物模型，在此基礎上對實物模型進行力學測試，歸納總結(jié)力學規(guī)律。由此可見，我們有必要建立以課堂認知和中小學創(chuàng)新實驗室為核心的教學應用體系。[3]

面向高等教育，3D打印技術作為創(chuàng)新平臺，大幅提升了科研效率。3D打印機已逐步在國內(nèi)高校普及應用，特別在航空設計、醫(yī)學、建筑、機械制造等專業(yè)領域大放異彩。高校學生利用3D打印技術跨越了理論到實踐的鴻溝，在不借助模具的情況下快速實現(xiàn)并驗證自身的科研成果。在航空航天專業(yè)，3D打印機能夠打印具有特殊功能與性能的飛行器核心部件；在醫(yī)學專業(yè)，3D打印機能夠高度還原人類骨骼特性，打印替代器官；在機械制造專業(yè)，3D打印為學生提供三維設計建模和成型平臺，使學生可以多方位評估自己的設計方案。高等教育中，3D打印和學科結(jié)合的案例不勝枚舉。因此，我們應當以實際應用為出發(fā)點，結(jié)合高校課程設置，標定以“創(chuàng)客”為核心的3D打印的教學應用體系。[4]

面向職業(yè)教育，3D打印技術是一項符合國家重大需求的專業(yè)技能。在我國職業(yè)教育課程體系發(fā)展過程中，3D打印技術相關課程體系正處于形成并完善的過程中，該課程體系主要以3D打印的設計課程、建模課程、編程過程和操作課程為學習內(nèi)容，以培養(yǎng)掌握材料科學、光電技術、機械技術、計算機技術和數(shù)控技術的新型專業(yè)人才為教學目標。隨著中國制造2025工程的深入推進和智能制造技術的不斷發(fā)展，未來3D打印的專業(yè)技術人才缺口龐大。因此，我們應當建立3D打印的職業(yè)技能培養(yǎng)應用體系。

3.基于互聯(lián)網(wǎng)建立3D打印的服務云平臺的具體路線

本文從云平臺的數(shù)據(jù)庫、工作流程、體系結(jié)構(gòu)和功能四個方面建立3D打印的服務云平臺架構(gòu)。

其一，云平臺包含四大核心數(shù)據(jù)庫，即用戶數(shù)據(jù)庫、打印機數(shù)據(jù)庫、模型設計庫和材料庫。云平臺旨在整合3D打印的優(yōu)質(zhì)社會資源為教育實踐活動服務，其中，用戶數(shù)據(jù)庫包括注冊成云平臺的師生，打印機數(shù)據(jù)庫包括通過互聯(lián)網(wǎng)連接到云平臺的各種不同技術特征的3D打印機，模型設計庫包括社會上優(yōu)秀設計者上傳的3D模型，而材料庫包括所有可以用于3D打印的材料。上述四大數(shù)據(jù)庫均處于實時動態(tài)的數(shù)據(jù)更替中。

其二，云平臺的工作流程總結(jié)如下：教師或者學生用戶通過互聯(lián)網(wǎng)登錄平臺，注冊成為有效用戶，進入用戶數(shù)據(jù)庫；提交3D打印任務申請；用戶選定3D模型，可自行設計上傳，亦可選取模型設計庫中的3D模型，部分自行上傳的優(yōu)秀3D模型被收錄在模型設計庫中；用戶從材料庫中選定3D打印材料；用戶確定3D打印工藝技術，并據(jù)此從3D打印機數(shù)據(jù)庫中選擇用于本次打印的3D打印設備，由此云平臺生成一個3D打印任務，該任務標明任務申請人、待打印的3D模型信息、材料及材料提供商、3D打印機及3D打印機提供商等數(shù)據(jù)；3D打印材料供應商將材料通過物流發(fā)送給3D打印機提供商，3D打印機提供商則使用該材料完全按照3D打印任務打印3D模型，并通過物流發(fā)送給任務申請人。

其三，云平臺體系采用分布式組件結(jié)構(gòu)，分為線下物理層、數(shù)據(jù)庫層、線上應用邏輯層和網(wǎng)絡層。第一層：線下物理層，包括所有連接到云平臺的3D打印設備；第二層：數(shù)據(jù)庫層，包括用戶數(shù)據(jù)庫、打印機數(shù)據(jù)庫、模型設計庫和材料庫，支持用戶間交流的數(shù)據(jù)通信服務；第三層：線上應用邏輯層，處理任務請求，并將任務發(fā)送給任務參與者；第四層，網(wǎng)絡層，用于和客戶端實時通信；第五層，用戶層，為任務參與者提供基于瀏覽器的管理功能。

其四，云平臺的功能包括3D打印學習中心、技術研究、服務系統(tǒng)工具集、遠程制造服務、3D打印交流中心和用戶管理。其中，3D打印學習中心主要功能是提供給用戶一個學習3D打印基本技術和了解前沿技術的平臺，具體包括基礎知識、開發(fā)工具推薦、3D打印模型制作技巧和典型案例4部分；技術研究提供最新技術成果及難題，由專業(yè)人員將近期有關3D打印方面的技術現(xiàn)狀、技術進展、技術突破以及3D打印存在的難題和不足發(fā)布在平臺上；服務系統(tǒng)工具集包括在線設計工具、在線動態(tài)預覽、工藝篩選器、材料篩選器；遠程制造服務包括制造任務管理、制造資源管理和制造過程管理；3D打印交流中心分為意見與技術難題反饋、硬件討論區(qū)和軟件討論區(qū)等板塊；用戶管理主要包括用戶信息及任務狀態(tài)監(jiān)控。

四、小結(jié)

面向3D打印技術在教育行業(yè)應用的關鍵性問題，本文針對性地提出了突破途徑，通過建立3D打印教育行業(yè)標準及規(guī)范，保障教學應用的安全性和適用性；通過建立面向基礎教育、職業(yè)教育和高等教的教學應用體系，增加教學應用的針對性和高效性；基于互聯(lián)網(wǎng)建立3D打印的服務云平臺，提高教學應用的普及性和多樣性。希望通過上述方法，最終順利完成我國政府關于3D打印教育推廣和普及以及3D打印技術人才培養(yǎng)的任務。

參考文獻：

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

[3]孫江山，吳永和，任友群.3D打印教育創(chuàng)新：創(chuàng)客空間、創(chuàng)新實驗室和STEAM[J].現(xiàn)代遠程教育研究，2015（4）：96-103.

[4]王美，王良輝，劉中曉，陳淵淵.基于3D打印技術的特色課程研究——以“3D打印創(chuàng)意工作室”課程為例[J].現(xiàn)代教育技術，2015（8）：120-126.

（編輯：王天鵬）