3D打印技術(shù)在設(shè)計創(chuàng)新教育領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展研究

李勇　馬洪杰

摘要：目前，3D打印技術(shù)在設(shè)計創(chuàng)新教育領(lǐng)域既是設(shè)計教育檢驗與評價的實體化工具，也是以解決問題為導(dǎo)向的個性化創(chuàng)造手段，又是虛實結(jié)合的設(shè)計創(chuàng)新教育平臺的技術(shù)支撐，其應(yīng)用模式主要包括創(chuàng)客空間、創(chuàng)新實驗室和STEAM教育。今后，3D打印技術(shù)的升級將不斷促進設(shè)計教育的創(chuàng)新發(fā)展，并推動健全完善跨學(xué)科的3D打印設(shè)計創(chuàng)新教育體系和該技術(shù)在設(shè)計教育行業(yè)的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù)設(shè)計創(chuàng)新教育創(chuàng)客空間創(chuàng)新實驗室STEAM教育發(fā)展趨勢

中圖分類號：G423 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-0069（2018）03-0034-02

引言

3D打印技術(shù)在2012年被英國《經(jīng)濟學(xué)人》雜志列為“第三次工業(yè)革命”的重要標(biāo)志之一，該技術(shù)在航空、汽車、醫(yī)療、建筑等眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。2013至2016年美國新媒體聯(lián)盟（New MediaConsortium）發(fā)布的《地平線報告》中指出，未來數(shù)年，3D打印技術(shù)將成為基礎(chǔ)教育和高等教育領(lǐng)域中的主流應(yīng)用技術(shù)。從近年3D打印技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用案例中可以看出，該技術(shù)的成功導(dǎo)入，在激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新意識和提升創(chuàng)造能力方面具有巨大的應(yīng)用發(fā)展空間。

一、3D打印技術(shù)原理與特點

（一）3D打印技術(shù)原理：3D打印技術(shù)，又稱增材制造技術(shù)，是基于原料噴射成型原理的快速成型技術(shù)。它的基本思路是利用計算機軟件將構(gòu)建完成的三維數(shù)字模型切割成一系列微小單元，再利用3D打印機把材料按指定路徑添加到未完成的制件上，用聚合、黏結(jié)、熔結(jié)、燒結(jié)等物理、化學(xué)手段，逐層或逐點將材料固化在一起形成三維的實體模型。（如圖1）所示，通過3D打印技術(shù)獲取實體物品一般要經(jīng)過數(shù)字化設(shè)計、實物打印和后期處理三個主要階段。

根據(jù)具體成型工藝的不同，實物打印階段采用的加工材料和加工方式都有所區(qū)別。目前主流的3D打印技術(shù)成型工藝有：熔融沉積制造、立體噴印成型、激光選區(qū)燒結(jié)、立體光固化和分層實體制造等。無論何種3D打印成型工藝，都突破了傳統(tǒng)加工工藝的局限，顯著地提高了產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造力。

（二）3D打印技術(shù)的應(yīng)用特點：在實際運用中，3D打印技術(shù)主要表現(xiàn)出以下三個特點：其一，自由制造，3D打印技術(shù)區(qū)別于減材制造技術(shù)，它不受模具和刀具的限制，能解決傳統(tǒng)加工工藝難以制造的具有特殊曲面、異形深孔的復(fù)雜零部件的成型問題，因而利用3D打印技術(shù)能自由、靈活地對設(shè)計構(gòu)想進行制造、驗證和調(diào)整；其二，綠色環(huán)保，3D打印技術(shù)相對而言省去了多道復(fù)雜的加工工藝，在成型過程中避免了對材料進行切割加工，顯著減少了工藝廢料的產(chǎn)生，是一種具有綠色設(shè)計優(yōu)越性的可持續(xù)制造技術(shù)；其三，高效快速，3D打印技術(shù)比較于傳統(tǒng)成型技術(shù)，免去了模具的設(shè)計和制造修整的步驟，減少了大量的工藝加工工序，縮短了加工周期，提高了加工材料利用率，能高效率地實現(xiàn)大批量復(fù)雜零部件的快速成型。

二、3D打印技術(shù)在設(shè)計創(chuàng)新教育中的應(yīng)用模式

隨著3D打印技術(shù)的日臻完善，越來越多的桌面型、小型化、高精度3D打印設(shè)備進入高校及科研機構(gòu)，成為設(shè)計教育創(chuàng)新發(fā)展路徑探索的重要實現(xiàn)手段之一。而工業(yè)設(shè)計學(xué)科強調(diào)創(chuàng)造性與實踐性的教育需求，與3D打印技術(shù)這種快速實現(xiàn)的特性不謀而合。其中，最具代表性的3D打印設(shè)計教育創(chuàng)新項目可以劃分為三類：創(chuàng)客空間、創(chuàng)新實驗室和STEAM教育。

（一）創(chuàng)客空間：創(chuàng)客（Maker）源于美國麻省理工學(xué)院的實驗課題，該課題以創(chuàng)新為理念，以用戶為中心，以個人設(shè)計和制造為核心內(nèi)容，參與項目的學(xué)生即為“創(chuàng)客”。創(chuàng)客空間（Marker space）是支持創(chuàng)客完成個人產(chǎn)品DIY制作的開放性工作空間。在創(chuàng)客空間內(nèi)，互聯(lián)網(wǎng)為協(xié)同創(chuàng)新提供支持和資源，3D打印機等桌面制造設(shè)備，為創(chuàng)客將創(chuàng)意轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品原型提供技術(shù)保障。

（如圖2）所示，加拿大達爾豪斯大學(xué)圖書館是加拿大第一個構(gòu)建創(chuàng)客空間并向全校師生提供3D打印服務(wù)的高校圖書館。該校圖書館創(chuàng)客空間提供集中分布型與創(chuàng)業(yè)發(fā)展型兩種模式的3D打印并行服務(wù)。集中分布型是指圖書館以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)造性思維為目的，集中為學(xué)生提供3D打印技術(shù)相關(guān)的知識體系培訓(xùn)和體驗式服務(wù)。創(chuàng)業(yè)發(fā)展型模式是該校圖書館由“文獻服務(wù)”向“創(chuàng)新服務(wù)”轉(zhuǎn)型的重要嘗試，圖書館的創(chuàng)客空間為不同學(xué)科背景的學(xué)生進行協(xié)同創(chuàng)新提供必要的空間、平臺和技術(shù)支持，并通過3D打印機等設(shè)備最終將創(chuàng)意轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品原型的服務(wù)模式。目前，上海交通大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、華東理工大學(xué)等國內(nèi)高校圖書館也紛紛導(dǎo)入該模式，現(xiàn)階段以提供3D打印體驗式服務(wù)居多。由高校圖書館構(gòu)建的以3D打印、3D掃描等快速制造設(shè)備為支撐的知識共享、知識創(chuàng)新服務(wù)模式，是今后高校設(shè)計創(chuàng)新教育發(fā)展的重要路徑之一。

（二）創(chuàng)新實驗室：為打破學(xué)科界線，更好地實現(xiàn)知識融合和知識創(chuàng)新，通過提供3D打印機等數(shù)字工具與資源，從而為學(xué)生提供適宜的學(xué)習(xí)環(huán)境和學(xué)習(xí)資源的開放式創(chuàng)新實驗室應(yīng)運而生。這些實驗室通過開展多學(xué)科交叉的創(chuàng)新研究和課程，以實現(xiàn)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)意能力。

由美國國家科學(xué)基金會和麥克阿瑟金基金會資助的項目“Fab@School”，是開展集設(shè)計和3D打印于一體的創(chuàng)新課程教育。該課程通過設(shè)置一個實際的應(yīng)用場景，讓學(xué)生解決場景中的現(xiàn)實任務(wù)。學(xué)生在應(yīng)用3D打印技術(shù)解決問題的過程中，不僅將物理原理等抽象概念實體化，同時還學(xué)習(xí)掌握了工程設(shè)計知識。弗吉尼亞大學(xué)的格倫布爾（Glen Bull）教授及他的團隊創(chuàng)立了“邊做邊學(xué)”課程計劃，在該課程的應(yīng)用場景里，學(xué)生要扮演成一個名叫“威廉”的非洲男孩，并利用限定的材料制造風(fēng)力發(fā)電機，以解救陷入停電危機的村莊。課程中，學(xué)生通過一系列的動手實驗學(xué)習(xí)動能、電流和傳動比等抽象的科學(xué)概念。（如圖3）所示，學(xué)生利用軟件和3D打印機設(shè)計制作出塑料風(fēng)力發(fā)電機。Fab@School重點并不是設(shè)計軟硬件和學(xué)習(xí)3D打印技術(shù)，而是聚焦利用3D打印解決實際的社會問題，進而幫助學(xué)生了解并掌握抽象的科學(xué)概念。

不同于傳統(tǒng)實驗室，創(chuàng)新實驗室更加注重通過抽象概念解決開放性問題，并強調(diào)設(shè)計效果的驗證。學(xué)生通過創(chuàng)新設(shè)計、數(shù)字建模和3D打印驗證，使理論與實踐相結(jié)合，為以往抽象的概念學(xué)習(xí)引入了新的知識學(xué)習(xí)維度。

（三）STEAM教育：發(fā)端于美國的STEAM教育是集科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、藝術(shù)（Art）和數(shù)學(xué)（Mathematics）的綜合性教育，以融合多學(xué)科的教學(xué)方式培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力以及解決現(xiàn)實問題的能力。該教育模式具有跨學(xué)科、趣味性、體驗性、協(xié)作性、設(shè)計性、藝術(shù)性等核心特征。基于STEAM教育理念的課程設(shè)置，強調(diào)設(shè)計的重要性，將創(chuàng)新設(shè)計能力培養(yǎng)作為切入點，以3D打印作為課程的輸出技術(shù)。

波士頓藝術(shù)學(xué)院2017年夏季舉辦的STEAMI作坊，參與學(xué)生通過團隊合作、開放式學(xué)習(xí)和設(shè)計實踐完成工作坊“未來世界”的主題。學(xué)生在教師的帶領(lǐng)下，學(xué)習(xí)如何通過研究鳥類飛行的模式以及影響鳥類飛行能力的主要因素如升力、推力、阻力和重力等來制作飛船。學(xué)生通過分析鳥的飛行模式和羽毛結(jié)構(gòu)對鳥類飛行能力的影響，利用生物仿制的方式完成最終設(shè)計。（如圖4）所示，最終設(shè)計方案通過3D打印機、激光切割機等快速制造設(shè)備轉(zhuǎn)化為實物原型，并通過以上五個學(xué)科綜合評價學(xué)生的設(shè)計成果。可以看出，3D打印作為跨學(xué)科交互學(xué)習(xí)情境下的STEAM課程教學(xué)成果的輸出端，發(fā)揮了不可替代的作用，既是學(xué)習(xí)過程中的認知工具，也是實現(xiàn)實物轉(zhuǎn)化的效能工具。

三、3D打印技術(shù)在設(shè)計教育中的應(yīng)用特點

設(shè)計創(chuàng)新教育的學(xué)習(xí)情境下，3D打印技術(shù)不僅是學(xué)習(xí)資源，同時也是學(xué)習(xí)目標(biāo)之一。在設(shè)計創(chuàng)新教育領(lǐng)域，3D打印技術(shù)的應(yīng)用有以下三個方面的顯著特點：

（一）實體化的設(shè)計教育檢驗與評價工具：3D打印操作簡單，對于環(huán)境條件要求低，可實現(xiàn)快速、精細的實物打印。區(qū)別于傳統(tǒng)加工方式，3D打印具有受作品造型的限制小、周期短和費用低等優(yōu)點，能精準(zhǔn)再現(xiàn)學(xué)生的設(shè)計創(chuàng)意。通過3D打印技術(shù)，可將設(shè)計作品的外觀或結(jié)構(gòu)進行高精度的整體或局部的實體呈現(xiàn)，以方便進行造型確認、功能驗證、可用性測試和用戶評價等試驗步驟。在設(shè)計創(chuàng)新教育中導(dǎo)入3D打印技術(shù)，不僅在檢驗教學(xué)成果、驗證、評價設(shè)計的可靠性上具有重要的意義，同時還能促進學(xué)生有效的場景化學(xué)習(xí)工程技術(shù)知識，更好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

（二）以解決問題為導(dǎo)向的個性化創(chuàng)造工具：3D打印的一體化增材制造成型技術(shù)，免去傳統(tǒng)機械加工繁瑣的步驟和部分裝配過程，能高精度地打印出復(fù)雜零件，最大程度地實現(xiàn)學(xué)生的個性化定制。學(xué)生在完成以問題為導(dǎo)向的設(shè)計任務(wù)時，3D打印技術(shù)能滿足學(xué)生不同程度的個性化設(shè)計需求，提升學(xué)生解決現(xiàn)實問題的能力，促進學(xué)生向應(yīng)用型、創(chuàng)造性人才的轉(zhuǎn)化。

（三）虛實結(jié)合的設(shè)計創(chuàng)新教育平臺：在“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下，3D打印技術(shù)不僅是優(yōu)秀的線下教育應(yīng)用技術(shù)，而且能突破時間、地點的限制，實現(xiàn)分布式協(xié)作和制造?；诨ヂ?lián)網(wǎng)的3D打印教學(xué)科研平臺支持多方協(xié)同合作制造，為教師和學(xué)生提供線上交流學(xué)習(xí)平臺。這種集線上線下、虛實結(jié)合、教學(xué)科研為一體的設(shè)計創(chuàng)新教育平臺，能有效地促進多方協(xié)同，產(chǎn)學(xué)研一體化合作模式的發(fā)展。

四、3D打印技術(shù)在設(shè)計創(chuàng)新教育中的發(fā)展趨勢

3D打印是未來設(shè)計創(chuàng)新教育應(yīng)用的主流技術(shù)之一，是開拓基于創(chuàng)造的設(shè)計創(chuàng)新教育必要組成部分，該技術(shù)在設(shè)計創(chuàng)新教育領(lǐng)域的發(fā)展主要呈現(xiàn)以下三個方面的趨勢：

（一）3D打印技術(shù)的進步推動設(shè)計創(chuàng)新教育的發(fā)展：3D打印技術(shù)是多領(lǐng)域、多學(xué)科合作的產(chǎn)物，任一相關(guān)領(lǐng)域的突破都會推動3D打印技術(shù)的發(fā)展，從而影響到教育應(yīng)用的創(chuàng)新。3D打印的技術(shù)不斷發(fā)展進步，將實現(xiàn)打印速度、打印精度、材料運用等方面的應(yīng)用升級，從而為設(shè)計創(chuàng)新教育提供更好的創(chuàng)造性環(huán)境。

（二）跨學(xué)科的3D打印設(shè)計創(chuàng)新教育體系化：隨著運用3D打印的設(shè)計創(chuàng)新教育不斷完善和發(fā)展，將逐漸形成跨學(xué)科整合，以創(chuàng)新協(xié)作解決實際問題為主旨的設(shè)計教育體系。在基于3D打印技術(shù)的創(chuàng)客空間、創(chuàng)新實驗室中，開放式合作即形成對新技術(shù)、新理念的深度學(xué)習(xí)，又實現(xiàn)多維度的設(shè)計教育檢驗和評價。

（三）3D打印技術(shù)在設(shè)計教育行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的逐步建立：目前，3D打印在設(shè)計教育領(lǐng)域中的應(yīng)用缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，一方面導(dǎo)致設(shè)計教學(xué)的質(zhì)量參差不齊，另一方面有損教育資源交流的適用性。3D打印技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化對設(shè)計創(chuàng)新教育的成效評價具有重要影響，如不同材料的物理和化學(xué)屬性，以及所需工作溫度和成型特點、3D打印機的安全防護系統(tǒng)等都需要建立統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

結(jié)語

隨著信息技術(shù)、控制技術(shù)、材料技術(shù)的不斷發(fā)展突破，3D打印技術(shù)將不斷取得突破性的進步，能制造出材料更多樣、結(jié)構(gòu)更復(fù)雜、型面精度更高的產(chǎn)品。該技術(shù)的不斷升級將成為傳統(tǒng)設(shè)計教育創(chuàng)新變革的主要推動力，為設(shè)計創(chuàng)新教育的發(fā)展開拓新路徑。