3D打印技術在設計創(chuàng)新教育領域的應用發(fā)展研究

李勇　馬洪杰

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

關鍵詞：3D打印技術設計創(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 文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2018）03-0034-02

引言

3D打印技術在2012年被英國《經(jīng)濟學人》雜志列為“第三次工業(yè)革命”的重要標志之一，該技術在航空、汽車、醫(yī)療、建筑等眾多領域得到了廣泛應用。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打印技術將成為基礎教育和高等教育領域中的主流應用技術。從近年3D打印技術在教育領域的應用案例中可以看出，該技術的成功導入，在激發(fā)學生創(chuàng)新意識和提升創(chuàng)造能力方面具有巨大的應用發(fā)展空間。

一、3D打印技術原理與特點

（一）3D打印技術原理：3D打印技術，又稱增材制造技術，是基于原料噴射成型原理的快速成型技術。它的基本思路是利用計算機軟件將構建完成的三維數(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、熔結、燒結等物理、化學手段，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打印技術獲取實體物品一般要經(jīng)過數(shù)字化設計、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打印技術成型工藝有：熔融沉積制造、立體噴印成型、激光選區(qū)燒結、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打印技術的應用特點：在實際運用中，3D打印技術主要表現(xiàn)出以下三個特點：其一，自由制造，3D打印技術區(qū)別于減材制造技術，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、異形深孔的復雜零部件的成型問題，因而利用3D打印技術能自由、靈活地對設計構想進行制造、驗證和調(diào)整；其二，綠色環(huán)保，3D打印技術相對而言省去了多道復雜的加工工藝，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，是一種具有綠色設計優(yōu)越性的可持續(xù)制造技術；其三，高效快速，3D打印技術比較于傳統(tǒng)成型技術，免去了模具的設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)大批量復雜零部件的快速成型。

二、3D打印技術在設計創(chuàng)新教育中的應用模式

隨著3D打印技術的日臻完善，越來越多的桌面型、小型化、高精度3D打印設備進入高校及科研機構，成為設計教育創(chuàng)新發(fā)展路徑探索的重要實現(xiàn)手段之一。而工業(yè)設計學科強調(diào)創(chuàng)造性與實踐性的教育需求，與3D打印技術這種快速實現(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，以個人設計和制造為核心內(nèi)容，參與項目的學生即為“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備，為創(chuàng)客將創(chuàng)意轉化成產(chǎn)品原型提供技術保障。

（如圖2）所示，加拿大達爾豪斯大學圖書館是加拿大第一個構建創(chuàng)客空間并向全校師生提供3D打印服務的高校圖書館。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。集中分布型是指圖書館以激發(fā)學生的學習興趣和創(chuàng)造性思維為目的，集中為學生提供3D打印技術相關的知識體系培訓和體驗式服務。創(chuàng)業(yè)發(fā)展型模式是該校圖書館由“文獻服務”向“創(chuàng)新服務”轉型的重要嘗試，圖書館的創(chuàng)客空間為不同學科背景的學生進行協(xié)同創(chuàng)新提供必要的空間、平臺和技術支持，并通過3D打印機等設備最終將創(chuàng)意轉化為產(chǎn)品原型的服務模式。目前，上海交通大學、復旦大學、華東理工大學等國內(nèi)高校圖書館也紛紛導入該模式，現(xiàn)階段以提供3D打印體驗式服務居多。由高校圖書館構建的以3D打印、3D掃描等快速制造設備為支撐的知識共享、知識創(chuàng)新服務模式，是今后高校設計創(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，從而為學生提供適宜的學習環(huán)境和學習資源的開放式創(chuàng)新實驗室應運而生。這些實驗室通過開展多學科交叉的創(chuàng)新研究和課程，以實現(xiàn)培養(yǎng)學生的創(chuàng)新創(chuàng)意能力。

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

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)設計效果的驗證。學生通過創(chuàng)新設計、數(shù)字建模和3D打印驗證，使理論與實踐相結合，為以往抽象的概念學習引入了新的知識學習維度。

（三）STEAM教育：發(fā)端于美國的STEAM教育是集科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）、藝術（Art）和數(shù)學（Mathematics）的綜合性教育，以融合多學科的教學方式培養(yǎng)學生創(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科、趣味性、體驗性、協(xié)作性、設計性、藝術性等核心特征?；赟TEAM教育理念的課程設置，強調(diào)設計的重要性，將創(chuàng)新設計能力培養(yǎng)作為切入點，以3D打印作為課程的輸出技術。

波士頓藝術學院2017年夏季舉辦的STEAMI作坊，參與學生通過團隊合作、開放式學習和設計實踐完成工作坊“未來世界”的主題。學生在教師的帶領下，學習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。學生通過分析鳥的飛行模式和羽毛結構對鳥類飛行能力的影響，利用生物仿制的方式完成最終設計。（如圖4）所示，最終設計方案通過3D打印機、激光切割機等快速制造設備轉化為實物原型，并通過以上五個學科綜合評價學生的設計成果?？梢钥闯觯?D打印作為跨學科交互學習情境下的STEAM課程教學成果的輸出端，發(fā)揮了不可替代的作用，既是學習過程中的認知工具，也是實現(xiàn)實物轉化的效能工具。

三、3D打印技術在設計教育中的應用特點

設計創(chuàng)新教育的學習情境下，3D打印技術不僅是學習資源，同時也是學習目標之一。在設計創(chuàng)新教育領域，3D打印技術的應用有以下三個方面的顯著特點：

（一）實體化的設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，能精準再現(xiàn)學生的設計創(chuàng)意。通過3D打印技術，可將設計作品的外觀或結構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。在設計創(chuàng)新教育中導入3D打印技術，不僅在檢驗教學成果、驗證、評價設計的可靠性上具有重要的意義，同時還能促進學生有效的場景化學習工程技術知識，更好地培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。

（二）以解決問題為導向的個性化創(chuàng)造工具：3D打印的一體化增材制造成型技術，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雜零件，最大程度地實現(xiàn)學生的個性化定制。學生在完成以問題為導向的設計任務時，3D打印技術能滿足學生不同程度的個性化設計需求，提升學生解決現(xiàn)實問題的能力，促進學生向應用型、創(chuàng)造性人才的轉化。

（三）虛實結合的設計創(chuàng)新教育平臺：在“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下，3D打印技術不僅是優(yōu)秀的線下教育應用技術，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打印教學科研平臺支持多方協(xié)同合作制造，為教師和學生提供線上交流學習平臺。這種集線上線下、虛實結合、教學科研為一體的設計創(chuàng)新教育平臺，能有效地促進多方協(xié)同，產(chǎn)學研一體化合作模式的發(fā)展。

四、3D打印技術在設計創(chuàng)新教育中的發(fā)展趨勢

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

（一）3D打印技術的進步推動設計創(chuàng)新教育的發(fā)展：3D打印技術是多領域、多學科合作的產(chǎn)物，任一相關領域的突破都會推動3D打印技術的發(fā)展，從而影響到教育應用的創(chuàng)新。3D打印的技術不斷發(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用升級，從而為設計創(chuàng)新教育提供更好的創(chuàng)造性環(huán)境。

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

（三）3D打印技術在設計教育行業(yè)標準的逐步建立：目前，3D打印在設計教育領域中的應用缺乏統(tǒng)一標準，一方面導致設計教學的質(zhì)量參差不齊，另一方面有損教育資源交流的適用性。3D打印技術的標準化和規(guī)范化對設計創(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)一的標準規(guī)范。

結語

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