3D打印技術(shù)在技工院校教學(xué)中應(yīng)用的研究

高玉忠

摘 要：3D打印技術(shù)是一項(xiàng)基于材料堆積的先進(jìn)技術(shù)，出現(xiàn)于20世紀(jì)80年代。雖然它不是新技術(shù)，但是近年來(lái)卻成為大家關(guān)注的熱點(diǎn)，由軍工領(lǐng)域逐漸進(jìn)入民用領(lǐng)域。但在教育應(yīng)用領(lǐng)域，特別是技工教育領(lǐng)域，3D打印技術(shù)起步較晚，還處于試驗(yàn)階段。本文介紹了3D技術(shù)在技工院校的教學(xué)應(yīng)用以及在技工院校的未來(lái)前景。

關(guān)鍵詞：3D打印 材料堆積 技工教育 教學(xué)應(yīng)用

3D打印技術(shù)被譽(yù)為“第三次工業(yè)革命”的重要技術(shù)之一，會(huì)對(duì)多個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域產(chǎn)生重大的影響。3D打印技術(shù)的出現(xiàn)讓個(gè)性化的定制與生產(chǎn)成為可能，在珠寶設(shè)計(jì)、鞋類設(shè)計(jì)、航空航天、汽車產(chǎn)業(yè)、食品等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用空間。但是，在教育應(yīng)用領(lǐng)域，特別是技工教育領(lǐng)域，3D打印還是一項(xiàng)比較新的技術(shù)，對(duì)大家來(lái)說(shuō)還比較陌生，有許多問(wèn)題值得研究和探討。

一、3D打印技術(shù)的概念

從專業(yè)的角度來(lái)說(shuō)，3D打印技術(shù)其實(shí)就是快速原型制造（Rapid Prototyping Manufacturing）技術(shù)或者快速成型技術(shù)。3D打印是一種利用三維立體軟件模型的相關(guān)數(shù)據(jù)，通過(guò)逐層增加材料的增材制造方式，與傳統(tǒng)的加工工藝（削材制造）完全相反。它的工作原理和一般打印機(jī)基本相同，3D打印機(jī)內(nèi)裝有液體樹(shù)脂或金屬粉末等“打印材料”，通過(guò)數(shù)據(jù)線與計(jì)算機(jī)端口連接，利用計(jì)算機(jī)控制打印機(jī)把相應(yīng)材料逐層堆積，最終把設(shè)計(jì)的三維立體模型變成實(shí)物。3D打印機(jī)不需要任何加工設(shè)備，就可以把計(jì)算機(jī)中的任意三維立體圖形數(shù)據(jù)，生成相應(yīng)的形狀，因此大大縮短產(chǎn)品的更新?lián)Q代周期，提高了生產(chǎn)率，降低了生產(chǎn)成本，這都是傳統(tǒng)加工工藝無(wú)法比擬的。3D打印技術(shù)融合了機(jī)電一體化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、三維建模技術(shù)、機(jī)械、材料等方面的前沿技術(shù)，具有相當(dāng)高的科技含量。

二、3D打印的工作原理及特點(diǎn)

1.3D打印技術(shù)的原理

3D打印技術(shù)是一種堆積制造技術(shù)，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)制造產(chǎn)品。盡管目前打印機(jī)使用的材料和工藝不同，但是3D打印的基本原理都是根據(jù)要打印的三維模型，一層一層堆疊而成。比如PLA/ABS材料，就是在3D打印機(jī)噴頭內(nèi)將其加熱后形成絲，然后將絲一層層地堆起來(lái)，形成三維實(shí)物;液體樹(shù)脂材料，就是3D打印機(jī)的噴頭于托盤上噴灑一層液態(tài)物質(zhì)，利用紫外線進(jìn)行處理，形成固體后逐層堆積形成三維實(shí)體;金屬粉末材料，利用激光照射金屬粉末，讓粉末融化冷卻形成固體后再逐層堆積形成三維實(shí)體。無(wú)論是哪種3D打印材料，都是一層層的堆材料，而不是像傳統(tǒng)的加工工藝那樣把材料削去，3D打印技術(shù)堆疊人們需要的部分，傳統(tǒng)的加工工藝去掉人們不需要的部分，兩者的加工方法是截然不同的。

2.3D打印技術(shù)的特點(diǎn)

3D打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是不需要機(jī)械加工和磨具，能直接從電腦三維圖形數(shù)據(jù)打印出任何形狀的物體。傳統(tǒng)的制造技術(shù)是減材制造技術(shù)，即通過(guò)車床、銑床、機(jī)床等機(jī)械加工工具將原材料制造成產(chǎn)品，其典型的特征是削減不需要的材料來(lái)生產(chǎn)零件。與傳統(tǒng)的加工工藝相比，3D打印技術(shù)有以下特點(diǎn)。

（1）個(gè)性化設(shè)計(jì)制作

用戶可以根據(jù)自己的需求，通過(guò)建模軟件構(gòu)建所需的三維模型，進(jìn)行個(gè)性化的創(chuàng)作，制造出傳統(tǒng)加工設(shè)備無(wú)法制造的外形。

（2）高材料利用率

3D打印技術(shù)是增材制造技術(shù)，通過(guò)對(duì)材料一層層堆積形成所需產(chǎn)品，此過(guò)程可以做到原材料零浪費(fèi)，并且在實(shí)際加工過(guò)程中不需要生產(chǎn)線，降低了生產(chǎn)成本。

（3）縮短新產(chǎn)品的研發(fā)周期

傳統(tǒng)的產(chǎn)品制作往往要先進(jìn)行模具的設(shè)計(jì)、制作，再制作模型，后續(xù)還要進(jìn)行修整操作，這使得制作周期很長(zhǎng)，然而3D打印技術(shù)可以省略一些步驟，縮短新產(chǎn)品的研發(fā)周期。

三、3D打印技術(shù)在技工教育應(yīng)用的分析

1.3D打印技術(shù)在技工教育應(yīng)用的現(xiàn)狀

經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展和國(guó)家政策的扶持，3D打印技術(shù)在一些領(lǐng)域較為成熟。但在教育領(lǐng)域，尤其在職業(yè)技工教育領(lǐng)域，未得到大面積普及和推廣。3D打印技術(shù)直到最近幾年才在學(xué)校有了初步的發(fā)展，一些技工院校在積極的研究和探索，希望將此技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際的教學(xué)中去，有的學(xué)校還開(kāi)辦了3D打印專業(yè)，但這些都還在探索階段。技工院校作為為國(guó)家培養(yǎng)高素質(zhì)技能型人才的基地，在教學(xué)和實(shí)踐中普及3D打印技術(shù)就顯得十分必要。

2.3D打印教學(xué)的理論依據(jù)

無(wú)論在理論教學(xué)還是實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，3D打印技術(shù)都將發(fā)揮重要的作用。教師可以根據(jù)自己的教學(xué)需要，用3D打印機(jī)打印出各種各樣的理論課件模型，創(chuàng)造一種全新的教學(xué)活動(dòng)方式。下面從戴爾“經(jīng)驗(yàn)之塔”理論和教學(xué)理論的角度，對(duì)基于3D打印技術(shù)的教學(xué)活動(dòng)進(jìn)行分析。

（1）“經(jīng)驗(yàn)之塔”理論與3D打印技術(shù)

“經(jīng)驗(yàn)之塔”理論是用一個(gè)學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)的三角形寶塔圖來(lái)表示不同學(xué)習(xí)方式的學(xué)習(xí)效果，將人們的經(jīng)驗(yàn)分為三大類：做的經(jīng)驗(yàn)、觀察的經(jīng)驗(yàn)和抽象的經(jīng)驗(yàn)。

學(xué)生用3D打印機(jī)打印三維實(shí)體時(shí)可獲得豐富的“做的經(jīng)驗(yàn)”，用建模軟件設(shè)計(jì)三維模型時(shí)可以獲得豐富的設(shè)計(jì)制作經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)展覽3D打印的作品，可以使學(xué)生獲得豐富的“觀察的經(jīng)驗(yàn)”，這些感性經(jīng)驗(yàn)給學(xué)生的學(xué)習(xí)提供了很大的幫助。3D打印技術(shù)可以將教學(xué)內(nèi)容中某些抽象復(fù)雜的理論知識(shí)進(jìn)行具體化展現(xiàn)，使學(xué)生更好地理解“抽象經(jīng)驗(yàn)”，從而提高思維能力和遷移能力。

（2）教學(xué)理論與3D打印技術(shù)

教學(xué)理論方法中的實(shí)驗(yàn)教學(xué)法，讓3D打印技術(shù)得到充分運(yùn)用。實(shí)驗(yàn)教學(xué)法是學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，使用一定的儀器設(shè)備和材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，觀察和研究這種操作引起現(xiàn)象和過(guò)程，以獲取相關(guān)知識(shí)的教學(xué)方法。在課堂上，學(xué)生可以在教師指導(dǎo)下使用3D打印機(jī)，在打印過(guò)程中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。

綜上所述，3D打印技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的延伸，它使人獲得更真實(shí)的感覺(jué)，進(jìn)一步促進(jìn)了人的思維能力的發(fā)展，它與教學(xué)的融合勢(shì)在必行

3.3D打印技術(shù)在技工教育課堂教學(xué)的應(yīng)用

3D打印技術(shù)在技工院校課堂的理論教學(xué)中發(fā)揮著重要的作用。教師可以根據(jù)自己的教學(xué)需要用3D打印機(jī)打印各種各樣的三維實(shí)體模型，將抽象復(fù)雜的理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為具體的實(shí)體模型，使學(xué)生可以更形象更具體的理解所要學(xué)習(xí)的知識(shí)。一個(gè)具體的實(shí)物勝過(guò)成千上萬(wàn)條語(yǔ)言的表述。將3D打印技術(shù)運(yùn)用到教學(xué)中，可以將抽象的理論知識(shí)變得更容易理解，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，更有助于知識(shí)的遷移。下面從幾個(gè)專業(yè)介紹3D打印技術(shù)在技工院校的應(yīng)用。

（1）機(jī)械設(shè)計(jì)專業(yè)

在機(jī)械設(shè)計(jì)專業(yè)的理論基礎(chǔ)課或者專業(yè)課中，為了使學(xué)生更好地理解和掌握所學(xué)知識(shí)，需要使用教具輔導(dǎo)課堂教學(xué)，如機(jī)械設(shè)計(jì)的齒輪嚙合裝置、機(jī)械原理的四桿機(jī)構(gòu)、機(jī)械制圖的一些復(fù)雜的三維立體模型等。隨著技術(shù)的快速發(fā)展，新的專業(yè)技術(shù)不斷涌現(xiàn)，教材每過(guò)幾年就會(huì)更新，但教具卻沒(méi)有淘汰，這導(dǎo)致了教材內(nèi)容和教具不匹配，會(huì)直接影響到課堂的教學(xué)效果。有了3D打印技術(shù)后，教師可以根據(jù)教學(xué)需要自己打印教具，也可以讓學(xué)生參與到教具的制作過(guò)程，學(xué)生還可以觀察和組裝這些教具，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，教師可以更好地掌控課堂，還可以減少教學(xué)成本，不用再買教學(xué)教具了，這種教學(xué)方式肯定要比原來(lái)的教學(xué)效果好。

（2）建筑專業(yè)

建筑專業(yè)的學(xué)生在設(shè)計(jì)作品的過(guò)程中一般都要用Auto CAD、Sketchup、3D MAX等軟件，進(jìn)行一系列的結(jié)構(gòu)形狀設(shè)計(jì)。電腦上三維模型肯定沒(méi)有實(shí)物直觀性，并且還容易忽略一些細(xì)節(jié)問(wèn)題。如果采用傳統(tǒng)的方法制作作品實(shí)體模型，時(shí)間長(zhǎng)且不合格率極高，所需的費(fèi)用也是很大的。但利用3D打印技術(shù)，學(xué)生只需要在電腦上設(shè)計(jì)好作品三維模型，然后把數(shù)據(jù)輸入打印機(jī)中，利用打印機(jī)在很短的時(shí)間內(nèi)打印出1：1或者縮小、放大模型。學(xué)生在設(shè)計(jì)初期就可以發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和不足，及時(shí)對(duì)自己的設(shè)計(jì)方案做出調(diào)整，教師也可以及時(shí)給予幫助和指導(dǎo)，避免更大的錯(cuò)誤。

（3）車輛工程專業(yè)

車輛工程專業(yè)的學(xué)生都要學(xué)習(xí)相關(guān)的理論課程，如理論力學(xué)、材料力學(xué)、汽車?yán)碚?、汽車?gòu)造等。在傳統(tǒng)的理論教學(xué)中，往往都是教師單純地講解知識(shí)，學(xué)生被動(dòng)接受。比如汽車構(gòu)造這門課程，在講解過(guò)程中汽車的各組成件只能通過(guò)二維圖像來(lái)觀看，這不利于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和空間想象能力。有了3D打印技術(shù)后，教師可以根據(jù)教學(xué)需要來(lái)打印汽車的各組成件，通過(guò)三維實(shí)體模型讓學(xué)生更好地理解汽車相關(guān)理論和組成件;學(xué)生還可以根據(jù)汽車各組成件來(lái)組裝汽車整車，參與到教學(xué)中來(lái)，也加強(qiáng)了學(xué)生的動(dòng)手能力，教師可以更好地掌控課堂。往常汽車設(shè)計(jì)時(shí)，學(xué)生在電腦上設(shè)計(jì)好三維立體模型，通過(guò)觀看虛擬模型來(lái)查找設(shè)計(jì)的不足，并作出改正。這種設(shè)計(jì)方法是有缺陷的，粗心大意的學(xué)生會(huì)忽略一些細(xì)節(jié)。有了3D打印機(jī)后，學(xué)生可以打印各種各樣的汽車實(shí)體部件，更便于查找設(shè)計(jì)中的不足。

四、3D打印技術(shù)在技工教育領(lǐng)域的發(fā)展前景

3D打印技術(shù)在技工院校的應(yīng)用中還面臨著很多需要解決的問(wèn)題，如成本、材料以及師資的培訓(xùn)。在實(shí)際的教學(xué)中，要如何選擇價(jià)格低且能快速打印，具備高精度，低故障的打印機(jī);如何選擇安全無(wú)毒的材料進(jìn)行3D打印，以及在預(yù)算的范圍內(nèi)如何進(jìn)行培訓(xùn)，讓任課教師準(zhǔn)確快速地掌握三維建模軟件和3D打印機(jī)的使用，都是需要解決的問(wèn)題。但3D打印機(jī)將復(fù)雜抽象的知識(shí)變得更容易理解，打印出與教學(xué)相關(guān)的教具，更好地把教師的教學(xué)思想傳遞給學(xué)生;可以使學(xué)習(xí)變得更有趣，讓學(xué)生自發(fā)的參與到教學(xué)中，從而大大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高他們的創(chuàng)新意識(shí);更全面地為教學(xué)服務(wù)，每所學(xué)?？梢愿鶕?jù)學(xué)校自身的需要來(lái)打印適合的教具。相信在未來(lái)的教學(xué)中，3D打印技術(shù)有著廣闊的前景。

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（作者單位：青島市技師學(xué)院）