3D打印技術(shù)在教育中的應(yīng)用及推進(jìn)策略

四川城市職業(yè)學(xué)院汽車與信息工程學(xué)院 四川 成都 610100

目前，教育正在發(fā)生變革，各種基于信息化，3D打印等技術(shù)的教育教學(xué)方式正在影響和改變著傳統(tǒng)的教育。作為教育工作者及相關(guān)部門，需要參與到這個(gè)變革中來(lái)，更好地利用這些技術(shù)來(lái)服務(wù)我們的教育，利用這些技術(shù)促進(jìn)人才的培養(yǎng)。為了充分發(fā)揮3D打印技術(shù)對(duì)教學(xué)的推動(dòng)作用，文章圍繞以下幾個(gè)方面進(jìn)行了探討和研究。

一、3D打印技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展現(xiàn)狀

3D打印作為一種基于數(shù)字技術(shù)的打印，與傳統(tǒng)的打印相比，主要是利用各種材料進(jìn)行三維模型、產(chǎn)品的實(shí)體實(shí)現(xiàn)。在3D打印技術(shù)出現(xiàn)初期，主要是在制造和設(shè)計(jì)領(lǐng)域用來(lái)進(jìn)行模型的制造。隨著打印材料的逐漸成熟，3D打印逐步直接用在了產(chǎn)品的制造中。目前，此技術(shù)幾乎覆蓋了建筑、藝術(shù)設(shè)計(jì)、汽車、航空、醫(yī)療、教育、槍支等眾多領(lǐng)域。按照打印材料以及成型原理的不同，3D打印技術(shù)可以分為擠出熔融成型、粒狀物料成型、光聚合成型幾種類型。根據(jù)打印耗材，其又分為非金屬材料打印和金屬材料打印。在應(yīng)用方面看，3D打印技術(shù)可以應(yīng)用于汽車行業(yè)，用來(lái)打印汽車的零部件?？梢詰?yīng)用在汽車的研發(fā)、生產(chǎn)以及使用過(guò)程的維護(hù)、改裝方面。在航空航天領(lǐng)域，3D打印技術(shù)已完成上萬(wàn)零部件的打印并成功在多種機(jī)型上使用。在生物醫(yī)療中，3D打印也得到了成功的應(yīng)用，用于打印各種活體及器官。在建筑方面，利用3D打印可以讓建筑設(shè)計(jì)藍(lán)圖可視化和設(shè)計(jì)模型精細(xì)化，更好的表達(dá)設(shè)計(jì)者的思想和設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。3D打印技術(shù)還可以用于藝術(shù)設(shè)計(jì)，制造出傳統(tǒng)工藝難以加工或無(wú)法加工的形狀，開辟更廣的設(shè)計(jì)空間。

目前，3D打印機(jī)有桌面級(jí)，商用級(jí)及工業(yè)級(jí)，作為最簡(jiǎn)單的桌面級(jí)熔融堆積和熔絲制造型3D打印機(jī)，根據(jù)打印精度、打印噴頭、成型體積大小的不同，其價(jià)格從幾千元到幾萬(wàn)元不等。而基于燒熔纖維原理以及光固化原理的3D打印機(jī)目前價(jià)格稍高。3D打印材料眾多，根據(jù)打印的精度，打印的應(yīng)用領(lǐng)域，打印的對(duì)象，打印的設(shè)備等可以分為不同的類型。有金屬、陶瓷、工程塑料等。當(dāng)然，這些材料都是根據(jù)打印要求而特殊制造的。從材料的形態(tài)上看，也有不同，有絲狀的、層狀的、液體的和粉末的。通常，從造造價(jià)上看：PLA塑料＜塑料＜樹脂＜全彩砂巖＜尼龍＜藍(lán)蠟＜金屬。除了材料價(jià)格的考慮，另一方面，在使用3D打印的過(guò)程中，我們需要結(jié)合我們使用的目的進(jìn)行材料的選擇。

如果用3D技術(shù)打印模型，在設(shè)計(jì)領(lǐng)域中可以分兩種類型：一是用來(lái)進(jìn)行外觀檢驗(yàn)的，比如，藝術(shù)類設(shè)計(jì)師為了看到自己所設(shè)計(jì)作品呈現(xiàn)出的真實(shí)狀態(tài)，經(jīng)常會(huì)使用3D打印將自己的設(shè)計(jì)作品打印出來(lái)。這種打印出來(lái)的模型可以非常直觀的反應(yīng)設(shè)計(jì)作品的創(chuàng)意?？梢岳O(shè)想和現(xiàn)實(shí)的距離，幫助設(shè)計(jì)師完成最好的外觀修正和設(shè)計(jì)。另外一種則是進(jìn)行產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)測(cè)試和驗(yàn)證。比如，在工業(yè)零件的設(shè)計(jì)中，開模的價(jià)格往往非常昂貴，而利用3D打印技術(shù)可以提前將設(shè)計(jì)的零件等打印出來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)測(cè)試分析，最大可能的降低開模的風(fēng)險(xiǎn)和成本。當(dāng)然，對(duì)于量少或單件的定制產(chǎn)品，在材料和打印技術(shù)滿足產(chǎn)品要求時(shí)，直接打印可以最大的減少設(shè)計(jì)和開模成本。

3D打印技術(shù)發(fā)展到今天，由于其增材制造的優(yōu)越性和能解決很多普通工藝無(wú)法解決的問(wèn)題，其在各個(gè)行業(yè)均有應(yīng)用，誕生了推動(dòng)工業(yè)發(fā)展的個(gè)性化定制，但由于材料成本的問(wèn)題和特殊領(lǐng)域?qū)Υ蛴【鹊母咭螅?D打印技術(shù)的應(yīng)用并沒有得到真正的普及。在調(diào)查中我們發(fā)現(xiàn)，目前有類似水龍頭這樣的企業(yè)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品進(jìn)小區(qū)的個(gè)性化定制，由客戶自主在平臺(tái)上選擇款型進(jìn)行設(shè)計(jì)，按自己的喜好進(jìn)行打印。這無(wú)疑是3D打印技術(shù)在推進(jìn)智能制造進(jìn)程中的重要角色體現(xiàn)。同時(shí)，打印高精度的零件的材料和設(shè)備成本也是高居不下。比如，在調(diào)研中，重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院的重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室利用3D打印進(jìn)行了機(jī)械零件的打印，其中，包含普通工藝無(wú)法完成的零件，打印非常精美，一次成型，省去了焊接和二次裝配，整體性很好。另外，還打印了大型的齒輪，為了滿足要求，所使用的設(shè)備非常昂貴，其所使用的金屬粉末也是進(jìn)口粉末。

二、3D打印技術(shù)在教育中應(yīng)用的方向和意義

3D打印技術(shù)推動(dòng)了制造領(lǐng)域的重大變革，是一次歷史的轉(zhuǎn)折，加快了制造業(yè)發(fā)展的步伐。3D打印技術(shù)對(duì)國(guó)家未來(lái)工業(yè)發(fā)展具有重要意義，教育作為國(guó)家未來(lái)發(fā)展的源動(dòng)力，更需要注重當(dāng)前發(fā)展的形勢(shì)和技術(shù)前沿，我們需要在學(xué)校推廣和使用3D打印技術(shù)。目前許多教育機(jī)構(gòu)都逐步的在引入3D打印，從幼兒教育到大學(xué)教育都有不同的涉及，職業(yè)教育作為教育重要的一個(gè)版塊，所培養(yǎng)的學(xué)生必須了解這些前沿技術(shù)。觀念的轉(zhuǎn)變、技術(shù)的革新，材料的發(fā)展，促使社會(huì)和工業(yè)設(shè)計(jì)行業(yè)不斷進(jìn)步，企業(yè)對(duì)人才的知識(shí)、能力、素質(zhì)的要求在不斷提高，需求也不斷增大。既需要工業(yè)設(shè)計(jì)師這樣的高層次人才，也需要以效果圖繪制、產(chǎn)品手板制作等為代表的高級(jí)應(yīng)用型工業(yè)設(shè)計(jì)人才。另外，隨著產(chǎn)業(yè)和科技的發(fā)展，既懂高端設(shè)備和先進(jìn)科技，又懂工業(yè)設(shè)計(jì)的人才更是少之又少。所以作為職業(yè)院校，培養(yǎng)一系列的綜合型人才更是當(dāng)務(wù)之急。將3D打印引入高職院校勢(shì)在必行。另一方面，將3D打印引入職業(yè)教育具有重要的意義。

1.幫助進(jìn)行教具的制作，輔助教學(xué)。職業(yè)教育的教學(xué)突出的是應(yīng)用，但在設(shè)計(jì)類、結(jié)構(gòu)認(rèn)知與分析類課程教學(xué)過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)遇到教學(xué)模型與實(shí)物不匹配，教材圖形太抽象的情況，而抽象的描述不利于這類知識(shí)的理解，嘗試了借助多種教學(xué)軟件的應(yīng)用，但有了3D打印技術(shù)，這個(gè)問(wèn)題就迎刃而解，教師在教學(xué)的過(guò)程中可借助3D打印技術(shù)打印出相關(guān)的實(shí)體摸型，供學(xué)生觀察研究，將抽象的東西實(shí)物化，幫助學(xué)生進(jìn)行結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)和理解，提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

2.實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)成果快速轉(zhuǎn)化，提升學(xué)習(xí)興趣。在美術(shù)設(shè)計(jì)類或機(jī)械設(shè)計(jì)類等課程中，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)無(wú)法讓學(xué)生迅速的看到自己所設(shè)計(jì)的成果的實(shí)物，課程就顯得較為枯燥。將3D打印引入這類設(shè)計(jì)課程中，利用3D打印機(jī)可直接打印出學(xué)生自己設(shè)計(jì)的實(shí)物，學(xué)生們可以根據(jù)實(shí)物進(jìn)行設(shè)計(jì)的評(píng)估和修正，讓學(xué)生較快的看到自己的設(shè)計(jì)成果和進(jìn)行設(shè)計(jì)的完善，極大縮短實(shí)物制造時(shí)間，可以增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)類課程的興趣。

3.有利于產(chǎn)教融合，實(shí)現(xiàn)教學(xué)成果到產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化。將3D打印技術(shù)引入到高職教育，引入進(jìn)校園。一方面，可以面向本校師生提供教學(xué)、科研、培訓(xùn)等創(chuàng)新服務(wù)；另一方面，可以面向社會(huì)、企業(yè)及個(gè)人提供產(chǎn)品模型、個(gè)性化定制等3D打印服務(wù)，可以成為學(xué)校與社會(huì)、企業(yè)及個(gè)人之間“產(chǎn)、學(xué)、研、服務(wù)”于一體的橋梁紐帶和綜合技術(shù)服務(wù)平臺(tái)，促進(jìn)產(chǎn)教融合，實(shí)現(xiàn)教學(xué)成果的轉(zhuǎn)化以及社會(huì)服務(wù)。

4.促進(jìn)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的最好場(chǎng)合和手段是日常教學(xué)活動(dòng)，如何有效利用有限的課堂教學(xué)時(shí)間培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力是值得我們關(guān)注的問(wèn)題。3 D打印技術(shù)為現(xiàn)代教學(xué)提供了新的媒體形式，有助于開創(chuàng)新的教學(xué)活動(dòng)方式。3D打印技術(shù)能夠?qū)⑽矬w從虛擬的數(shù)字模型直接制造出三維實(shí)體產(chǎn)品，真正實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造一體化。學(xué)習(xí)者可以利用所學(xué)知識(shí)自己嘗試設(shè)計(jì)、制作3 D打印機(jī)或者創(chuàng)意產(chǎn)品，將所學(xué)知識(shí)運(yùn)用在實(shí)踐中，學(xué)生在這種真實(shí)環(huán)境中獲得感性認(rèn)識(shí)，體驗(yàn)做的過(guò)程。這樣的過(guò)程可以促發(fā)學(xué)生不斷的思考和探索式的學(xué)習(xí)和研究，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性和創(chuàng)造性，有效推進(jìn)我們的創(chuàng)新教育，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維，促進(jìn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)和創(chuàng)新成果的產(chǎn)生。

5.推進(jìn)3D打印技術(shù)的發(fā)展。技術(shù)如果想有所突破，首先得有一大批感興趣的人。任何一項(xiàng)技術(shù)的革新和進(jìn)步都源于使用者的需求和探索，學(xué)生在進(jìn)行該技術(shù)的學(xué)習(xí)和使用中，必然會(huì)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的不完善和提出更高的使用要求。此時(shí)，具備技術(shù)基礎(chǔ)、使用需求、又對(duì)該技術(shù)有濃厚興趣的學(xué)生勢(shì)必會(huì)用他們的得天獨(dú)厚的創(chuàng)造性和與之而來(lái)的好奇心去探索這項(xiàng)技術(shù)，去研究它，這種不斷壯大的力量將最終推動(dòng)3D打印技術(shù)的發(fā)展。

三、3D打印技術(shù)在教育中應(yīng)用的現(xiàn)狀

通過(guò)對(duì)四川及周邊的院校的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在這個(gè)區(qū)域，3D打印技術(shù)目前在教育中的應(yīng)用情況不容樂觀，大致情況如下：3D打印技術(shù)已經(jīng)逐步輻射進(jìn)入校園，輻射教育階段廣，從幼兒、小學(xué)到大學(xué)都有涉及，在中小學(xué)階段主要用于激發(fā)創(chuàng)作興趣上，以“玩?！迸d趣方式在進(jìn)行推行使用，在大學(xué)階段主要是少部分偏設(shè)計(jì)類的專業(yè)的少部分人使用。3D打印技擁有量和擁有的等級(jí)有限。中小學(xué)中大部分學(xué)校沒有3D打印技，擁有的學(xué)校少且一般只有一臺(tái)桌面級(jí)熔融堆積和熔絲制造型3D打印機(jī)。從大學(xué)和高職院校相比，絕大部分大學(xué)的不同專業(yè)院系都有3D打印機(jī)。在所調(diào)研的省內(nèi)高職院校中，有的院校沒有3D打印機(jī)，有的院校也僅僅局限于少量的專業(yè)，所使用的臺(tái)數(shù)也非常有限。院校師生對(duì)3D打印技術(shù)認(rèn)識(shí)和掌握不夠。在調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，絕大部分教師和學(xué)生僅僅是聽說(shuō)過(guò)3D打印技術(shù)，簡(jiǎn)單的認(rèn)為3D打印技術(shù)是一項(xiàng)高級(jí)的技術(shù)，而對(duì)技術(shù)本身是完全不了解，也不知道怎么去涉及，更不知道3D打印技術(shù)和自己的教學(xué)和學(xué)習(xí)又什么關(guān)系，以及怎么去結(jié)合自己的專業(yè)進(jìn)行相關(guān)應(yīng)用。部分師生更是認(rèn)為其價(jià)格和技術(shù)都遙不可及。

四、3D打印技術(shù)在教育中應(yīng)用的推進(jìn)策略

3D打印技術(shù)應(yīng)用在教育中有如此重要的意義，但反觀我們的應(yīng)用現(xiàn)狀不容樂觀，為了將3D打印技術(shù)更好的用在教育中，充分發(fā)揮其對(duì)教育的推動(dòng)作用和教育對(duì)3D打印技術(shù)發(fā)展的反哺作用，項(xiàng)目組根據(jù)調(diào)研情況和討論，提出了如下的推進(jìn)策略。

1.理念引領(lǐng)。在調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，許多師生的回答讓我們驚訝，也許是出于西部，很多師生仍然覺得該技術(shù)充滿神秘感，遙不可及，理所當(dāng)然就回避，沒有想過(guò)在自己的學(xué)習(xí)和教學(xué)中去使用它，因此當(dāng)務(wù)之急是解決意識(shí)問(wèn)題，對(duì)師生普及常識(shí)，一方面讓大家意識(shí)到3D打印技術(shù)并不神秘，并不是所有打印材料都非常昂貴。另一方面，讓相關(guān)教師認(rèn)識(shí)3D打印技術(shù)對(duì)輔助教學(xué)、提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維具有其他技術(shù)無(wú)可比擬的作用。

2.教材引導(dǎo)。需要規(guī)范和編訂相應(yīng)的3D打印技術(shù)入門級(jí)教材，教材的內(nèi)容應(yīng)該既涵蓋有關(guān)3D打印技術(shù)的發(fā)展、3D打印相關(guān)科普知識(shí)，又涵蓋簡(jiǎn)單通用3D打印機(jī)應(yīng)用的知識(shí)。在此基礎(chǔ)上，再針對(duì)性分類分專業(yè)推行其他有關(guān)3D打印技術(shù)應(yīng)用的課程教材。通過(guò)教材引導(dǎo)，讓院校的教師進(jìn)一步了解3D打印技術(shù)，學(xué)會(huì)簡(jiǎn)單桌面級(jí)3D打印機(jī)的使用，從而進(jìn)一步將3D打印技術(shù)與自己的專業(yè)結(jié)合，設(shè)計(jì)課程和進(jìn)行教學(xué)。

3.設(shè)備支撐。院校要進(jìn)行設(shè)備的引入，作為院校，可以嘗試整合資源，在初期以搭建創(chuàng)新平臺(tái)的方式購(gòu)入桌面級(jí)打印機(jī)，統(tǒng)一管理，供全院師生使用。一方面可以作為創(chuàng)新工作室，促進(jìn)協(xié)同創(chuàng)新；另一方面，可以作為全院師生的學(xué)習(xí)場(chǎng)地，借助企業(yè)和教材對(duì)全院教師進(jìn)行3D打印技術(shù)的初步普及教學(xué)。待專業(yè)教師有了對(duì)3D打印技術(shù)的進(jìn)一步掌握，將3D技術(shù)與專業(yè)教學(xué)進(jìn)行探討和融合之后，有針對(duì)性分批分類的為相關(guān)專業(yè)建設(shè)專門的3D打印工作室。既輔助了專業(yè)教學(xué)，又有利于成果的轉(zhuǎn)化，促進(jìn)產(chǎn)教融合。

4.試驗(yàn)先行。由于我省處于西部，起步較低，各所院校的條件又不相同，直接全面推行將3D打印技術(shù)引入院校，勢(shì)必會(huì)給一些院校帶來(lái)壓力。在全省范圍內(nèi)，可以試驗(yàn)先行。利用政策扶持和相關(guān)的鼓勵(lì)政策，進(jìn)行試點(diǎn)，讓企業(yè)積極參與和資助院校進(jìn)行3D打印實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，讓院校積極引入3D打印技術(shù)進(jìn)校園。

5.搭建平臺(tái)。通過(guò)搭建平臺(tái)，讓政府、行業(yè)專家、3D打印企業(yè)、高職院校共同來(lái)研究和實(shí)施3D打印技術(shù)進(jìn)校園的方案，形成校政企聯(lián)盟，共同推進(jìn)3改進(jìn)D打印技術(shù)在教育中的應(yīng)用。

技術(shù)在創(chuàng)新，教育也需要變革。3D打印技術(shù)在教育中的應(yīng)用將會(huì)給教育帶來(lái)不一樣的前景，按照這樣的策略來(lái)推進(jìn)3D打印技術(shù)在教育中的應(yīng)用，我們有理由相信，3D打印技術(shù)將會(huì)逐步在我省的院校推行，助力我省的教育。