利用3D打印技術(shù)深化高職課堂教學(xué)改革的途徑研究

董曉倩

摘要：3D打印技術(shù)為高職教育打開一扇新的窗戶，研究和探索3D打印技術(shù)在不同的教學(xué)階段、教學(xué)層次的課堂教學(xué)實踐活動中和高職教學(xué)的契合點，利用3D打印技術(shù)深化高職課堂教學(xué)改革，提升學(xué)生綜合應(yīng)用能力，有效地促進(jìn)高職教學(xué)水平的實質(zhì)提升。

關(guān)鍵詞：3D打印;課堂教學(xué)改革;學(xué)生實踐

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）07-0092-02

Abstract：3D printing technology opens a new window for Higher Vocational Education，Research and exploration of 3D printing technology in different teaching stages， teaching levels of teaching practice and higher vocational teaching point of agreement. Deepening classroom teaching reform in higher vocational colleges by using 3D printing technology， promoting students' comprehensive application ability and effectively promoting the essential promotion of teaching level in higher vocational colleges.

Key words：3D printing;the reform of higher vocational teaching;curriculum integration

3D打印技術(shù)被喻為第三次工業(yè)革命，將對傳統(tǒng)制造業(yè)、工業(yè)設(shè)計、汽車、航空航天、土木工程、醫(yī)療生物工程、地理信息系統(tǒng)、教育等各個行業(yè)和領(lǐng)域產(chǎn)生深刻的影響。世界很多工業(yè)強國都將3D打印作為未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新型增長點，制定推動3D打印發(fā)展的戰(zhàn)略和措施。我國也于2015年發(fā)布《國家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)計劃（2015～2016年）》以及《中國制造2025》從國家戰(zhàn)略提出3D打印發(fā)展方向和目標(biāo)，明確提出利用3D打印技術(shù)提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)增效升級[1]。將3D打印這種綜合性、交叉性的前沿制造技術(shù)滲入高職教育課程教學(xué)改革中，對推進(jìn)課堂教學(xué)內(nèi)容深化，學(xué)生的綜合應(yīng)用能力提高有著重要的意義。

1 3D打印技術(shù)原理

3D打印即三維打印（Three-Dimensional Printing）技術(shù)，是一種新型快速成型技術(shù)，使用AutoCad、SolidWorks等三維建模軟件繪制建立數(shù)字化模型，或者DIY掃描設(shè)備獲取對象的三維數(shù)據(jù)，通過點云數(shù)據(jù)處理，模型修復(fù)等逆向建立對象三維模型，以此模型為基礎(chǔ)，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過分層加工、迭加成型等形式，逐層增加材料生成3D實體。在技術(shù)的某些方面3D打印和噴墨打印機(jī)技術(shù)相近，通過特殊的設(shè)備將材料一層層噴涂或者熔結(jié)到三維空間，形成所需要的對象。一般來說，通過3D打印獲得一件物品，需要經(jīng)歷建模、分層、打印、后期處理四個主要階段，其具體流程如圖1所示。

2 3D打印深化高職課堂教學(xué)改革

3D打印技術(shù)為高職教育打開一扇新的窗戶，研究和探索3D打印技術(shù)在不同的教學(xué)階段、教學(xué)層次的教學(xué)實踐活動中和高職教學(xué)的契合點，利用3D打印技術(shù)促進(jìn)高職課堂教學(xué)改革，提升學(xué)生的綜合應(yīng)用能力和素質(zhì)，具有重要現(xiàn)實意義。

1）3D打印技術(shù)豐富深化了課程教學(xué)內(nèi)容

在中國制造向中國創(chuàng)造邁進(jìn)，企業(yè)產(chǎn)品向多樣化個性化發(fā)展的時代大背景下，3D打印技術(shù)推進(jìn)了“智能化創(chuàng)新”的新型模式，促進(jìn)了制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級，加速制造業(yè)和信息化產(chǎn)業(yè)的深度融合，提高企業(yè)的綜合競爭能力。為適應(yīng)社會需求，高職院校在傳統(tǒng)專業(yè)的基礎(chǔ)上開設(shè)3D打印相關(guān)專業(yè)和相關(guān)課程，如Solidworks、3DMax、3D打印技術(shù)、3D測量技術(shù)、逆向建模技術(shù)等，培養(yǎng)學(xué)生掌握最新CAD/CAM/CAE應(yīng)用技術(shù)，具有較強的模具設(shè)計與制造操作技能。3D打印相關(guān)專業(yè)和課程的開設(shè)，拓寬了高職專業(yè)建設(shè)的緯度，體現(xiàn)高職專業(yè)建設(shè)的時代性、豐富了高職課程教學(xué)內(nèi)容，以3D打印及相關(guān)技術(shù)作為教學(xué)內(nèi)容，面向中國智能制造業(yè)拓展職業(yè)技能體系，使高職教育的教學(xué)內(nèi)容體系和社會發(fā)展緊密相關(guān)更趨完善。

2）3D打印豐富了課堂教學(xué)方法和教學(xué)手段

3D打印設(shè)備及相關(guān)技術(shù)便于塑造可重用的多態(tài)教育對象，可快速打印出用于教學(xué)輔助的模型、模樣等教具，在一定程度上為一些專業(yè)的實踐教學(xué)和科研工作增添了新的方向和契機(jī)，將3D打印設(shè)備應(yīng)用到各專業(yè)的教學(xué)領(lǐng)域中，為師生提供教學(xué)和科研上的支持。

傳統(tǒng)的《工程制圖》《機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)》《汽車構(gòu)造》《電氣自動化》《嵌入式系統(tǒng)》等課程，立體器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜需要比較抽象的空間思維能力，當(dāng)老師講解復(fù)雜的理論如截交線、相貫線或者解釋汽車變速箱結(jié)構(gòu)、電動機(jī)原理、嵌入式系統(tǒng)時，多是通過模型、掛圖或者視頻向?qū)W生講解，傳統(tǒng)的教學(xué)方法無法直觀形象的展現(xiàn)器件的立體全貌，學(xué)生只有感性認(rèn)識，難以想象零件的結(jié)構(gòu)和形狀，而且傳統(tǒng)的教學(xué)模型成本高、易損壞，視頻播放速度快，難以激發(fā)學(xué)生們的學(xué)習(xí)積極性和樂趣[3]。

以3D打印作為認(rèn)知工具，傳統(tǒng)的理論教學(xué)結(jié)合3D打印成型，制造出和課程配套相應(yīng)的模型、教具，使教學(xué)資源庫的內(nèi)容更加豐富和立體化。圖2是以3D打印技術(shù)為支撐打印《工程制圖》課程部分教學(xué)模具。

圖3是以3D打印技術(shù)為支撐打印《機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)》課程部分教學(xué)模具，使學(xué)生能夠直觀接觸和了解課程相關(guān)的工作工具、零部件之間的安裝配合、傳動原理。通過立體、直觀、可觸摸的教具使課堂教學(xué)更加生動活潑，有利于教師“教”也方便了學(xué)生“學(xué)”。

利用3D打印技術(shù)打印《汽車構(gòu)造》課程中各種實體汽車的微型部件如發(fā)電機(jī)模型、汽車減速器等，便于了解其零部件之間的安裝配合和測試等過程的學(xué)習(xí)，可大大節(jié)約學(xué)生實車裝配的練習(xí)時間和實物損耗?！肚度胧较到y(tǒng)》等電信專業(yè)的課程中亦可利用3D打印機(jī)打印嵌入式微處理器及其管腳、存儲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)、寄存器及其外圍電路，使教學(xué)內(nèi)容更加豐富多彩形象生動[4]。

通過 3D打印的教具模型將學(xué)生空間思維、抽象思維形象化、實物化，在學(xué)生剛接觸專業(yè)理論的前期，對應(yīng)的抽象思維和空間思維能力還沒形成之時，為學(xué)生提供感性認(rèn)知，讓枯燥的理論課程更加直觀生動，讓學(xué)生在觀察中不斷修正自己的知識體系，獲取直接的經(jīng)驗，對于培養(yǎng)學(xué)生的思維能力有很好的促進(jìn)作用。通過3D打印制作出生動的教學(xué)課件，有利于提高學(xué)生的理解能力，增強學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性。

借助3D打印技術(shù)改善了教學(xué)方法，更新了教學(xué)手段，教師的教學(xué)從傳統(tǒng)的二維到多維交互可能性實現(xiàn)，學(xué)生從讀圖、平面視頻向讀實際物體的空間拓展，將抽象的理論概念變化成可觸摸的有趣的空間實物問題進(jìn)行解決。

3）3D打印拓寬了實踐教學(xué)的廣度和深度

基于課堂教學(xué)需求，創(chuàng)建學(xué)生自主管理、全方位開放的3D打印實驗室，讓學(xué)生利用學(xué)習(xí)到的知識動手制作教具、學(xué)具，學(xué)生通過邊學(xué)習(xí)，邊制作，邊觀察組裝這些教具，加強了與課堂的交互活動和協(xié)作學(xué)習(xí)，使教學(xué)內(nèi)容更加具體化、立體化和實用化。學(xué)生在制作過程中與教學(xué)模型互動，觀察、動手制作、參與合作等能力都得到全面的提升，從多種維度增加對教學(xué)內(nèi)容的了解，在制作過程中體驗學(xué)習(xí)的理論知識，質(zhì)感增強。同時能夠在邊學(xué)邊制作過程中培養(yǎng)學(xué)生的興趣、增進(jìn)師生交流，增強師生實踐能力、創(chuàng)新意識和科研能力，整體綜合能力素質(zhì)得以鍛煉和培養(yǎng)。

在制作教具、學(xué)具的基礎(chǔ)上進(jìn)一步拓展訓(xùn)練，增加課堂的開放性，循序漸進(jìn)逐步增強相應(yīng)學(xué)科對學(xué)生的吸引力，加深其對知識的理解掌握和綜合運用。以汽車專業(yè)的教學(xué)為例，如圖4流程圖所示，在完成《工程制圖》《機(jī)械設(shè)計》《汽車構(gòu)造》等課程的基礎(chǔ)上，為全面了解汽車內(nèi)部的構(gòu)造知識和運作原理，學(xué)生可成立興趣小組，自行設(shè)計汽車內(nèi)部的主要元器件模型，并利用3D打印機(jī)打印模型、試組裝運行微型實車。

在課程教學(xué)過程中，3D打印機(jī)作為學(xué)習(xí)工具、教學(xué)用具、生產(chǎn)工具同時加以使用，學(xué)生可就真實的問題情景，將抽象的理論知識直接具體化。基于3D打印機(jī)的快速成型能力，學(xué)生能及時將理論學(xué)習(xí)、設(shè)計和項目成果建立直接的聯(lián)系，直接將設(shè)計轉(zhuǎn)化為作品，并能夠隨時調(diào)整和改進(jìn)過程中的局限和不足之處，在知識和技能，理論和現(xiàn)實之間架起來橋梁。

3總結(jié)和展望

高職教學(xué)領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用3D打印技術(shù)完善課堂教學(xué)內(nèi)容，豐富教學(xué)手段，提高教學(xué)質(zhì)量，深化課堂教學(xué)改革，促進(jìn)課堂教學(xué)取得良好的教學(xué)效果及其學(xué)生的綜合應(yīng)用能力和素質(zhì)提高具有重要的現(xiàn)實意義。

如何利用3D打印技術(shù)使課堂的理論教學(xué)內(nèi)容更加趨向?qū)嵱没蜕鐣?，使學(xué)生學(xué)到的知識能夠進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)樯鐣a(chǎn)力，是我們進(jìn)一步思考和展望的方向。在更多的學(xué)生更好地掌握專業(yè)知識和3D打印技術(shù)的基礎(chǔ)上，能夠進(jìn)一步拓展3D實驗室的多元化功能，加大和校外企業(yè)的合作、讓實驗室能夠創(chuàng)造出經(jīng)濟(jì)效益，促進(jìn)教、學(xué)、做、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的一體化的良性循環(huán)。

參考文獻(xiàn)：

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[5] 朱紅萍.高職制造類課程融合3D打印技術(shù)的教改探究[J].教育教學(xué)論壇，2018（12）：247-248.

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