增材制造技術(shù)在海南省中職教育領域中的應用研究

余水晶

【摘要】增材制造技術(shù)首次出現(xiàn)在20世紀80年代中期，是一種通過加熱基于數(shù)字模型的可黏合材料，逐層呈現(xiàn)對象的技術(shù)。如今，增材制造技術(shù)已經(jīng)廣泛應用于建筑、醫(yī)療、服裝、工業(yè)設計等領域，并逐步進入課堂。中等職業(yè)學校增材制造技術(shù)課程的建設，不僅豐富了中等職業(yè)創(chuàng)新教育的課程體系，而且培養(yǎng)了學生整體創(chuàng)新思維和能力，促進了中職教學質(zhì)量的提高。基于此，本文簡述了海南省中職教育發(fā)展現(xiàn)狀和特點，探討海南中職教育增材制造技術(shù)教學的現(xiàn)狀以及存在的問題，最后針對海南中職教育增材制造技術(shù)在教學中的進一步應用進行深入分析，供相關學者參考借鑒。

【關鍵詞】3D打印;增材制造技術(shù);中職教育;實際應用

如今，增材制造技術(shù)已成為現(xiàn)代社會的焦點，被看作是工業(yè)領域的重要科技突破，并有望帶來“第三次工業(yè)革命”。增材制造技術(shù)在各行各業(yè)中的應用已得到研究者的廣泛關注，但在職業(yè)教育領域，特別是中職教育，未得到大面積推廣。海南省“十三五”規(guī)劃方案提出堅持低碳、高技術(shù)的發(fā)展方向，著力發(fā)展新能源汽車制造、新型網(wǎng)絡化制造等低碳智能制造業(yè)。增材制造技術(shù)在海南省政府堅持低碳、高技術(shù)的發(fā)展方向引領下，必將有更廣闊的發(fā)展空間和發(fā)展機遇。

一、增材制造技術(shù)

1.增材制造技術(shù)概念

增材制造技術(shù)（Additive Manufacturing AM），又稱3D打印技術(shù)，是依據(jù)三維模型，運用相應的材料，通過程序控制將材料逐層堆積粘接起來，快速制造出產(chǎn)品的成型技術(shù)[1]。與傳統(tǒng)的制造（減材加工）方法不同，以其獨特的工藝，把設計的三維物體分成無數(shù)個二維層片，逐層堆積起來，從而實現(xiàn)產(chǎn)品的快速制造。如圖一所示，它是一種綜合性、交叉性的制造技術(shù)，于20世紀80年代初出現(xiàn)在美國。增材制造綜合運用材料科學與工程、激光、計算機、精密傳動與數(shù)控、粉末冶金等現(xiàn)代與傳統(tǒng)技術(shù)，實現(xiàn)零件或產(chǎn)品原型的直接快速制造，為產(chǎn)品創(chuàng)新設計和快速制造提供新的技術(shù)手段，可以大幅度加快開發(fā)周期，降低試制成本。隨著經(jīng)濟全球化，產(chǎn)品開發(fā)周期和成本是制約產(chǎn)品早日上市和贏得市場份額的最突出因素。到目前為止，增材制造是滿足這種市場需求最理想的技術(shù)方法。

2.增材制造技術(shù)的特征

（1）增材制造技術(shù)特別適合于傳統(tǒng)技術(shù)不能處理的、極為復雜的幾何構(gòu)造。它不但能夠生產(chǎn)復雜型的超大中型零部件，還能夠生產(chǎn)一些非常復雜的中小型零部件。

（2）增材制造技術(shù)非常適合用于小批量復雜零件、備件及個性化產(chǎn)品設計的快速生產(chǎn)制造。對小批量、外形特別復雜的工件，可以省略中間環(huán)節(jié)。與我國傳統(tǒng)工藝以及其他生產(chǎn)技術(shù)比較，直接生產(chǎn)終端部件有著更突出的成本優(yōu)勢。

（3）增材制造技術(shù)可使設計師將設計思路迅速轉(zhuǎn)變?yōu)槿S空間設計實體，進而為零部件設計原型、組裝、功能測試、設計檢驗與糾錯等提供更高效的三維空間優(yōu)化與設計手段，從而推動相關產(chǎn)品的創(chuàng)新與優(yōu)化。

（4）增材制造技術(shù)不需要傳統(tǒng)的機械工具、夾具、模具等工裝，就能夠在同一個裝置上迅速、精確地制造任何復雜形式的汽車零部件，進而達到零部件的“自由制造”，從而簡化制造過程，降低工藝，大大減少了制造時間。

（5）增材制造技術(shù)可以適應航空兵器等高端裝備研發(fā)中低成本、縮短周期的需求。據(jù)統(tǒng)計，國內(nèi)大中型飛機上鈦合金零部件的原材料使用率很低，一般都不高于10%;若采用高能束流式增量生產(chǎn)技術(shù)，可以節(jié)約金屬材料的三分之二以上，而數(shù)控整機工藝時間也可以縮短50%以上。

總的來說，和傳統(tǒng)的切削加工等制造方法比較，增材制造無需對物體進行切削，可以直接出成品，縮短設計樣品的制造周期。同時，減少材料的消耗，大大降低產(chǎn)品成本，使得設計者能夠更充分地按照實現(xiàn)產(chǎn)品設計功能的需求進行產(chǎn)品設計工作，而不用考慮因造型設計繁瑣、生產(chǎn)困難帶來的局限。

二、海南省中職教育現(xiàn)狀

近年來，海南省政府高度重視中等職業(yè)教育發(fā)展，把它作為一項基本民生工程，重點扶持、重點發(fā)展，對中等職業(yè)教育的整體投入不斷增加，規(guī)模不斷擴大，發(fā)展十分迅速，特色十分明顯，經(jīng)濟效益和社會效益良好。同時，職業(yè)教育的影響力也在同步提升，整個社會對職業(yè)教育的接受度也越來越高[2]。海南省中等職業(yè)教育具有其鮮明特點。

一是大量投資。海南省政府財政對中職教育的投入持續(xù)穩(wěn)定。首先省財政對中等職業(yè)學?？偼度氤掷m(xù)增長。其次，建立了海南省中職院校生均撥款制度，且生均撥款額在逐年提高。穩(wěn)定的投入，為海南中職教育的發(fā)展提供了穩(wěn)定的財政保障，從而奠定了堅實的發(fā)展基礎。

二是迅猛發(fā)展。近年來，海南省政府重點支持，優(yōu)先發(fā)展中等職業(yè)教育，把中等職業(yè)教育作為民生重點工程來推進，中等職業(yè)教育實現(xiàn)了跨越式發(fā)展。公辦中職學校專任教師隊伍基本穩(wěn)定，基本滿足教育教學需求，通過繼續(xù)教育培訓，擴招高質(zhì)量教師隊伍，教師素質(zhì)得到了提高，保證了中職教育的教學質(zhì)量?！笆濉逼陂g，中等職業(yè)學校招生規(guī)模逐年擴大，學生素質(zhì)不斷提高，另外，開展職業(yè)教育資源優(yōu)化整合，中等職業(yè)學校教學資源不斷在優(yōu)化。

三是特色鮮明。從現(xiàn)實的角度來看，海南中等職業(yè)教育體現(xiàn)出自身的特點，主要體現(xiàn)在“新三階段”“訂單式”“集體化”“村官班”等教育模式上。其中，“新三階段”教育模式已成為海南省“十大民生工程”的亮點之一，作為中等職業(yè)教育創(chuàng)新模式面向全國推廣。另外，為傳承海南民族文化特色，還開設“花梨木雕刻技藝”“黎族織錦技藝”“貝雕技藝”“紅木雕刻技藝”和“黎族剪紙技藝”等特色專業(yè)。

三、海南中職教育增材制造技術(shù)教學現(xiàn)狀

1.教學體系不完善，師資力量不夠強大

中職院校的增材制造專業(yè)教師應具有很強的專業(yè)理論知識與實踐能力，但海南中職院校卻缺少在實踐上具有豐富經(jīng)驗的增材制造專業(yè)老師，缺少實際從業(yè)經(jīng)驗。其次，師資是學校教育的主導支柱，其思想認識能力和水平直接影響著增材制造技術(shù)人才轉(zhuǎn)型的培養(yǎng)。如果中職院校教師沒有正確的增材制造技術(shù)實踐經(jīng)驗的引導，一系列相關的教學內(nèi)容可能會變得低效。因此，關于中職院校增材制造技術(shù)專業(yè)教學中實踐教學系統(tǒng)改進，最重要的內(nèi)容之一就是變革和改進增材制造技術(shù)教學思維模式。一些中職學校缺少改革創(chuàng)新理念意識，在教學方式開展上沖勁不夠，而且沒有對社會教學物資進行合理使用，束縛了實踐教學系統(tǒng)改進效果。

很多的中職院校忽略了對教師實踐培養(yǎng)的策略，在時間、組織力度、組織經(jīng)費上沒有對應的安排。對于教師離開學校到企業(yè)學習沒有足夠的保障，教師的考核與收入依舊還是按照上課課時分配，對教師的職稱評審依舊停留在學術(shù)論文的數(shù)量以及層次上，缺少對相關增材制造技術(shù)實踐知識的培養(yǎng)。因此，課程安排不科學，教學體系不完善，阻礙增材制造技術(shù)人才轉(zhuǎn)型的順利進行。

2.理論教學與實踐教學比例失衡

增材制造專業(yè)是一門不僅需要技術(shù)同時也需要實踐的項目。想要將增材制造技術(shù)學好，需要的不僅僅是理論知識，更加需要去實踐，將自己所學到的技術(shù)一一去踐行。如今，中職院校里增材制造專業(yè)的教學方式還是傳統(tǒng)的以班教學，讓授課老師傳授理論上的知識，缺少與時俱進的增材制造專業(yè)教學手段，無法將科學的增材制造專業(yè)教學案例運用到實際教學當中，出去實踐的機會也是少之甚少。在大多數(shù)的中職院校，問題討論被老師講授所替代，動手實踐也被簡單的實驗項目所取代。

3.增材制造技術(shù)人才培養(yǎng)目標不明確

中職院校增材制造技術(shù)教學的主要目的是培養(yǎng)社會上增材制造技術(shù)專業(yè)技術(shù)人才，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和實際動手能力，解決更多中職學生的就業(yè)選擇問題。然而，海南很多中職學校并未對市場需求進行調(diào)研，不了解社會及相關企業(yè)對增材制造技術(shù)人才的需求情況，這直接導致培養(yǎng)目標和實際需求兩極分化，使得學生就業(yè)更加困難，不能保證學生的就業(yè)率。中職院校的培養(yǎng)目標應該是培養(yǎng)中低水平的技術(shù)服務型人才，因此學校應該注重培養(yǎng)增材制造技術(shù)學生的實際操作能力。

四、增材制造技術(shù)在海南中職教育的應用分析

1.擴大知識覆蓋面，拓寬就業(yè)渠道

增材制造技術(shù)被看作是工業(yè)領域的重要科技突破，認為是“第三次工業(yè)革命”的重要技術(shù)之一?？捎糜谥閷氃O計、建筑工程、航空航天、醫(yī)療行業(yè)、教育行業(yè)、GIS、機械工程等領域[3]。

2.教學模式革新，便于中職學生理解抽象知識

增材制造技術(shù)易于將抽象的設計快速物化，變?yōu)楝F(xiàn)實，這極為方便對教學、設計進行分析論證，同時也方便學生直觀學習。海南中職學生普遍基礎較差，專業(yè)課中有些知識過于抽象，不易理解，教師可以利用增材制造技術(shù)，根據(jù)實際授課需要，打印出所需的實物模型，將不易理解的抽象理論知識轉(zhuǎn)化為具體的、可視化的實物模型，最終呈現(xiàn)在課堂上，中職學生便可以輕易理解這些抽象知識，形成交互式教學模式。對于中職院校學生來說，理解一個抽象的知識點，可視化的實物模型勝過教師或書本上成千上萬條的語言描述[4]。

3.豐富課堂，提高學生學習興趣

在海南的中職學校，很多學生缺乏學習興趣，特別是一些比較抽象化的專業(yè)課程。增材制造技術(shù)能將抽象的設計快速物化，變?yōu)楝F(xiàn)實。教師可以打印出與教學相關的教具或作品，使學習變得生動有趣。在一些乏味的課堂中融入增材制造技術(shù)，讓學生積極主動參與到課堂教學中，從而大大激發(fā)學生對知識獲取的興趣，提高學習的效率[5]。與此同時，學生對設計理念有了新的看法與轉(zhuǎn)變，他們采用增材制造技術(shù)可以讓零件、模型、作品更加生動和形象，這也極大的激發(fā)學生的學習興趣。同時，教學過程中，要求學生之間的相互協(xié)作來完成制作的過程，培養(yǎng)了學生的團隊意識，也能提高學生的學習興趣。所以，在海南中職教育中引入增材制造技術(shù)來輔助教學，能使學生積極主動參與到教學活動中，豐富課堂活動，提高學生學習興趣，培養(yǎng)學生的實際動手能力與創(chuàng)造力，利于學生的協(xié)作能力的發(fā)展。

4.培養(yǎng)教師及學生的創(chuàng)新意識

近年來，隨著增材制造技術(shù)在教育領域的廣泛應用，一些學者提出了增材制造技術(shù)輔助創(chuàng)新教育的理念。增材制造技術(shù)能利用3D打印機將抽象的設計快速物化，變?yōu)楝F(xiàn)實。利用這一特性，一方面，教師可以用增材制造技術(shù)對教學模式進行創(chuàng)新與優(yōu)化，使其符合學生的學習需求，也能培養(yǎng)教師的創(chuàng)新性;另一方面，教師可以借助增材制造技術(shù)，根據(jù)中職學生的現(xiàn)狀對教學方案進行設計，積極正確地引導學生，開展有效的教學活動，讓學生主動地參與到教學中，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維能力。因此，在海南省中職教育領域中，應用增材制造技術(shù)進行輔助教學，對教師提出了更高的要求，需要從教學模式、技術(shù)等方面進行創(chuàng)新，同時，激發(fā)學生的學習興趣，使學生自主地參與到教學中，提高學生的創(chuàng)造性思維能力以及動手解決問題的能力。

五、結(jié)語

從增材制造技術(shù)的發(fā)展來看，由于技術(shù)的不斷改進以及使用的便捷，增材制造技術(shù)越來越受到制造業(yè)的青睞。在未來，它將成為解決設計和成型問題的重要途徑。無論是素質(zhì)教育發(fā)展的需要，創(chuàng)新教育的自身價值體現(xiàn)，還是海南中職學生自身整體素質(zhì)的提高，增材制造技術(shù)都應該作為一門專業(yè)技術(shù)課在海南中職學校進行教學，從而激發(fā)學生的學習興趣，促進中職學生創(chuàng)新能力的提高，為社會提供更多優(yōu)秀的應用型人才。

【參考文獻】

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[2]林崗.堅持投入，提高質(zhì)量，海南省中等職業(yè)教育實現(xiàn)跨越式發(fā)展[J].新教育，2017（4）.

[3]敬石開.“中國制造2025”與職業(yè)教育[J].中國職業(yè)技術(shù)教育，2015（21）.

[4]高玉忠.3D打印技術(shù)在技工院校教學中應用的研究[J].職業(yè)，2019（3）.

[5]何裕瓊.職業(yè)教育中3D打印技術(shù)教學的實踐研究[J].中國多媒體與網(wǎng)絡教學學報，2019（3）.

【基金項目】本文系海南省教育科學規(guī)劃課題：海南中職教育增材制造技術(shù)人才培養(yǎng)研究（課題編號：QJY20191054）。