3D打印技術(shù)在高職教育中的應(yīng)用研究

洪軻

摘要：隨著3D打印技術(shù)在各行業(yè)的迅猛發(fā)展，將其與教育相結(jié)合也成為現(xiàn)實。文章主要探討了3D打印技術(shù)在高職教育中的應(yīng)用，分析了3D打印技術(shù)對高職教育產(chǎn)生的深遠(yuǎn)影響，促進(jìn)了教學(xué)手段的多樣化，有效激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

關(guān)鍵詞：3D打印;高職教育;模型

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）22-0130-02

1 引言

3D打?。?D Printing） 技術(shù)，又稱增材制造（material additive manufacturing） 技術(shù)，是在20世紀(jì)80年代后期開始出現(xiàn)的一種新興制造技術(shù)，是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，利用塑料或者金屬粉末等可粘合材料，通過逐層打印的方式來快速構(gòu)造任意復(fù)雜形狀3D物體的數(shù)字化成型技術(shù)。目前主流的3D打印技術(shù)主要有熔融沉積制造（FDM） 、光固化成形（SLA） 、選擇性激光燒結(jié)（SLS） 、三維噴印（3DP） 等，以3D Systems和Stratasys為代表的兩家3D打印設(shè)備制造商整合了全球主流工藝90%的產(chǎn)品線。3D打印技術(shù)已經(jīng)在模型鑄造、成型制造、直接零部件制造、生物醫(yī)用高分子材料、藝術(shù)品修復(fù)等領(lǐng)域達(dá)到了廣泛的應(yīng)用[1，2]。目前，特別是在高職教育領(lǐng)域，3D打印技術(shù)與教學(xué)相結(jié)合還是一個嶄新的領(lǐng)域，面臨著很多問題有待解決。如何有效地將其應(yīng)用到高職教育領(lǐng)域，為學(xué)生提供學(xué)習(xí)支持，還有待深入研究。

2 3D打印技術(shù)的基本原理及其特點

2.1 三維建模

利用3D建模軟件或三維掃描設(shè)備得到目標(biāo)產(chǎn)品的數(shù)字化模型，并將該模型保存為通用的STL文件格式，得到打印“原稿”。目前市場上的3D建模軟件有很多，具有代表性的有：SketchUp、Blender、3DMax、AutoCAD等。

2.2 切片處理

3D模型建好后，需要利用打印機(jī)專配的軟件將STL文件切片處理，得到相應(yīng)的截面輪廓和加工路徑，生成Gcode代碼。

2.3 打印輸出

將切片生成的Gcode代碼發(fā)送給3D打印機(jī)并調(diào)節(jié)好相關(guān)參數(shù)，打印機(jī)根據(jù)Gcode代碼將打印耗材逐層噴涂，等待3D模型打印成型即可。

2.4 后期處理

打印完成后的模型表面一般都會比較粗糙并伴有毛刺，需要進(jìn)行修整、去除支撐、固化處理等后期處理。

3 3D打印在高職院校教學(xué)的應(yīng)用

英國著名雜志《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》早在2012年就明確指出3D打印技術(shù)作為第三次工業(yè)革命的代表性技術(shù)必將對制造業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。同時，美國新媒體聯(lián)盟（NMC） 《地平線報告》也在2013年預(yù)測3D打印技術(shù)將在教育領(lǐng)域得到重要發(fā)展。

隨著3D打印技術(shù)在社會各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，將3D打印技術(shù)引入到高職教學(xué)中也成為現(xiàn)實，Stratasys和3D Systems兩大3D打印廠商也非常重視3D打印機(jī)技術(shù)在教育教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，推出了各自的教育服務(wù)平臺，將這些平臺應(yīng)用到高職教學(xué)中，就有望形成一個獨特的高職教育科技創(chuàng)新平臺，從而極大地提高在線教學(xué)過程并培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)技能。3D打印技術(shù)給高職教學(xué)提供了新的技術(shù)支持，在這些新平臺、新資源、新環(huán)境、新工具的影響下，必將對現(xiàn)有高職教學(xué)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響[3]。

3.1 新平臺

3D打印技術(shù)所創(chuàng)建的新平臺，為高職教育的創(chuàng)新型和技能型人才的培養(yǎng)提供了新的契機(jī)。讓高職教育從傳統(tǒng)的“應(yīng)試教育”向創(chuàng)新型教育轉(zhuǎn)變提供了幫助。

3.2 新資源

3D打印技術(shù)的發(fā)展為各個學(xué)科提供了相應(yīng)的立體資源。為學(xué)生提供了逼真生動的實際模型，能有效減少學(xué)生對抽象概念的認(rèn)知負(fù)荷。比如：在汽車維修相關(guān)專業(yè)的教學(xué)中，汽車的成本相對較高，很多情況下都是采用多媒體教學(xué)的方式進(jìn)行，學(xué)生通過圖片和視頻很難對汽車的部件有直觀的感受，教學(xué)效果較差。而3D打印技術(shù)可以通過打印出縮小版的實體模型進(jìn)行教學(xué)，同學(xué)們能夠進(jìn)行詳細(xì)的觀察并動手操作，將傳統(tǒng)的紙上談兵的教學(xué)模式變?yōu)閷嶋H操作，必然讓教學(xué)效果得到質(zhì)的飛躍[4，5]。

3.3 新環(huán)境

3D打印技術(shù)提供了高職教育所需的技術(shù)創(chuàng)新環(huán)境。通過打印的實際模型作為學(xué)習(xí)材料，讓學(xué)生能夠?qū)π轮R有更深更廣的認(rèn)識和理解，從而彌補(bǔ)了傳統(tǒng)學(xué)習(xí)環(huán)境的不足，為高職課堂提供了一個新環(huán)境。比如：在生物等相關(guān)學(xué)科中，通過3D打印技術(shù)可將細(xì)胞結(jié)構(gòu)、血管構(gòu)造、骨骼等打印成實體模型，將使學(xué)生的學(xué)習(xí)過程變得輕松快樂，教師在這種新環(huán)境中的教學(xué)過程也變得相對容易。

3.4 新工具

3D打印技術(shù)的不斷的發(fā)展為高職教學(xué)提供了新的工具，各種通用和專用的3D繪圖軟件、建模工具不斷出現(xiàn)，比如：SketchUp、blender、Shockwave3D、3ds Max等，并在教學(xué)中得到了應(yīng)用，從而有助于構(gòu)建一個嶄新的智能化教學(xué)環(huán)境。

3.5 新課程

除了在傳統(tǒng)學(xué)科中引入3D打印技術(shù)，也可在高職院校開設(shè)專門的3D打印課程，可以從以下幾方面內(nèi)容下手：3D打印技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用趨勢;3D打印技術(shù)的分類、原理和關(guān)鍵技術(shù);3D打印的過程及其過程控制系統(tǒng)存在的問題;3D打印設(shè)備廠商及其主流產(chǎn)品;3D打印材料的分類及發(fā)展現(xiàn)狀;3D打印技術(shù)的優(yōu)缺點及問題。

4 3D打印在高職教育應(yīng)用中的思考

隨著高職院校逐步把3D打印引入到教學(xué)和課程中，將對目前的教與學(xué)的現(xiàn)狀起到積極的促進(jìn)作用。

4.1 顯著提高學(xué)生的參與和動手能力

3D打印的整個過程都涉及實踐操作，學(xué)生在參與的過程中，操作能力、觀察能力和制作能力得到了全方位的提高，這將為后續(xù)創(chuàng)新能力的發(fā)展打下基礎(chǔ)。

4.2 學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性得到顯著改善

3D打印過程中有大量的DIY的機(jī)會，通過打印可將相關(guān)學(xué)科的抽象概念更加實體化，學(xué)生能夠多角度地融入學(xué)習(xí)過程中，積極性和學(xué)習(xí)熱情得到了有效激發(fā)。

4.3 推動學(xué)生創(chuàng)新能力的發(fā)展

在打印實體模型的過程中，往往需要發(fā)揮學(xué)生的想象力，將想象中的模型實體化，這是推動學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)造能力的重要環(huán)節(jié)，對高職教育培養(yǎng)創(chuàng)新型人才有著積極的意義[6]。

5 3D打印技術(shù)在高職教育中的局限性

目前，3D打印技術(shù)正在逐步應(yīng)用到各行各業(yè)中，已經(jīng)在建筑、軍工、醫(yī)療、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通、影視、藝術(shù)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，同時3D打印所使用的材料的品種也越來越多。但是在職業(yè)教育領(lǐng)域的應(yīng)用才剛剛起步，還有一定的局限性[7]。

5.1 3D打印在高職教育領(lǐng)域的推廣不夠

3D打印在高職教育的領(lǐng)域的研究還比較欠缺，相關(guān)文獻(xiàn)較少，或者深度不夠。大部分高職院校對3D打印技術(shù)能否與傳統(tǒng)學(xué)科相結(jié)合還存在質(zhì)疑，缺乏有效的實施。

5.2 3D打印機(jī)和耗材的成本相對較高

即使是小型的桌面型3D打印機(jī)的價格也不算便宜，同時打印所需的材料種類也比較少，價格也相對較貴，并且打印的良品率不高，需要多次調(diào)整合適的參數(shù)。

5.3 3D打印速度相對較慢

由于3D打印是增材制造，目前與傳統(tǒng)的工業(yè)流水線生產(chǎn)方式相比，生產(chǎn)速度上不具備優(yōu)勢。但是任何技術(shù)的發(fā)展都要經(jīng)過這一過程，相信隨著技術(shù)的完善和提高，最終將得到解決。

6 結(jié)束語

隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，3D打印時代即將來臨，各行各業(yè)都將面臨變革，高職教育乃至整個教育界自然也不能例外。相信在不久的將來，3D打印技術(shù)將大面積走入高職教育的課堂中，并對現(xiàn)有的教育教學(xué)方式產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，讓我們做好準(zhǔn)備，迎接高職教育大變革的到來。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王雪瑩.3D打印技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展及前景分析[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2012（26）：3-5.

[2] 李小麗，馬劍雄，李萍，等.3D打印技術(shù)及應(yīng)用趨勢[J].自動化儀表，2014，35（1）：1-5.

[3] 王萍.3D打印及其教育應(yīng)用初探[J].中國遠(yuǎn)程教育，2013（8）：83-87.

[4] 童宇陽.3D打印技術(shù)在中小學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2013，23（12）：16-19.

[5] 王娟，吳永和，段曄，等.3D技術(shù)教育應(yīng)用創(chuàng)新透視[J].現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育研究，2015（1）：62-71.

[6] 兀旦暉，趙晨飛.3D打印技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].課程教育研究，2013（21）：185-186.

[7] 孫智強(qiáng).我國3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及前景展望[J].江蘇科技信息，2014（6）：19-20.

【通聯(lián)編輯：王力】