3D打印及其教育應(yīng)用初探

郭紀(jì)斌+李青云+張樂(lè)+錢萍

摘 要：在國(guó)內(nèi)現(xiàn)代化建設(shè)步伐不斷加快的時(shí)代背景之下，3D打印技術(shù)已經(jīng)逐漸趨于成熟，并且在現(xiàn)實(shí)中得到了初步的推廣應(yīng)用。為進(jìn)一步發(fā)揮出該技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值，筆者在結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)之上，從3D打印技術(shù)的原理及其特征入手，對(duì)其在教育事業(yè)中的應(yīng)用進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析，以供參考。

關(guān)鍵詞：3D打??；模型；教育應(yīng)用；設(shè)計(jì)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.14.229

基于3D打印技術(shù)，大規(guī)模個(gè)性化制作已經(jīng)逐漸有了實(shí)現(xiàn)的技術(shù)支持，在制造業(yè)、建筑業(yè)、醫(yī)藥領(lǐng)域及教育事業(yè)中有著極為廣闊的應(yīng)用前景。就其在教育事業(yè)中的應(yīng)用來(lái)看，其能夠有效推動(dòng)教學(xué)與研究的有效革新，對(duì)此必須加強(qiáng)對(duì)該技術(shù)應(yīng)用與教育領(lǐng)域的深入研究，以此進(jìn)一步發(fā)揮出其現(xiàn)實(shí)價(jià)值。

1 3D打印技術(shù)的原理及特點(diǎn)

1.1 3D打印技術(shù)的原理

3D打印也可被稱之為三維打印，具有成型快且能夠進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，能夠?yàn)槭鼙娙巳禾峁┤碌脑O(shè)計(jì)、創(chuàng)作以及制造方法。就其技術(shù)應(yīng)用來(lái)看，主要可分為設(shè)計(jì)與打印兩大階段。設(shè)計(jì)階段的主要任務(wù)是在計(jì)算機(jī)中完成打印對(duì)象的三維建模，可以借助于現(xiàn)今的SolidWorks、Creo2.0等軟件進(jìn)行，也可以選擇免費(fèi)的建模軟件，具有極強(qiáng)的兼容性，能夠以整合光、機(jī)、電以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)模型構(gòu)建整體結(jié)構(gòu)的掃描，進(jìn)而獲取相應(yīng)的空間坐標(biāo)，并將其轉(zhuǎn)化為能夠借助計(jì)算機(jī)直接控制的數(shù)字化參數(shù)信息。而就打印階段來(lái)看，其能夠通過(guò)3D打印機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)三維模型參數(shù)的逐層分解，進(jìn)而以分層的方式將每一層級(jí)的截面依次打印出來(lái)，并進(jìn)行粘接，以此形成相對(duì)較為系統(tǒng)的整體。

1.2 3D打印技術(shù)的特點(diǎn)

3D打印技術(shù)不需要傳統(tǒng)機(jī)械加工銑削、車削等工序，能夠基于三維模型構(gòu)建出任何結(jié)構(gòu)的物品，且打印可使用的材料較為廣泛，生產(chǎn)過(guò)程材料的浪費(fèi)較少。該技術(shù)與傳統(tǒng)加工工藝相比，主要有著三個(gè)方面的特點(diǎn)：其一，能夠滿足于個(gè)性化制作的需求。使用者可以根據(jù)建模應(yīng)用程序構(gòu)建出三維模型，不需要受傳統(tǒng)加工模式的限制，且生產(chǎn)的效率較高，成本也相對(duì)較為低廉。其二，可以有效縮減產(chǎn)品的研發(fā)時(shí)間。就傳統(tǒng)制造業(yè)各類產(chǎn)品的研發(fā)與制造來(lái)看，其需要?dú)v經(jīng)模具設(shè)計(jì)這一環(huán)節(jié)，不光會(huì)浪費(fèi)較多的時(shí)間，還會(huì)耗費(fèi)較多的人力物力資源，而借助于3D打印機(jī)，不需要模具就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)產(chǎn)品的制作，研發(fā)時(shí)間自然也就將大幅度減小。其三，可以大幅度減小對(duì)原材料的浪費(fèi)。3D打印與傳統(tǒng)生產(chǎn)線制造的方式有著根本性質(zhì)上的差異，能夠以一次成型的方式實(shí)現(xiàn)物件的高效制造，這就能夠有效避免生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)原材料的浪費(fèi)，還能夠進(jìn)一步降低生產(chǎn)所需要花費(fèi)的成本，由此可以看出，3D打印技術(shù)有著傳統(tǒng)加工工藝難以比擬的優(yōu)勢(shì)。

2 3D打印教育應(yīng)用探究

2.1 3D打印教育應(yīng)用項(xiàng)目分析

現(xiàn)今國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開始了將3D打印技術(shù)應(yīng)用于教育事業(yè)中的研究，英國(guó)教育部在2012年間就將該技術(shù)應(yīng)用于了21所學(xué)校數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、工程與設(shè)計(jì)等學(xué)科及其相關(guān)課程的教學(xué)之中，有效推動(dòng)了教育事業(yè)的革新，且已經(jīng)提出了人類學(xué)習(xí)可通過(guò)制造與分享產(chǎn)生的相關(guān)理論基礎(chǔ)。美國(guó)也在MENTOR項(xiàng)目中融入了3D打印技術(shù)，其在高中教學(xué)環(huán)節(jié)中的應(yīng)用有效提高了學(xué)生對(duì)工程、設(shè)計(jì)、制造等領(lǐng)域的熱情。而就國(guó)內(nèi)3D打印在教育中的應(yīng)用來(lái)看，上海市已經(jīng)在基礎(chǔ)教育階段中初步融入了該類基礎(chǔ)，以試點(diǎn)的方式為青少年活動(dòng)中心提供了3D打印機(jī)及相應(yīng)的掃描設(shè)備，同時(shí)開始了免費(fèi)的3D設(shè)計(jì)及制造類課程，為3D打印技術(shù)在國(guó)內(nèi)教育領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.2 3D打印應(yīng)用于教育領(lǐng)域的理論基礎(chǔ)

基于“經(jīng)驗(yàn)之塔”理論，將3D打印應(yīng)用于教育領(lǐng)域之中，能夠讓學(xué)生以觀察、實(shí)踐以及抽象化具象理解的方式，將對(duì)應(yīng)的學(xué)科知識(shí)加以類化，不光能夠讓學(xué)生獲取到直接的經(jīng)驗(yàn)，還可以為學(xué)生提供感性的認(rèn)知。而所完成的3D打印作品也能夠讓學(xué)生在觀察之中不斷修正自身的知識(shí)體系，這對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的思維能力是有著極大促進(jìn)作用的?；诨顒?dòng)理論，受教育者可以在實(shí)踐中學(xué)習(xí)到相應(yīng)的學(xué)科知識(shí)，而學(xué)生通過(guò)對(duì)三維建模軟件及3D打印機(jī)的使用，則能夠以實(shí)踐的方式完成學(xué)習(xí)過(guò)程，可以有效調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀動(dòng)能，教學(xué)成效自然也就能夠得以大幅度提升。

2.3 基于3D打印的教學(xué)模式探究

依托于3D打印技術(shù)，教育者在結(jié)合學(xué)生個(gè)體化差異與多元化需求的基礎(chǔ)之上，可以建立solid learning的教學(xué)模式，為受教育提供可下載的教學(xué)資源，進(jìn)而讓學(xué)生能夠使用該類資源完成3D打印的過(guò)程。教育者還應(yīng)該對(duì)教學(xué)模型的制造方式及其時(shí)間進(jìn)行適當(dāng)調(diào)控，并合理開發(fā)校內(nèi)教學(xué)資源，利用好3D打印將教材中的二維模型進(jìn)行建模，為學(xué)生提供具象化的教學(xué)模型。在建筑、醫(yī)學(xué)、設(shè)計(jì)類學(xué)科的教學(xué)過(guò)程中，教育者還應(yīng)該基于3D打印為學(xué)生課程設(shè)計(jì)的完成提供全新的思路，讓學(xué)生在完成二維圖紙繪制后，將其以3D打印的方式呈現(xiàn)出來(lái)。此外，教育者還應(yīng)加強(qiáng)科學(xué)、技術(shù)、工程以及數(shù)學(xué)的融合教學(xué)，全面提升受教育者的科學(xué)與數(shù)字化素養(yǎng)，以此為3D打印應(yīng)用效果的提升給以充分的保障。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，基于3D打印原理、特征及其應(yīng)用于教育領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，相關(guān)人員必須加強(qiáng)對(duì)3D打印應(yīng)用于教育事業(yè)的理論及其模式進(jìn)行深入探究，推動(dòng)該技術(shù)在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用，以此為教育事業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展給以充分的技術(shù)保障。

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項(xiàng)目號(hào)：湘教科研通[2015]38號(hào)；獲湖南省教育廳科學(xué)研究一般項(xiàng)目資金資助，

項(xiàng)目號(hào)：16C1141。

作者簡(jiǎn)介：郭紀(jì)斌（1984-），男，黑龍江人，本科，講師，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及特種加工技術(shù)。