淺談3D打印技術(shù)在采礦工程教學(xué)中的應(yīng)用與研究

李陽 柳小波 劉芹 王連成

摘要：采礦工程是一門具有復(fù)雜性、整體性、系統(tǒng)性特點的學(xué)科，其特點導(dǎo)致了采礦教學(xué)的難度大，對教師的高質(zhì)量授課提出了更高的要求，然而當(dāng)前的教學(xué)模式不能很好地解析采礦方法與采礦工藝過程，使空間想象力不足的學(xué)生無法更好地理解采礦工程各個要素。3D打印技術(shù)作為一種新興技術(shù)，應(yīng)用到采礦工程中，將為采礦工程專業(yè)課程教學(xué)提供一種新的有效方法。采用形象具體、可自由組裝的3D打印實體模型，將很好地改進教學(xué)方式方法，提高學(xué)生的理解能力和創(chuàng)新能力，對采礦工程教學(xué)改革具有重大意義。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù)；采礦工程；教學(xué)；應(yīng)用與研究

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）31-0256-02

計算機輔助教學(xué)是在計算機輔助下進行的各種教學(xué)活動，以對話方式與學(xué)生討論教學(xué)內(nèi)容、安排教學(xué)進程、進行教學(xué)訓(xùn)練的方法與技術(shù)。這一技術(shù)已廣泛應(yīng)用于高校教學(xué)過程中并獲得了一定的效果，但課件屬于傳統(tǒng)的平面教學(xué)模式，缺乏直觀的立體感，所以在教學(xué)中容易使學(xué)生產(chǎn)生視覺疲勞，影響教學(xué)效果。在科學(xué)技術(shù)大力發(fā)展和先進技術(shù)廣泛應(yīng)用的大背景下，已經(jīng)有眾多高校將現(xiàn)代技術(shù)引入到課堂教學(xué)中，其中就不乏有教師在了解了3D打印技術(shù)原理后，提出了將3D打印技術(shù)應(yīng)用于難以理解的專業(yè)課程教學(xué)與研究上，這其中既有機械類的課程教學(xué)應(yīng)用，也有地理教學(xué)方面的應(yīng)用。在這種情形下項目組大膽嘗試將3D打印技術(shù)應(yīng)用于采礦工程的教學(xué)與研究中，利用3D打印機打印出礦山實體模型來指導(dǎo)教學(xué)工作，讓復(fù)雜的理論模型變得清晰易懂。

一、概述

（一）當(dāng)下傳統(tǒng)教學(xué)模式

目前，3D打印技術(shù)還沒有引進到采礦教學(xué)中，對于采礦方法的學(xué)習(xí)一直是采礦工程學(xué)生的軟肋。在傳統(tǒng)礦業(yè)類課程教學(xué)中，教師講解礦山模型的具體構(gòu)造、原理等，一般通過計算機輔助教學(xué)和礦山模型的三視圖。尤其是在采礦方法的學(xué)習(xí)中，不同的采礦方法有著不同的結(jié)構(gòu)，對于空間想象能力較差的同學(xué)很難在腦中想象和構(gòu)建三維立體圖。

因此，傳統(tǒng)的教學(xué)實踐中通常都存在一些問題：靜態(tài)的平面教具（如圖片等）不能很好地反映礦山實體模型的形狀、結(jié)構(gòu)，采礦方法也不能直觀地表示出來；傳統(tǒng)的采礦教學(xué)主要以課堂為主，學(xué)生的設(shè)計和創(chuàng)新能力培養(yǎng)不足；傳統(tǒng)教學(xué)方法很難調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和學(xué)習(xí)樂趣。

（二）采礦專業(yè)課程特點

采礦專業(yè)方面的課程艱澀難懂，課程新概念多、理論性強，其中涉及大量的、難以理解的抽象知識，學(xué)生學(xué)習(xí)起來都有很大的難度，如礦山模型的學(xué)習(xí)對學(xué)生的三維模型構(gòu)建能力和想象能力做出了很高的要求，但很多學(xué)生在這方面的能力卻很薄弱。在文字語言和圖形語言的互相轉(zhuǎn)化時，學(xué)生不易在頭腦中建立相應(yīng)的理論模型。如果用3D打印礦山實體模型來展示和說明，課堂氣氛會立刻活躍起來，這時學(xué)生可以通過觀察和感知礦山實體模型中各個部分，認(rèn)識和理解它們的含義，提高學(xué)習(xí)效率。這樣不僅會激發(fā)學(xué)生的興趣，提高課堂注意力，同時也可以使學(xué)生充當(dāng)設(shè)計者、參與者，利用繪圖軟件制作礦山模型，然后通過3D打印機將其輸出，引發(fā)他們對知識的聯(lián)想與探知，達(dá)到“舉一反三”的一個效果。

二、3D打印在教學(xué)模型制作中的應(yīng)用

（一）3D打印技術(shù)顛覆了傳統(tǒng)觀念的教學(xué)思想

通過AutoCAD、3D Mine等建模軟件來建立三維礦山模型，通過3D打印機將模型輸出，把二維圖形轉(zhuǎn)換成三維立體圖形，把抽象的三維模型轉(zhuǎn)化成3D打印實體模型。老師在講解這一復(fù)雜的、多樣性的結(jié)構(gòu)時，就容易講解明白各個不同井巷之間的聯(lián)系與區(qū)別，各個井巷之間的功能。學(xué)生通過對不同結(jié)構(gòu)的認(rèn)識和區(qū)分，對不理解的部分深入探討，這樣能幫助學(xué)生清晰明白地理解這一重要、復(fù)雜的井巷結(jié)構(gòu)。

（二）3D打印技術(shù)應(yīng)用于采礦教學(xué)的優(yōu)點

1.可改善采礦工程教學(xué)方式方法。采礦工程是一門具有復(fù)雜性、整體性、系統(tǒng)性等特點的學(xué)科。在采礦教學(xué)中，教師和學(xué)生接觸的是較為復(fù)雜的立體幾何，需要較強的空間想象和構(gòu)造能力。在采礦教學(xué)中，對現(xiàn)實中的立體是采用三視圖來體現(xiàn)的，大多數(shù)學(xué)生很難在腦中構(gòu)建出完整的立體圖，很難達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果。3D打印技術(shù)的發(fā)展為解決這一難題提供了新的途徑，3D打印技術(shù)本身并不是課程的重點，這類課程采用項目的形式，主要目標(biāo)是將抽象的概念變成有趣的問題來解決，進而幫助學(xué)生掌握抽象概念。

教師在講解開拓系統(tǒng)、采礦方法的時候可以采用計算機與書本相結(jié)合，再加上3D打印教具輔助教學(xué)的方式，通過展現(xiàn)3D打印礦山實體模型給同學(xué)們具體地講解礦山元素的各個要點以及開采過程中的具體流程。同時，基于礦山“標(biāo)準(zhǔn)零件”的思想，教師在經(jīng)過模型講解后，可以讓學(xué)生自由組裝模型，激發(fā)學(xué)生的好奇心和學(xué)習(xí)興趣。

傳統(tǒng)的課題教學(xué)模式都是“灌輸式”的，學(xué)生被動吸取，學(xué)習(xí)效率不高，沒有自主性；而采用學(xué)生自己動手組裝、拼接、設(shè)計模型的方式，學(xué)生自己發(fā)揮自己的想象力，再通過建模軟件（AutoCAD、3DMine）建立數(shù)字模型然后實體輸出，將自己設(shè)計的開采方法與老師和同學(xué)們討論，借鑒其他好的建議然后不斷改進自己的設(shè)計方案，這樣也就有了更多的見解和更深的理解。

2.可激勵和輔助學(xué)生進行創(chuàng)新設(shè)計。通過電腦直接將設(shè)計打印成微縮模型來構(gòu)造設(shè)計方案，而不用花很多時間手工制作。作為參與、設(shè)計者的角色，一方面通過自己設(shè)計、自己制作的方法來提高空間想象和構(gòu)建能力，直接對礦山實體模型進行講解，更能夠表現(xiàn)自己的設(shè)計思路，以及礦山的生產(chǎn)過程。另一方面，采用3D打印建立模型來展現(xiàn)實體流程的新穎方式，學(xué)生也將發(fā)揮自己的創(chuàng)造力將其應(yīng)用于各個方面，如可以應(yīng)用于礦山開采過程中的深部開采，開采過程中的人員信息集成（將礦山開采中所有人員的實時位置等相關(guān)信息通過3D打印實體礦山模型集成與可視化的桌面上），或者也能將這種方法引申到其他學(xué)科的深奧專業(yè)課學(xué)習(xí)中等。這樣的教學(xué)和學(xué)習(xí)方法可有效提高學(xué)生的參與和思考能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新和創(chuàng)造能力。

3.可提高學(xué)生的實踐能力和參與團隊協(xié)作意識，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。3D打印需要學(xué)生的實踐操作，從三維模型設(shè)計到實體打印，都需要他們參與完成，這將促進學(xué)生操作、觀察、制作和團隊互助能力的發(fā)展，全面提高學(xué)生的動手參與能力。同時，3D打印將激發(fā)學(xué)生DIY的興趣，通過3D打印機，學(xué)生的構(gòu)思轉(zhuǎn)變?yōu)檎鎸嵉牧Ⅲw彩色模型，將抽象概念和設(shè)計帶入現(xiàn)實世界，使學(xué)習(xí)更加生動。3D打印技術(shù)的出現(xiàn)使得學(xué)生可以從設(shè)計、制作、展示、參與等角度融入到學(xué)習(xí)過程中，有效地激發(fā)了學(xué)生實踐的積極性，提高了學(xué)習(xí)熱情。

三、對3D打印教學(xué)應(yīng)用的思考

3D打印技術(shù)在當(dāng)前教育領(lǐng)域的應(yīng)用越來越多，但在未來的發(fā)展中，仍然有某些方面需要進行進一步的思考和持續(xù)探索。

（一）3D打印將成為未來教學(xué)改革發(fā)展的新方向

像采礦工程這種系統(tǒng)性的工程還有很多，在探索未來教學(xué)改革的過程中，3D打印將成為一些較為復(fù)雜的學(xué)科的改革新方向，這一新模式應(yīng)用于教學(xué)將很好地改進傳統(tǒng)教學(xué)模式，3D打印技術(shù)在教學(xué)方法中的比例會越來越大。

（二）3D打印技術(shù)將推動教學(xué)模式呈現(xiàn)多元化發(fā)展

從最初的因材施教慢慢轉(zhuǎn)變?yōu)槔蠋熂w教學(xué)和采用各種輔助方式來教學(xué)，其中的實物展示、課堂演示、實習(xí)，到后來的計算機輔助教學(xué)、ppt、視頻也出現(xiàn)在課堂教學(xué)模式中，現(xiàn)如今3D打印技術(shù)也將出現(xiàn)在課堂中，這將很好地推動未來的教學(xué)向更加多元化、人性化的方向發(fā)展。像采礦工程這種整體性、系統(tǒng)性、復(fù)雜性的課程學(xué)習(xí)將出現(xiàn)多種教學(xué)模式并存的模式。

（三）3D技術(shù)尚需要全面推廣

3D打印技術(shù)的快速發(fā)展推動了許多產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，但相應(yīng)的流程還不是很完善。首先，3D打印的普及與推廣就存在很大的問題，這次我們的項目也是3D打印技術(shù)在礦山實體模型中的建立和輸出過程中的初次嘗試。我國在3D打印技術(shù)的培訓(xùn)與推廣方面，與其他國家相比還有差距，需要進一步推動新技術(shù)的學(xué)習(xí)。因此，我們需要關(guān)注并參與到最新的工業(yè)革命和教育變革中，對原有教學(xué)課程進行優(yōu)化設(shè)計和再造，加強創(chuàng)新型人才培養(yǎng)，這是我們未來能夠在競爭中保持先進地位的根本保證。

四、結(jié)語

3D打印技術(shù)作為一種新興技術(shù)，被應(yīng)用在各個領(lǐng)域，教育領(lǐng)域?qū)⑹俏磥?D打印技術(shù)推廣應(yīng)用的重要市場之一。采用3D打印技術(shù)，教師可以制作出任意復(fù)雜、形象化的三維實體教具，用于課程的教學(xué)演示，使許多原本枯燥的課程和課程設(shè)計變得生動有趣，使學(xué)生從學(xué)習(xí)者變成設(shè)計者、參與者，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。作為教育工作者，應(yīng)該積極學(xué)習(xí)提高，在將來的實踐探索中，找到更多更好的教學(xué)模式和教學(xué)方法，為現(xiàn)代技能型人才的培養(yǎng)做出更大的貢獻(xiàn)。

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