3D打印及其教育應用初探

郭紀斌+李青云+張樂+錢萍

摘 要：在國內現代化建設步伐不斷加快的時代背景之下，3D打印技術已經逐漸趨于成熟，并且在現實中得到了初步的推廣應用。為進一步發揮出該技術的應用價值，筆者在結合相關文獻資料的基礎之上，從3D打印技術的原理及其特征入手，對其在教育事業中的應用進行了簡要分析，以供參考。

關鍵詞：3D打印；模型；教育應用；設計

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

基于3D打印技術，大規模個性化制作已經逐漸有了實現的技術支持，在制造業、建筑業、醫藥領域及教育事業中有著極為廣闊的應用前景。就其在教育事業中的應用來看，其能夠有效推動教學與研究的有效革新，對此必須加強對該技術應用與教育領域的深入研究，以此進一步發揮出其現實價值。

1 3D打印技術的原理及特點

1.1 3D打印技術的原理

3D打印也可被稱之為三維打印，具有成型快且能夠進行個性化設計的優勢，能夠為受眾人群提供全新的設計、創作以及制造方法。就其技術應用來看，主要可分為設計與打印兩大階段。設計階段的主要任務是在計算機中完成打印對象的三維建模，可以借助于現今的SolidWorks、Creo2.0等軟件進行，也可以選擇免費的建模軟件，具有極強的兼容性，能夠以整合光、機、電以及計算機技術的方式，實現對模型構建整體結構的掃描，進而獲取相應的空間坐標，并將其轉化為能夠借助計算機直接控制的數字化參數信息。而就打印階段來看，其能夠通過3D打印機實現對三維模型參數的逐層分解，進而以分層的方式將每一層級的截面依次打印出來，并進行粘接，以此形成相對較為系統的整體。

1.2 3D打印技術的特點

3D打印技術不需要傳統機械加工銑削、車削等工序，能夠基于三維模型構建出任何結構的物品，且打印可使用的材料較為廣泛，生產過程材料的浪費較少。該技術與傳統加工工藝相比，主要有著三個方面的特點：其一，能夠滿足于個性化制作的需求。使用者可以根據建模應用程序構建出三維模型，不需要受傳統加工模式的限制，且生產的效率較高，成本也相對較為低廉。其二，可以有效縮減產品的研發時間。就傳統制造業各類產品的研發與制造來看，其需要歷經模具設計這一環節，不光會浪費較多的時間，還會耗費較多的人力物力資源，而借助于3D打印機，不需要模具就能夠實現對產品的制作，研發時間自然也就將大幅度減小。其三，可以大幅度減小對原材料的浪費。3D打印與傳統生產線制造的方式有著根本性質上的差異，能夠以一次成型的方式實現物件的高效制造，這就能夠有效避免生產過程中對原材料的浪費，還能夠進一步降低生產所需要花費的成本，由此可以看出，3D打印技術有著傳統加工工藝難以比擬的優勢。

2 3D打印教育應用探究

2.1 3D打印教育應用項目分析

現今國內外已經開始了將3D打印技術應用于教育事業中的研究，英國教育部在2012年間就將該技術應用于了21所學校數學、計算機技術、工程與設計等學科及其相關課程的教學之中，有效推動了教育事業的革新，且已經提出了人類學習可通過制造與分享產生的相關理論基礎。美國也在MENTOR項目中融入了3D打印技術，其在高中教學環節中的應用有效提高了學生對工程、設計、制造等領域的熱情。而就國內3D打印在教育中的應用來看，上海市已經在基礎教育階段中初步融入了該類基礎，以試點的方式為青少年活動中心提供了3D打印機及相應的掃描設備，同時開始了免費的3D設計及制造類課程，為3D打印技術在國內教育領域中的廣泛應用打下了堅實的基礎。

2.2 3D打印應用于教育領域的理論基礎

基于“經驗之塔”理論，將3D打印應用于教育領域之中，能夠讓學生以觀察、實踐以及抽象化具象理解的方式，將對應的學科知識加以類化，不光能夠讓學生獲取到直接的經驗，還可以為學生提供感性的認知。而所完成的3D打印作品也能夠讓學生在觀察之中不斷修正自身的知識體系，這對于培養學生的思維能力是有著極大促進作用的。基于活動理論，受教育者可以在實踐中學習到相應的學科知識，而學生通過對三維建模軟件及3D打印機的使用，則能夠以實踐的方式完成學習過程，可以有效調動學生的主觀動能，教學成效自然也就能夠得以大幅度提升。

2.3 基于3D打印的教學模式探究

依托于3D打印技術，教育者在結合學生個體化差異與多元化需求的基礎之上，可以建立solid learning的教學模式，為受教育提供可下載的教學資源，進而讓學生能夠使用該類資源完成3D打印的過程。教育者還應該對教學模型的制造方式及其時間進行適當調控，并合理開發校內教學資源，利用好3D打印將教材中的二維模型進行建模，為學生提供具象化的教學模型。在建筑、醫學、設計類學科的教學過程中，教育者還應該基于3D打印為學生課程設計的完成提供全新的思路，讓學生在完成二維圖紙繪制后，將其以3D打印的方式呈現出來。此外，教育者還應加強科學、技術、工程以及數學的融合教學，全面提升受教育者的科學與數字化素養，以此為3D打印應用效果的提升給以充分的保障。

3 結語

綜上所述，基于3D打印原理、特征及其應用于教育領域的優勢，相關人員必須加強對3D打印應用于教育事業的理論及其模式進行深入探究，推動該技術在教育領域中的應用，以此為教育事業的現代化發展給以充分的技術保障。

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項目號：湘教科研通[2015]38號；獲湖南省教育廳科學研究一般項目資金資助，

項目號：16C1141。

作者簡介：郭紀斌（1984-），男，黑龍江人，本科，講師，研究方向：機械設計制造及特種加工技術。