3D打印技術在職業教育工業設計專業的應用研究*

朱姝

廣東技術師范大學 廣州 510665

1 3D打印技術的發展

隨著現代科技和工業技術的發展，3D打印技術被廣泛應用到各個領域中。3D打印是一種采用逐層打印的方式使用3D打印設備快速成型以立體的方式呈現出三維實體模型的技術。相較于減材制造需要削減材料進行實物制作，3D打印是從三維CAD設計數據構建模型，通過分層組裝堆積制造任意復雜形狀零件的先進制造技術，依靠3D打印設備不需要其他刀具磨具等工具就可以打印出滿足要求任意功能和形狀的零件模型，因此3D打印是“自下而上”將材料不斷累加的制造方法，也被稱為增材制造，目前3D打印技術形成了較為成熟的十余種工藝方法。

自3D打印技術為醫學、機械、藝術等學科呈現模型或作品提供了新的方法和思路，3D 打印技術是一項集光學工程、機械設計、計算機技術、控制技術、材料科學一體的技術[1]，也為相關的專業教育提供了新的開展方式，尤其是在職業教育、高等教育中培養的人才需要滿足社會需求，因此專業課程的內容需要接觸到熱點技術及嚴謹細致的專業知識，高職的工業設計相關專業意識到3D打印技術能夠設計制作實體模型，通過模型構建和打印操作培養學生思維能力和動手實踐能力，3D打印技術與工業設計專業相結合可以對人才的培養有著積極的促進作用，教師應該給予足夠的重視和應用，使學生的能力和素質都能提高到社會的需求標準。

2 3D打印技術在教育中的應用

3D打印技術近年來取得迅猛地發展，并且輻射開來應用在各行各業的實踐中，數十種3D打印的工藝能夠滿足不同群體對打印成品的質量、功能需求。3D打印技術在工業生產中可以將3D打印模型作為“先行者”展示產品樣例，精準有效地提高產品工藝，或是將3D打印成品作為材料直接應用工業生產中，對于一些對外觀要求較為精細的工藝流程而言，3D打印技術還可以更加便捷地實現產品的不斷美化。3D 打印技術具有廣泛地適應性和開放性，能夠快速搭建起各學科知識之間關聯的橋梁[2]。教育行業中，3D打印技術的應用也逐漸趨于日常，從高等教育的研發機構走向了基礎教育、職業教育和高等教育的應用領域。

受到美國創客教育的影響，我國基礎教育近年來致力于吸收國外先進的創客教育理念并與我國實際國情相結合，探究符合我國中小學學生特點的中國特色創客教育課程，2016年教育部發布的《教育信息化“十三五”規劃》中關于“創客教育”明確提出發展“眾創空間、跨學科學習（STEAM教育）、創客教育”等新教育模式的現代教育新要求[3]。可見，創客教育被視為現代教育理念中培養創新創造人才重要的教育“新”形態。創客教育將“做中學”的建構主義理念與創新思維培養緊密聯系在一起，既具有情境性與社會特色，又將學生素養的培養和技能的提升放置教學首位。3D打印課程是中小學創客課程中的重要課程之一。3D打印課程的特點以學生興趣為主導，充分調動學生參與度，以項目或任務的方式開展教學，課程內容致力于學生創新思維與能力培養。

廣州市多家中學都已開始嘗試性開展具有嶺南特色的3D打印校本課程，課程一般為期4～5周，以項目教學的形式開展。教師向學生布置特定的課程任務，學生通過需求分析、產品設計、產品實現、完善與評價幾個環節學習產品開發的流程。該課程以“定題不定向”的方式讓學生可以在“嶺南特色”這一大主題之下自由選擇3D打印的實體模型主題，最大限度地將學習自主權交給學生，調動學生的積極性，促進學生創新思維的發展。在3D打印課程實施的教學周期內，有興趣參與3D打印課程學習的學生都可報名參與，每期3D打印校本課程可有20多位學生參與。課程一般會安排為：第一周，教師帶領學生初識3D打印，確定嶺南特色3D打印作品主題，明確評價標準；第二周，項目主題研討，3D打印技術的練習；第三、四周，3D打印作品制作；第五周，3D打印作品的展評。現在多數學校采用的3D打印設備有：專業的3D打印設備和便攜的3D打印筆兩種形式。專業的3D打印設備采用熔融沉積成型（FDM）工藝，這種工藝的靈感來源于熱熔膠槍，在電腦上進行模型構建和創作后打印時選用兩種制作材料，一種成型材料保證模型實體部分的成型，另一種支撐材料用于實體模型的支撐，防止實體形成空腔或坍塌。3D打印筆也采用熔融沉積成型（FDM）工藝，相較于專業3D打印機器設備而言3D打印筆更加便攜且成本低，它可以實現3D打印的基礎功能，利用PLA、ABS塑料通電熱熔，筆尖擠出的熱熔狀態的塑料能夠在任何表面甚至空氣中進行“書寫”，并且無需電腦或電腦軟件支持只需要使用者稍加練習便能用它創作3D打印成品，作品冷卻定型后能保存較長時間。一般學校考慮到項目教學的時間及制作成本的因素，會在課堂上帶領學生較多使用3D打印筆進行作品創作。廣州的學校，一般會結合當地的文化特征來激發學生的學習欲望，課程內容會較多選擇嶺南特色的3D打印作品展開。學生在學習期間可以了解3D打印的基礎知識，在電腦上完成模型的設計和構想，然后通過3D打印筆制作3D打印成品模型。這種項目式的學習方式讓學生有時間的緊迫感和任務感，能夠盡可能的跟隨任務流程完成相應的工作，提高學生的合作學習能力，同時加深學生對嶺南文化的認同感。

由廣州中學開展3D打印課堂的案例可以看出，現今中小學3D打印技術的應用已經被廣泛接納，但仍然處于簡單應用階段。這一階段屬于3D技術和基礎教育的初步結合，各個學校開始引進3D打印技術，購置相應的設備，并開始關注相應的學科競賽活動，學生也有機會進入3D打印課堂，對3D打印技術知識進行學習和簡單嘗試。這種初步的嘗試，對培養學生的信息素養和創新能力都有著積極的促進作用。該階段雖然3D打印技術已經引入校園，教師學生也并不陌生，但3D打印的應用處于嘗試接觸和了解階段。學生創作的3D打印作品也是在教師引導下邊學習邊制作得到，作品的精細程度和藝術性、創造性有待提高，可見3D打印技術在基礎教育的普及和推廣還有很長的一段路要走。

3 職業教育發展為3D打印帶來機遇與挑戰

3.1 制造業人才缺口的凸顯為3D打印在職業教育中的發展帶來機遇

據2016年教育部、人社部、工信部聯合發布的《制造業人才發展規劃指南》顯示，到2025年制造業人才缺口將達到3 000萬。根據2022年9月份統計的數據，制造業的人才缺口已經達到2 000多萬，與2016年預估數據相吻合。從《2022年第三季度全國招聘求職100個短缺職業排行》中，“機械制造技能工程人員”“機械設計工程技術人員”“智能制造工程技術人員”等人員的短缺分別排在22、39、43位，高級技能人才缺口大。2016-2022年的數據顯示，我國制造業高技能人才出現了斷層。2019年，國務院就已經預估了制造業人才需求的結構性矛盾，國務院發布了《國家職業教育改革實施方案》，對國家職業教育制度的框架提出了明確的要求。方案提出“將標準化建設作為統領職業教育發展的突破口，完善職業教育體系，為服務現代制造業、現代服務業、現代農業發展和職業教育現代化提供制度保障與人才支持。”

3D打印技術作為一種數字化智能制造工具，是21世紀推動智能制造業發展的利器，在培養先進的制造業人才中起著有效的促進作用。為了加快現代制造業人才的培養，一些具有創新型人才培養理念的職業院校先行一步，引進3D打印設備，在人才培養實踐中培養學生使用3D打印技術制造工業產品的技能和素養。例如中山火炬職業技術學院，于2020年10月份在工業產品設計專業的教育實踐中引進了20臺3D打印設備，將3D打印技術的培養與“雙創教育”有機融合起來，大膽改革了職業教育的人才培養模式，為工業產品設計專業培養高技能人才奠定了堅實的基礎。我國經濟由高速增長轉為中高速增長、規模速度由粗放增長向質量效率型集約增長，都對服務現代制造業的高級技能人才提出了明確的需求，因此為3D打印技術在職業教育中的應用帶來機遇。

3.2 增材制造技術正式成為新增專業為3D打印在職業教育中的發展提供現實基礎

2018-2022年間，隨著3D打印關鍵技術的不斷發展，在發達國家制造業回流進程中的地位日漸突出，我國也開始重視增材制造領域高素質應用型專業技術人才的培養。2018年“3D打印技術應用”專業正式列入《全國技工院校專業目錄（2018年修訂）》，2019年“增材制造技術應用”專業被教育部列入《中等職業學校專業目錄（2010）》，2021年2月“增材制造工程”專業被教育部列入《普通高等學校本科專業目錄的新專業名單（2021年）》。同年3月，教育部發布的《職業教育專業目錄（2021年）》中“增材制造技術”正式成為高等職業教育專科新增專業。作為新興的專業，3D打印技術的人才培養模式、專業課程體系、課程開發實施，都處于起步階段。研究顯示“教學基礎設施的欠缺、教學活動準備不足以及學生狀態欠佳等都是在高校開展工業設計專業 3D 打印技術應用中所要面對的問題”[4]，職業教育也面臨著類似的問題。這四年間陸續出臺的新政策，為職業教育3D打印技術人才培養體系的建構提出了明確的目標和方向。但是目前，我國3D打印技術原創性研發與國際發達國家相比還有一定的距離，職業院校的師資也未能百分百掌握先進3D打印技術工藝，工學結合的人才培養機制、專業課程的設置、實踐場地的建設都處于探索階段。

3.3 產教融合校企雙元育人為3D打印技術在職業教育的發展提供了政策保障

職業教育提倡產教融合為職業教育作為極具職業特色的教育階段，其育人目標是培養各行業中具備高端技術技能的專業型應用人才。職業教育注重學校教育與社會需求的結合，產教融合便是職業教育發展中產生的重要概念，國家出臺了一系列政策，為產教深度融合提供了保障和引導。

2014年，國務院印發《關于加快發展現代職業教育的決定》，全面部署中國特色的產教深度融合的現代職業教育體系。有了文件的指引，職業教育更加注重與社會技術需求的接軌，2017年12月，國務院出臺《關于深化產教融合的若干意見》，文件指出現代教育旨在培養大批高素質創新人才和技術技能人才，將產教融合作為促進經濟社會協調發展的重要舉措，融入經濟轉型升級各環節，貫穿人才開發全過程，形成政府企業學校行業社會協同推進的工作格局。行業企業成為重要辦學主體，加快人才培養結構調整，創新教育組織形態，促進教育和產業聯動發展。2019年《國務院關于印發國家職業教育改革實施方案的通知》明確提出，堅持知行合一、工學結合；推動校企全面加強深度合作。要求企業和職業院校成為命運共同體，學校為企業提供課程、師資和人才，企業提供技術、設施、設備等，積極深入地參與學校專業的建設。在國家政策的引導下，產教融合已成為國家主導實施的現代職業教育的核心理念，為了適應現代產業結構和區域分布的人才需求，職業教育需要創新育人平臺與組織形態，聯合相關企業探索產教融合理念下的新型育人機制。

廣州奧基德信機電有限公司是一所集3D打印上游、中游、下游服務于一體的公司，是需要多類型3D打印人才的高新技術企業。據該企業調研3D打印產業科技人才的培養和產業間的需求，存在四年及以上的滯后期，這個問題一直困擾著該企業的發展，成為制約其發展的明顯瓶頸。隨著國家關于職業教育各項政策的出臺，企業和學校的鴻溝得到了緩解。迄今為止，在佛山教育局的牽頭下，該企業面向廣東3D打印產業的需求，和佛山職業教育促進會、容桂職業技術學校成立了“3D打印與數字智造公共實訓中心”。該實訓基地引進企業的工業級3D打印機，融匯職業技術學校的已有實訓資源，將課程內容和職業標準、教學過程和生產過程、學生實踐和崗位實踐對接起來，實現了500余名3D打印職業教育領域人才的培養，也為企業節省了培養人才的時間和資源，走出了一條“產、教、用、創”融合發展的育人途徑。在國家政策和當地教育局的支持下，該實訓中心正準備籌建孵化基地，并以廣東佛山的實訓基地為樣板，向全國進行推廣和復制，以期和更多的職業教育院校更深入的合作，構建更完善的工學一體化的育人模式。目前，已經有不少的企業和職業院校都在國家政策的引導下，探索如何面向3D打印產業打造校企命運共同體。

4 職業教育中3D打印技術在工業設計領域的發展

4.1 3D打印技術和工業設計在職業教育的結合

增材制造技術主要通過打印材料的層層堆疊完成實物的成型，從設備端、材料端、工藝端變革了傳統的制造業。目前 3D 打印技術已經應用到了我國的工業產品制造航空航天、建筑業以及醫療行業當中去，可以說應用范圍非常廣泛[5]。我國職業教育院校也針對3D打印技術的應用領域和人才需求，設置了3D打印專業。但是由于3D打印技術級別、技術、材料都有嚴格的分類和差別，其應用的領域跨度較大。因而，目前職業教育3D打印專業的設置可以分為兩大類別：3D設計及打印技術和藝術設計（3D打印方向）。第一大類3D設計及打印技術主要面向機械、汽車、磨具等傳統制造業培養智能時代的新制造業高技術人才，學生主要需要面向制造業掌握3D打印技術的編程設計基礎技能，以及產業下游維修、營銷等服務技能。第二大類多為藝術設計或者多媒制作等設計領域的3D打印專業方向。這一類別主要面向定制服裝、定制動漫玩偶、定制珠寶等創意產業領域培養跨學科合作的技能型人才，學生需要面向文創產業掌握產品設計、文化服務、藝術造型技能，培養集工學、商學、美學于一體的設計人才。對比兩大類別，一個類別是面向現代制造業輸送高新應用技術人才，一個類別是面向定制文創產業輸送跨學科藝術設計人才，還是有著較大的區別。據前瞻性的產業研究院分析建筑、工業機械、汽車，航空航天、牙科和醫療領域的3D打印技術產業會增長迅速，而藝術應用領域3D打印技術的應用率因條件的限制則增速較緩。雖然3D打印技術和工業設計在職業教育的結合有著無限的潛能，但是卻因為產業領域的現實條件不同，如“由于設計領域的不同對 3D 打印設備的要求也存在差異”[6]，會面臨著較多客觀的挑戰，所以在樂觀估計3D打印技術在工業設計領域的發展時，也需要合理分配專業的設置和人才培養的目標。

4.2 廣東高職院校3D打印技術的創新發展

3D打印技術融入高職工業設計專業成為近幾年探究的主題，2016年8月，廣東省教育廳公示了2017年高職教育公共實訓中心建設項目名單，其中東莞職業技術學院通過申報先進制造技術公共實訓中心，佛山職業技術學院通過申報將建設3D打印技術研究與應用公共實訓中心，3D打印技術研究與應用公共實訓中心的建設意味著該校相關技能操作類課程將擁有專業的技術設備與實訓室，3D打印開始擁有固定的實訓環境。無獨有偶，除了建設3D打印技術實訓中心，廣東省一些高職院校已經意識到3D打印技術的前瞻性和實用性，將“產”“學”“研”在校內有機結合[7]，如廣州市白云工商技師學院、廣州市技師學院、廣州市白云工商技師學院、廣州迪邁珠寶3D設計學院、廣東省輕工業技師學院等院校近年來紛紛開設3D打印技術專業，將3D打印技術作為獨立專業與其他專業進行結合。

有廣東省“首個3D打印技術學院”之稱的廣州市白云工商技師學院，自2015年便率先與企業進行校企共建，開設3D打印專業，企業專家進校授課，幫助學生更加明晰地梳理就業形勢，有針對性地因材施教，培養企業所需人才，提高就業率。校企共育將3D打印技術作為人才培養的主要課程內容，3D打印與各種專業內容相結合組合成不同的課堂教學內容，學生可以根據興趣方向將3D打印技術與專業內容的結合進行深入探究，學生學成之后還未畢業就有企業投來橄欖枝，就業前景一片大好。此外，2019年5月廣東機電職業技術學院與廣州飛勝智能科技股份有限公司共同建設的“3D打印產學研技術中心”在廣東機電職業技術學院先進制造學院進行掛牌，校企雙方就人才培養、科研合作等內容進行深入的交流，對3D打印產學研中心的發展進行探討與展望。廣東機電職業技術學院3D打印產學研技術中心的掛牌建設為該校學生帶來與時俱進的先進技術，并且通過技術中心的實訓課程學生能夠掌握3D打印技術的基礎知識，最終將技能轉化為個人競爭力迎接工作。

4.3 廣東省高職院校工業設計專業與3D打印技術的結合

廣東職業教育的發展一直走在全國前列，高職的工業設計是一門特征明顯的學科交叉融合專業，根據中國教育在線對高職工業設計專業培養目標的介紹，高職工業設計專業旨在培養在設計領域，能夠運用現代化的表現手段，從事工業產品造型的開發及相關視覺傳達設計工作的高級技術應用型專門人才，高職工業設計專業課程涵蓋了嚴謹的材料學、機械學、計算機科學、經濟學等理工學科的知識內容，也包括藝術學、人文學的美感的提升，并且注重金工實習，調研、校本課程特色實踐環節等綜合實踐類的課程內容，因此高職工業設計專業的學生在三年的學習中需要對專業知識有綜合的理解和實踐應用。高職工業設計專業學生就業方向多為建筑類產品設計、室內外環境與設施設計、產品包裝、廣告設計、平面設計、展示設計、陳設設計、產品研發等設計公司、建筑設計研究院（所）或相關企業中的相關專業部門從事相關設計、科研和管理工作。為了提升人才質量，高職院校與企業合作愈發緊密，“建設區域性的3D打印服務平臺”[8]，并將先進的技術引入到工業設計的教學中，3D打印技術便是其中之一，3D打印可以設備打印出立體實體模型以滿足工業設計專業對作品呈現的要求，并且不同3D打印的工藝能夠滿足不同精度要求的產品工藝。