三D打印在教学中的应用研究应用.doc

3D打印在教学中应用研究牛一帆（山东省济宁市技师学院，济宁 27） 【摘要】3D打印是一种新型迅速成型技术，它以计算机三维设计模型为蓝本，用软件将其离散分解成若干层平面切片，然后由3D打印机将粉末状、液状或丝状金属、陶瓷、塑料、细胞组织等材料逐级堆积黏结，最后叠加成型，制造出实体产品。当前，该技术已在各个领域都得到了广泛应用。对3D打印技术原理、特点、发展，3D打印在教学中应用及作用做了深层次探讨。最后，针对3D打印在教学中应用，提出了需进一步思考和解决有关问题。 【核心词】3D打印；三维模型；逐级叠加；教学创新；创造力；个性化【中图分类号】G42 【文献标记码】AResearch on Teaching Application of 3DPrintingNIU Yifan(Jining College of Technician，Jining 27，China)Abstract：3D printing technology is a new rapid prototyping technology that 3Dmodel designed by computer is blueprint. 3Dmodel is decomposed into several plane layers by software，then pulverous，liquid or filamentous metal,ceramic，plastic,cell tissueand other materialsare overlain layer by layer by 3D printer，and eventually physicalproduct is molded. At present,this technologyhas been widely applied in various fields.Technology principle，characteristics，development and applicationin teaching of 3D printing are deeply explored. Finally,related problems need to be further thought and solved toapplication of 3Dprintingin teaching are put forward.Key words：3D printing；3D model；overlying layer by layer；teaching innovation；creativity；personality 3D打印（Three Dimensions Printing）是一种新型迅速成型技术，它是以计算机三维设计模型为蓝本，用软件将其离散分解成若干层平面切片，然后由数控成型系统运用激光束、热熔喷嘴等方式将粉末状、液状或丝状金属、陶瓷、塑料、细胞组织等材料进行逐级堆积黏结，最后叠加成型，制造出实体产品技术1。该技术综合了数字建模技术、信息技术、机电控制技术、材料科学与化学等诸多方面前沿技术知识，是一种具备高科技含量综合性应用技术。当前，该技术已广泛地应用于工业产品制造、医疗行业、建筑业、汽车制造业、航空航天、食品、军事等行业2。 随着3D打印技术发展，3D打印在教诲领域中应用也受到了研究者普遍关注，某些国家和组织也开始对3D打印教诲应用进行摸索。地平线报告是美国新媒体联盟与美国高校教诲信息化协会合伙发布教诲领域最有普及潜力新技术报告。地平线报告初次将3D打印教诲应用列入了“待普及”新技术清单，并对3D打印作了较为详细简介，报告编纂者以为，该技术将会在四到五年内普及3。 一、3D打印技术原理和发呈现状 （一）3D打印原理与特点 1. 3D打印技术原理3D打印，又称三维打印，是一种迅速成型技术。从3D打印制作过程出发，可将其分为设计与打印两个阶段。 （1）设计阶段：3D建模 通过goSCAN之类专业3D扫描仪或是Kinect之类DIY扫描设备获取对象三维数据，并且以数字化方式生成三维模型4。也可以使用Blender、SketchUp、AutoCAD等三维建模软件从零开始建立三维数字化模型，或是直接使用其她人已做好3D模型4。 （2）打印阶段在打印阶段，3D打印机对3D模型数据进行逐级分切，通过读取文献中横截面信息，对分切每一层进行构建，将这些截面逐级打印出来，再将各层截面以各种方式粘合起来从而制造出一种实体。当前，3D打印用到各种技术，最典型有分层实体制造技术（LOM）、立体光刻技术（SL）、熔融挤出技术（FDM）和选取性激光烧结技术（SLS）四种。3D打印材料重要有尼龙材料、金属材料、石蜡材料、橡胶材料、生物材料、工程塑料、光敏树脂等4。模型打印完毕后普通都会有毛刺或是粗糙截面。这时需要对模型进行后期加工，如固化解决、剥离、修整、上色等等，才干最后完毕所需要模型制作。为了协助普通顾客更好地使用3D打印服务，已有某些公司推出了有关网络服务和移动服务，并使用云计算技术，为顾客提供便利设计和打印服务。在将来社会制造环境下，大批3D打印机将形成制造网络，并与互联网、物联网无缝连接，形成复杂社会制造网络系统，实时满足人们各种需求。 2.特点与局限性与老式制造业“减材制造技术”相反，3D打印遵从是加法原则，即“逐级叠加”原则，不再需要老式刀具、夹具和机床，能实现设计制造一体化，从而大幅减少了生产成本，缩短了加工周期，提高了原材料和能源运用率，减少了对环境影响。3D打印可以实现大规模个性化生产，可以制造出老式生产技术无法制造出外形,成型产品密度也更加均匀。可以实现首件净型成形，大大减小了后期辅助加工量，避免了委外加工数据泄密和时间跨度。此外，由于其制造准备和数据转换时间大幅减少，使得单件试制、小批量生产周期和成本减少，特别适合新产品开发和单件小批量零件生产。3D打印技术当前也存在诸多问题，例如某些行业缺少宏观规划和引导、公司对技术研发投入局限性、打印精度和打印速度不能满足需求等。 （二）3D打印技术历史与现状第一台商用3D打印机出当前1986年，但3D打印技术真对的立是以美国麻省理工大学Scans E.M.和Cima M.J.等人于1991年申报关于三维打印专利为标志4。 经历二十近年摸索和发展后，3D打印无论在技术、造价，还是应用领域方面均有了长足进步。在打印技术方面，当前，主流打印机可以在0.01mm单层厚度上实现600dpi辨别率打印精度，较先进产品已经具备每小时1英寸以上垂直打印速率，并可实现24位色彩彩色打印。用于打印材料涵盖从石料、金属到当前占主流地位高分子材料，甚至是面粉、蛋白粉等食品原料。当前，已开发出可打印材料约为14类，可混搭出一百各种耗材。在造价方面，3D打印机售价正在迅速减少。3D打印应用领域也在迅速扩张。此外，全球第一家3D打印照相馆也于初在日本开业，顾客通过拍照、建模、打印三个阶段，就可觉得自己制作一种三维头像。此外，微软Windows 8.1操作系统和Photoshop图像解决软件也已经开始支持3D打印功能。 二、3D打印在教学中应用研究 （一）3D打印在教学中详细应用 1.3D打印在各学科教学中创新应用3D打印技术作为一种通用技术，可以应用到大某些学科中去，涵盖正式学习、非正式学习和培训等类型教诲。下图1是数十个学科领域使用3D打印辅助教学例子。图1 3D打印在各学科教学中应用案例Fig.1 Application case of3Dprinting ineach subject teaching 2.3D打印教学应用项目当前，某些国家和组织已经开始注重3D打印在教诲领域中应用，并开始摸索这方面研究。英国教诲部开展了一项为期一年实验项目（.10-.9），以21个学校为试点，将3D打印技术应用到数学、物理、计算机科学、工程和设计等课程中，摸索3D打印教学应用，推动教学创新5。该项目与英国物理学会、全国数学教学创优中心（NCETM）和3D打印机厂商Makerbot合伙，在“人类学习可以通过制造和分享过程产生”理念下，为使用3D技术学校提供良好理论指引和技术支持。参加项目学校定期报告实验状况，分享经验。美国国防高档研究筹划局（DARPA）制作实验和拓展（MENTOR）项目筹划在美国高中推广3D打印机6。MENTOR项目旨在培养高中生工程技术，培养学生一系列技能，并激发她们对工程、设计、制造和科学有关课程兴趣，增进高中学龄学生协作完毕一系列设计和制作方案，以协助她们解决在将来设计和工程方面挑战。3D打印机在动手和动脑学习中发挥着重要作用，将有助于MENTOR筹划培养目的实现。意大利理论物理国际研究中心（ICTP）运用网上免费工具将数学中档值曲面转化成三维模型，并打印出可用于课堂教学实物或者很酷装饰品7。将数学公式制作成三维模型重要有下面几种环节：一方面，需要一种可以在三维空间中对数学曲面建模可视化软件，该项目中使用了免费K3DSurf软件，这是一种支持参数方程和等值曲面绘制工具，自带了五十各种范例。之后选取了pseudo-Duplin等值曲面为数据源，这个模型不但看起来比较有趣，还能获得较好3D打印效果。拟定模型对象后，还要调节好模型辨别率，将生成三维模型导出为OBJ格式文献。接下来需要对三维模型进行打印前加工。使用Netfabb Basic软件检测并修复模型中网格错误，再将其转化成3D打印软件最惯用STL格式。然后使用Ultimaker公司开发Cura软件，将三维模型大小调节为适合打印尺寸。由于大某些数学等值曲面均有弧形底部和内凹空缺某些，这里需要放置一种支架来保证模型在打印过程中不会坍塌。最后将文献发送到打印服务，并运用不同材料（如金属或陶瓷）将文献打印出来。3D打印还可觉得枯燥数学知识增添趣味性和实用性，将数字化和潮流相结合。通过技术手段，可以使得数学与艺术并驾齐驱，通过数学模型去构造和实现艺术设计。令人惊奇是，某些数学曲面形状和特性本来就特别适合于珠宝。例如，如下图2所示实例不需要添加任何种类挂环就可以作为吊挂装饰物。图2 打印前3D构造（左）和打印出实体模型（右）Fig.2 3Dstructure before printing (the left figure)andprinted physical model (the right figure)国内上海市也将3D打印引入基本教诲领域。静安区青少年活动中心创意梦工厂配备了3D打印机及配套3D扫描仪8，定期开设有关课程，免费供有兴趣学生学习三维设计和计算机辅助制造，打印自己设计产品。3D打印厂商也开始关注和注重3D打印在教诲领域应用和推广9。Stratasys公司为教诲行业推出了一款面向高等教诲机构3D打印机教诲包：Object30睿智（Scholar）10。该教诲包具备超高辨别率和精准度，可以制造出具备光滑表面、移动部件、细节完善模型，合用于小空间、办公室和桌面操作，可以兼容所有类别3D软件。3D打印教诲包将使学生有机会开发3D打印项目，为高校带来迅速成型模具制造体验，协助跨学科（特别是理工科）师生们迅速实现创新与设计理念。 （二）3D打印在教学中作用 1.可改进教学方式办法在大某些3D打印课程项目中，3D打印技术自身并不是课程重点。此类课程采用项目形式，其重要目的是将抽象概念变成有趣问题解决，进而协助教师和学生掌握抽象概念。如在3D打印：从想象到现实一书中提到“边做边学”课程设计了一种制作风力发电机项目，将物理学、电子技术某些抽象概念和动手制作巧妙地结合起来，让学生自然而然地学会和应用这些基本知识11。此外，3D打印还可用来制作可视化教具和学具。本来教学场景下，教师多使用语言和图片描述教学内容，多媒体课件中展示教学内容模型也无法使学生直接接触和观测教学实体对象。形象直观立体教具较少配备，或是无法定制。并且教学工具和仪器普通由专门教学设备制作机构制作发行，更新慢。3D打印则提供了更多创造空间，教师可以以便地自行制作和打印某些教具，以有形三维格式展示教科书中提取二维信息，并可设计个性化教学模型以适应教学内容规定并在课堂上展示。学生也可以观测、触摸和组装这些教具，这种方式显然要比本来教学效果更好。 2.可辅助学生进行创新设计工程类或建筑类项目学生可以使用3D打印完毕迅速原型12。通过电脑直接将设计打印成微缩模型来构造设计方案，而不用花诸多时间手工制作。通过这些迅速原型，在设计初期就可以发现问题和局限性，并且修正设计中缺陷，教师也能及时予以指引和协助。设计类专业学生同样可运用3D打印技术迅速实现她们设计方案，并且到生活中进行检查和试用，把课堂上获得技能和创造性构想应用到现实生活中。针对需要制作模型课程，3D打印可以作为小组协作探究环境一某些，承担对创意和技术方案进行迅速验证任务，增进学生创造力培养和社会性认知。例如，Intel将来教诲展示中有这样一种案例：某小学物理课上讨论力学问题，学习小组设计了各种桥梁模型构造方案，并将设计打印成实物，检查设计承压能力。这就是一种将3D打印机作为探究学习环境典型示例。 3.可提高学生动手能力和参加协作意识，激发学生学习积极性和创造力3D打印需要学生实践操作，从设计到打印，都需要她们参加完毕，这将增进学生操作能力、观测能力和制作能力发展，全面提高学生动手能力和参加能力。而动手能力是学生实践学习基本，在动手能力基本上，学生才干进一步发展其研究能力和创新能力。同步，3D打印将激发学生DIY兴趣，通过3D打印机，学生构思转变为真实立体彩色模型，将抽象概念和设计带入现实世界，使学习更加生动12。3D打印为学习活动开辟了新空间，学生可以从设计、制作、展示、参加等角度融入到学习过程中，有效地激发了学生实践积极性，提高了学习热情。 4.可营造更高兴学习体验3D打印核心应用在于它可以协助使用者将数字化设计迅速变成实物。独特实物模型给学生提供了切身感受，并且可以操作模型互动，从另一种角度对事物增进了理解，可以协助她们高兴地记忆，避免遗忘。尚有，对于需要动手设计和制作课程来说，3D打印可以协助学生加速设计过程，学生可以在设计初期就通过原型化排除错误设计，从而协助她们避免由于挥霍时间在无用工作上，或是项目失败带来挫败感。 三、对3D打印教学应用思考3D打印技术虽然在当前教诲领域应用越来越多，但在将来发展中，依然有某些方面需要进行进一步思考和持续摸索。 （一）3D打印普及与推广一方面，软硬件环境配备代价高昂，无论是3D打印机还是专业三维建模软件价格都较高。同步3D扫描仪、三维模型素材库等配套环境也有所缺失。并且入门级3D打印机工作效率很低，一种不太复杂小物体都要数个小时才干打印出来，需要同步配备多台3D打印机才干满足一种30人小教学班一次教学活动需要。虽然已有某些项目（如“Object睿智教诲包”、政府支持等）积极地推动3D打印机教诲应用，但在整体上，3D打印机在学校普及还需要一种过程。同步，国内在3D打印技术培训与推广方面，与其她国家相比尚有差距，需要进一步推动新技术学习，这需要教诲行政部门、公司和学校共同努力。 （二）对教师规定教师在3D打印教学应用中起着重要作用。一方面，教师自身是3D打印使用者，可以通过3D打印制作个性化教学模型；另一方面，教师要进行3D打印课程应用教学设计，协助和引导学生展开学习活动。因而，这将对教师提出更高规定，教师需要从技术和教学设计等层面进行学习和提高，以做好领路人角色。 （三）教诲与教学改革 当前，全球教诲领域正发生着革命性变化，3D打印、大规模在线学习课程（MOOC）13等发展将对教诲产生持续深刻影响。因而，咱们需要关注并参加到最新工业革命和教诲变革中，对原有教学课程重新进行设计和再造，加强创新型人才培养，这是咱们将来可以在世界竞争中保持先进地位主线保证。参照文献1维基百科.“三维打印”词条EB/OL. -05-20. 2张桂兰.神奇3D打印J.数码印刷,(2):54-56.3National Program is The First of Its Kind to Put 3D Printers in High School Students HandsEB/OL. 4罗军.3D 打印技术现状及发展趋势EB/OL. -03-09.53D打印技术在英国学校试点EB/OL. 6RIT Engineering Student Raves About 3D Printing EB/OL. +Engineering+Student+Raves+About+3D+Printing.7 Gaya Fior. From Math to Jewel：an Example EB/OL. -05-20.8Jacobos P F. Rapid prototyping &manufacturing：fundamentals of stereo lithography M.New York：McGraw Hill，Inc，1992，1-23.9Walters，P. & Davies，K. 3D printing for artists：research and creative practice J. Journal of the Norwegian Print Association，(1):12-15.10郭劲秋.3D 打印走进学校专业教诲EB/OL.-03-17.11 University of Huddersfield. 3D Printing Opens Educational Doors for the School of Art &DesignEB/OL. -05-22.12 Ex One Company. Z Corporation 3D Printing Technology Fast，Affordable and Uniquely Versatile D.America：ZCORPORATION，(5):60-61.13王雪莹.3D 打印技术与产业发展及前景分析J.中华人民共和国高新技术公司,(26):3-5.作者简介：姓 名：牛一帆，出生年月：1982.5，性 别：女，籍 贯：山西长治，职 称：讲 师，印刷包装工程专职教师，邮寄地址：山东省济宁地区邹都市龙山北路759号兖矿新陆建设发展有限公司工程技术部 赵峰（收），邮政编码：273500。联系电话：或者，邮箱：，工作单位：山东省济宁市技师学院（邮政编码：27，所在都市：山东省济宁市）。 本文参加课题项目：山东省济宁市技工教诲和职业培训科研课题高技能人才培养模式研究，编号：RSJY-Z003。