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摘要：3D打印机作为第三次工业革命的前瞻性产物，对推动全球的智能化制造有着深远影响。随着3D打印技术的逐渐成熟，其已广泛的应用于机械制造、航空航天、医学和服装设计等领域，离大家的生活越来越近。近年来3D打印技术在创客教育中的应用也日益得到人们的重视。本文基于创客教育大背景下就3D打印技术在高校教学中的实践应用、存在的问题和解决的方法以及3D打印技术在教育领域的发展前景做以简单介绍。

关键词：3D打印机；智能化制造；3D打印技术；创客教育

随着社会的发展，人类进入了高科技时代，3D打印技术应时而生。它起源于20世纪80年代，最早是美国德州大学奥斯汀分校开发出选择性激光烧结技术，随后3D打印在麻省理工大学得到进一步发展^[1]。3D打印技术又称“快速制造技术”，是一种区别于传统技术进行做“加法”的工艺，其本质是在电能程序的控制下将数字模型文件通过3D打印机转换为立体实物。

近年来，3D打印技术在教育行业初展头角。在高等学校，3D打印技术已走进了课堂和基础类实验室，在一些需要三维空间立体想象能力的课程，借助传统的ppt或者图片的授课模式已被3D打印模型打破，小巧轻质的立体实物走进了课堂并提升了课堂效果。部分高校还开设了3D打印技术选修课及社团，以此来加强3D打印技术与高校的联系；在中小学阶段，欧美国家和我国一些发达地区现已将3D打印技术引入课堂，比如我国的上海、青岛等地，在青少年活动中心均配置了3D打印装备及扫描仪，并邀请专家定期的来讲解3D建模技术和设备的操作。但是，总体来说，3D打印技术普及程度较低，大多数中小学还没有接触到这门新兴技术，他们缺乏专业的设备及老师。由此，3D打印技术在教育行业还有很大的发展潜能。

1、 3D打印的关键技术

1.1 3D打印技术的原理

3D打印技术是在三维数字模型的基础上，通过3D打印机将特定的材料进行逐层堆积，实现模型实物化的一种新兴的制造工艺。3D打印的基本原理实际上并不复杂，其与传统打印原理基本类似，打印方式类型较多，有熔融堆积成型（FDM）、激光选区烧结（SLS）、激光固化快速成型（SLA）等方式。由于光固化（SLA）采用液体树脂作为打印材料，因而具有高效、精细度高（最薄可达到0.1 mm）、可成型任意复杂零件、原料可多次利用等特点，目前在各个领域最受青睐。

1.2 3D打印的流程

3D打印的流程包括3D建模、切片、打印及后期处理（图1）。3D制作具有精度高、周期短的特点，能够大幅度的提高工作效率。若想掌握3D打印技术，其关键是学会3D建模和操作3D打印机。

建模可分为两种方法，即正向建模和反向建模。正向建模是借助3ds Max、Rhino、Maya等建模软件建立三维数字化模型；反向建模，即利用三维扫描仪对准物体进行扫描，使人们得到物体从点到线再到面的数据。两种建模方法相比，正向建模对于初学者来说虽然具备一定的难度，但由于是从零开始建模，数据较准确，三维数字化模型误差较小。反向建模难度系数较低，但数据误差较大，需要额外购买一台扫描仪，建模成本高。

在建模完成后，利用切片软件将三维数字模型进行分层处理后最终进入3D打印阶段。在打印过程中，还需要针对打印最终成型要求设置层高、填充率、打印速度和打印平台温度等参数。

2、 3D打印技术的应用情况

3D打印技术可以凭借其低成本、高效率的特点来批量定制和生产零部件，因此可以应用于任何需要模型和原型的学科及领域^[2]。目前，3D打印技术应用最广泛的领域是电子行业，在汽车、航空航天、教育这些领域也呈现逐渐增长的趋势。

在电子行业，产品的结构设计过程中常常会应用到3D打印技术，3D打印最常见和最简便的应用是加工产品样机和打印各式各样的结构类零部件。例如，各种各样的塑胶外壳， 金属外壳， 以及各种安装附件等^[3]。在机械制造行业，3D打印应用的很广泛，尤其是汽车制造，比如用3D打印车轮、发动机缸体、离合器壳体及排气管等复杂的零件。目前，全球知名的汽车公司均采用了3D打印技术。在医学行业，3D制造在医学中的应用是广泛的。在牙科，临床小工具，组织设计，组织模型和药物开发等方面都有应用（图2）。

在高等教育领域，2016年，同济大学王建秀等应用3D打印技术实现教学中各种地质体的实体模型三维打印，使得岩体的结构特征直观地展示出来，有助于诸如岩石节理统计、节理玫瑰花统计等课程的学习，从而提升课堂教学的效果^[5]；2014年和2017年，中国矿业大学鞠杨等利用CT扫描了天然煤岩式样、混凝土试样的内部结构，利用3D打印技术对试样进行重构，实现了内部裂隙结构和骨料结构的可视化^[6]。

现阶段，3D打印技术在教育行业初展头角，欧美国家和我国一些发达地区现已将3D打印技术引入课堂，比如我国的上海、青岛等地，在青少年活动中心均配置了3D打印装备及扫描仪，并邀请专家定期的来讲解3D建模技术和设备的操作。然而，大多数中小学是没有专业的设备和老师的，普及程度较低，因此，3D打印技术在教育行业还有很大的发展空间。

3、 3D打印技术在“创客教育”中存在的问题

3D打印技术作为一门融入了IT主流技术（大数据、云计算、物联网）、计算机辅助技术、人工智能等技术的新兴技术，其在教育行业的应用目前还存在各式各样的问题。

3.1 3D打印技术与“创客教育”相脱离

在基于实际情况和有关3D打印技术与创客教育论文的基础上，3D打印技术与创客教育严重脱轨。据调查，接触过3D打印技术的学生不足30%，对3D打印技术完全掌握的教师只有10%左右，许多人仅仅是从电视或网络中了解的3D打印技术。3D打印技术与高校的联系比较弱，尤其是推行“创客教育”型高校，重视创客意识，忽略实践应用，3D打印技术是一个培养创客的很好的平台。

3.2 3D打印技术在不同教育阶段的应用体系有待完善

3D打印技术在我国教育行业不同阶段的应用存在一些问题。比如，在小学阶段，大多数学校以每周接触一次3D打印技术为标准，但时长只有15-20分钟，短短的20分钟小学生无法建立完整的认知，且三维模型的数量不容乐观；在初等阶段，该阶段学生已经有自己的空间立体想象能力，思维活跃，需要培养创新意识和设计能力，但在应试考试压力下，很多学校往往忽略了这一点；在职业教育阶段，存在3D打印设备匮乏、3D打印技术系统不完善等问题。

3.3 3D打印技术校园普及率较低

学校是创客的“发源地”和聚集所，持续为社会输送创新人才。由于经济、政治、地理等因素的综合性影响，教育资源出现了差异，导致3D打印技术引进校园的不均衡性。偏远地区的学生很少接触到先进的3D打印技术，发达地区学校引进率也不足100%，总体上来说，3D打印技术在我国校园的普及率比较低。

4、 3D技术在教育行业应用的一些建议

4.1 3D打印技术应与“创客教育”相结合

“创客教育”，即在“创造中学习”的教育模式。“创客教育”模式已走进各应用型高校，培养一大批创新型和实践型人才。3D打印技术在应用型高校应与“创客”模式相携手，以“创客教育”为背景，前沿的3D打印技术为平台，让3D打印成品走进课堂，让学生走入3D打印技术，以此来培养一批又一批自主学习能力强，懂得合作与分享，团队集体意识高的喜爱科研的大学生，为建设我国为建设型国家注入新活力。我国“创客”人群主体是在校大学生或是刚毕业的大学生，而他们正在接受高等教育或刚接受完学校教育，如果在这个阶段他们学习3D打印技术，那么在这个过程中将会激发他们创造的动能，培养自主发现问题——独立解决问题的“创客思维”，形成浓厚的实践与创造的科学氛围，产生新的效益社会化。

4.2 应从教育理论出发面对不同教育阶段系统建立3D打印应用体系

面对不同阶段的教育系统，3D打印应具有更大的包容性。作为一门新兴的制造技术，在教育领域应建立不同的应用体系。对于基础教育来说，3D打印作为认知工具，用于快速制造与课程配套的模型；对于高等教育，3D打印作为创新平台，用于快速实现创新性的设计思想；对于职业教育，3D打印作为教学目标和学习内容，形成了面向中国制造2025的职业技能知识体系^[7]。不同的教育阶段，3D打印扮演了不同的角色，在教育行业的应用应找准两者的契合点。

4.3 提高3D打印技术在我国校园的普及率

3D打印技术和打印设备只在我国少数教育发达的地区得到了应用，校园普及率很低。在教育方面，3D打印技术在不同的教育阶段均起到了重要的作用，从自制教学用具到教学模式的转变，3D打印技术均可扮演重要角色。为了促进教育资源的均衡性，应当将3D打印资源慢慢的向偏远学校靠近，国家层面应制定相关政策，在经济上给予一定的支持；高校专业老师可定期在不发达的学校举行知识讲座，激发学生的好奇心；社会面也可从知识体系到设备等方面帮助3D打印技术走进校园，形成3D打印技术全面普及的大好景象。

结论

3D打印技术在高校实行“创客教育”改革的背景下，在教育领域有着极大的应用潜力，能够为专业性课程提供新的思路与模式。 3D打印模型走进课堂取代传统的照片，打破传统的教学方式，模型“活”了起来，激发了学生自主探索的兴趣，提高了课堂教学效果，丰富了教学资源，推动了高校教育的创新与改革。在国家积极推动“中国制造2025”的政策下，3D打印技术将会受到越来越多的关注，将成为时代的新宠儿。

参考文献：

[1]熊金泉.3D打印在教育领域的应用研究[J].南昌师范学院学报，2017，38（6）：5.

[2]陈奇，邹灏，李欣宇，等.3D打印技术在矿床学中的应用研究——以内蒙古乌力吉敖包萤石矿Ⅲ号矿体为例[J].地质与勘探， 2018， 54（4）：13.

[3]朱安超.3D打印技术在电子设备行业的应用[J].无线互联科技，2015（12）：2.

[4]Chadha U， Abrol A，Vora N P ， et al.Performance evaluation of 3D printing technologies： a review， recent advances， current challenges， and future directions[J].Progress in Additive Manufacturing， 2022， 7（5）：853-886.

[5]王建秀，刘笑天，居哲超，等.3D数字扫描-3D数字重建-3D打印技术在地质工程教学中的应用[J].教育教学论坛， 2016（42）：2.

[6]鞠杨，谢和平，郑泽民，等.基于3D打印技术的岩体复杂结构与应力场的可视化方法[J].科学通报，2014，59（32）：3019-3119.

[7]邱望洁，李昊阳.3D打印技术在教育行业的应用发展前景研究[J].中国教育信息化， 2017（5）：4.