3D打印在高等教育中的应用优势分析

1、3D打印在高等教育中的应用优势分析 一、引 言 自 2010 年以来， 3D 打印技术（又称增材制造）迅猛发展， 获得社会广泛关注。3D打印以三维CAD模型为蓝本，通过软件 分层离散和数控成型系统， 实现了“所见即所得”， 并且在生物 医疗、航空航天、文化创意等领域获得广泛应用。 2015 年，工 业和信息化部、国家发展和改革委员会、财政部联合发布了国 家增材制造产业发展推进计划（20152016年），2016年科 技部会同有关部门又将“增材制造与激光制造”重点专项列入 国家重点研发计划。这些纲领性文件和政策明确指出，应3D打 印技术的研发和产业化作为我国战略性新兴产业的发展重点。 国内外教育

2、界正掀起3D打印教育应用研究和探索热潮。美 国新媒体联盟在2013年地平线报告中指出，3D打印将带来 教学、学习和研究领域的创新。在国内，许多高校开始购置 3D 打印机，理、工、医、文等各领域都开展了相关的教学研究。 3D 打印在高等教育中的应用日益增多， 它究竟有何种魅力？本文在 归纳3D打印在高等教育中应用现状的基础上，从制造技术属性 的角度，分析其在高等教育中的应用优势。 二、3D打印在高等教育中的应用现状 1.3D 打印制作个性化三维教具 利用3D打印技术，教师可以依据教学实际需要，自己设计 并打印个性化的教具。 3D 打印教具为学生提供比视频、课件更 为真实、直观、清晰的三维实物体验

3、， 营造更为真实的学习环境。 利用3D打印技术制作教学模型辅助课堂教学的案例非常 多。如苏州大学管华清等人依据典型病例CT照片3D打印骨骼模 型并用于骨科教学， 帮助学生加深对骨科疾病的理解； 同济大学 王建秀等人利用 3D 打印技术制作小型、 轻质化的矿物晶体模型， 帮助学生对晶体结构形成直观印象。 2.3D 打印辅助实验教学 随着教学方式的改革， 实验教学已逐步由传统单一实验向开 放性创新实验转化。由于 3D打印是一种高度柔性的制造技术， 可以制造各种材料和形状的零件，3D打印设备平台为学生自主 设计并实施综合性实验带来便利。 它不仅丰富了创新实验教学的 形式，还增强了开放性实验对学生的吸

4、引力， 已成为当代高校实 验教学中的重要辅助工具。 李斌等人在机械实践教学环节中，利用3D打印开设综合性 实验，使学生设计并打印减速器结构。 石河子大学陈凯等人在材 料科学与工程专业实验中，让学生亲自动手制备反应釜模型和 3D分子模型，加深对化工设备和基本原理的理解。中国石油大 学孙致学等人将油气藏的形状、 演化历史和物理特征等进行三维 “可视化”和“实体化”。南华大学机械学院充分运用3D打印 技术开展第二课堂实训教学，学生学习3D打印机的组装、调试 及打印，合格者获得第二课堂学分。 3.3D 打印支撑大学生创新活动 科技创新活动以培养学生独立思考能力、 动手能力和创新精 神为目的，是大学创新

5、教育的重要组成部分。 3D 打印在大学生 作品的概念设计、原型制作、功能验证、评审等方面都能发挥重 要作用。 例如，辽宁工业大学高奇等人以大学生创新创业训练项 目为载体，将 3D 打印技术应用于汽车发动机壳体的快速制造， 极大地激发了学生的创新思维，提高了学生的实践能力。 目前，“创客”已成为许多大学校园内一道引人注目的风 景。 2015年，清华大学建成全球高校中最大的创客空间，其他 大学也设立此类场所以培育人才和激励创新。 “创客”的核心内 涵是将想法变成现实，低成本快速制造的 3D 打印机往往是创客 平台必备的支撑设备。创客空间的3D打印设备实行常态化开放， 为学生参加各种科技竞赛提供支持

6、。 三、3D打印在高等教育中的应用优势 从目前文献报道的案例分析可知，3D打印能在高等教育中 获得广泛应用，主要原因在于 3D打印具有下列优势。 1. 低成本定制 3D打印是一种高度柔性的制造技术，一套设备可以制造多 种材料和各种形状的零件， 这种制造柔性满足了高等教育中大量 的低成本定制的需求。 在课堂教学中， 教师需要一些个性化的复 杂教具，如毛细血管分布模型、建筑物模型、地貌模型等；在开 发性实验中， 学生自主完成产品设计， 需要制作出实物模型用于 设计验证或参加竞赛。 这些需求都是小批量的、 非标准的和多变 的，若让传统制造企业协作完成，其经济成本是不可接受的。因 此，低成本定制是3D

7、打印能在教育领域获得广泛应用的第一原 因。 2. 快速制造 3D打印短流程，快速制造，工艺链很短，理论上是“一步 到位”的制造。借助现代的桌面 3D打印机，可以在数小时内制 作完成一件复杂的零件。 传统制造方式受夹具、 模具等工艺限制， 零件生产的时间都比较长， 以月为单位的交货周期对于教育应用 来说是不可接受的。 3. 促进创新 3D打印理论上可打印任意复杂结构，这就是所谓自由成形 的概念。自由成形使三维CAD设计具备“所见即所得”的新层次 特征，大大拓展了设计师的创新空间。 大学生是极富创造力的群体，3D打印技术的应用有利于挖 掘学生的创造力和激发学生的创业激情。 四、展望 尽管3D打印已经在高等教育领域获得广泛应用，但是3D打 印在工艺、设备和软件等方面仍存在许多不足。例如，打印材料 以塑料和树脂为主，打印零件强度不高、精度较低，主要用来制