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3D打印技术在高等教育中的应用与发展

发布时间:2017-12-07 09:10:00 文章来源:未来智讯    
    关键词 3D打印;高等教育;机械类专业
    中图分类号:G640 文献标识码:B
    文章编号:1671-489X(2016)16-0036-02
    1 前言
    随着全球信息化时代的到来,以大数据、互联网、云计算及3D打印等为代表的先进信息技术对社会经济发展及学校人才培养都产生重大影响。新技术的发展推动着课程教学内容和教学方法不断变革,以培养顺应时代发展需求的创新型人才。3D打印作为先进信息技术中一项极具发展前景的新兴制造技术,其在工业技术发展及教育人才培养中都占有重要地位。
    3D打印技术出现于20世纪90年代,现代工业生产正在从大规模批量化生产转变为小批量和个性化生产,产品的生命周期和投放市场的时间越来越短。在这样的时代背景之下,3D打印技术应运而生[1]。3D打印技术一出现,就在建筑、航空航天、军事、汽车、机械、电子、电器、玩具、工艺品等许多领域得到广泛应用,被誉为第三次工业革命的重要标志之一,是“具有工业革命意义的制造技术”[2]。随着3D打印成本的大幅下降,使得3D打印不再局限于工业设计、科研等高端领域,其逐步走出工厂及实验室,走进家庭和学校,慢慢渗透到日常生活的方方面面。
    2 3D打印的技术特点与优势
    3D打印技术作为快速成形技术之一,其生产过程无需任何模具等专用工具,只需将零件的CAD模型(数字模型)输入计算机,无需人工编程,根据离散、堆积原理,在CAD模型的直接驱动下完成材料的有序堆积,自动完成零件的成形制造[3]。3D打印技术是计算机技术、数控技术、高能束技术(激光束、电子束等)、微滴技术和材料科学等学科领域和技术的技术集成,3D打印技术的发展又促进了上述相关学科与技术的发展。3D打印技术依托计算机软硬件技术和数控技术与装备,将产品设计与制造过程中的CAD与CAM高度集成,能够迅速将CAD概念设计或创新设计的物理模型非常精准地“打印”出来。这样,设计者可以根据可视化的物理模型进行设计评价,直观地进行进一步的设计,也可对打印出的产品进行装配干涉检查,进行性能和功能测试、手感测试等,显著提高产品开发的效率和质量[4]。
    此外,3D打印技术基于离散、堆积原理进行“增材制造”,不需要特殊的模具、工具或人工干涉,可以制造任意复杂形状的三维实体,具有高度的柔性及加工成本低、生产周期短、节省材料等优势。
    3 3D打印技术在高等教育中的应用
    3D打印技术作为第三次工业革命的重要标志之一,是制造业领域正在迅速发展的一项新兴技术,其在教育应用中亦有深刻的创新实践意义。将3D打印技术应用到教学实践过程中,对学生的动手能力、创新能力及创新思维等的培养都有重要的促进作用,对创新型人才的培养具有积极意义。
    3D打印被作为一种重要的课堂教学手段,颠覆了传统的教学模式,能够将课本上的知识可视化地展现在学生面前,实现触觉教学,以激发学生的学习兴趣。在国外,3D打印技术在教育领域的应用已十分普及。美国STEM研究院已与Stratasys公司合作,将3D打印技术融入学生的编程课程。在我国,3D打印技术在教育领域的推广和应用已被广泛关注。教育部社区教育研究培训中心启动“i-3D打印实验室”项目,将“教学互动”“设计创作”和“操作体验”等集于一体。3D打印技术在国内高等教育中的应用如下。
    教学应用 目前国内很多高校已经具有3D打印实验中心、3D打印工程训练中心。教师可以借助3D打印制作生动直观的可视化教具,实现传统教学中的很多抽象画概念实物化[5],可以结合理论课程开展3D打印实验,让学生通过动手设计,把数学、机械、物理、生物、汽修等课中的许多抽象概念模型化,然后打印出来,以激发学生投身科学、数学、工程和设计的热情,培养实践动手能力[6]。
    如在机械类专业中,传统课程设计中的减速箱设计,只要求学生完成理论设计,然后绘制图纸。而现在可以进一步要求学生借助计算机建模技术创建减速箱三维模型,然后通过3D打印设备打印出来,进行设计评价,以锻炼学生对知识的综合应用能力和实践动手能力。
    科研应用 目前很多高校师生在依托3D打印技术和3D打印设备进行科研项目申报和研究。例如:医学专业的师生依托3D打印技术和生物材料进行人体骨骼及其他器官的打印研究;汽车专业的师生依托3D打印技术进行汽车零部件或整车的打印研究[7];建筑专业的师生利用3D打印制作建筑模型、桥梁模型;等等。学生还可以依托3D打印技术进行产品自主创新设计或结合三维扫描仪等工具进行产品逆向设计,完成产品的创新设计与开发。国家大学生创新创业训练项目中就有很大一部分是基于3D打印技术的项目。
    创新创业应用 随着3D打印技术的应用普及,在高校中出现学生依托3D打印技术和互联网平台进行创业的热潮。例如:学生依托3D打印设备和3D扫描机创立3D照相馆;通过互联网成立网上3D打印云平台,进行个性化3D打印产品的设计与定制生产;很多爱好3D打印的学生成立3D打印创客俱乐部及3D打印空间等,打印售卖个性化优盘、游戏模型及动漫模型等创意产品[8]。利用3D打印、大数据及互联网等先进信息技术,学生可以将具有创造性价值的个性化想法变为实际,最终成为创新创业的新路径、新方向。
    4 3D打印技术在高等教育中的发展
    “十三五”规划纲要在对“现代产业”的提案中明确写到:“大力推进先进半导体、增材制造(俗称3D打印)、智能系统等新兴前沿领域创新和产业化,形成一批新增长点。”随着3D打印技术的不断发展,未来对3D打印专业应用技术人才的需求将会大大增加,国内高校尤其是工程应用技术型大学有必要率先开展3D打印技术的教学及实践,训练学生3D打印的动手能力和思维能力,培养3D打印应用型技术人才,顺应未来3D打印市场的人才需求。
    3D打印目前在国内高等教育中的应用主要在相关专业,还未普及到各个学科。为推动3D打印技术在教育领域的普及应用,教育部提出“3D打印进校园”项目,倡议有条件的学校率先建立3D打印工程训练中心。3D打印应用型技术人才培养中实践教学是关键,所以高校需要加强3D打印教学基础硬件设施建设,加强3D打印实验室、实习实训基地、实践教学共享平台建设。同时开展针对3D打印的项目化教学、可视化教具制作、创客空间及翻转课堂等教学模式,培养不同学科学生3D打印的基础知识与应用能力。此外,可以通过与企业和单位共建3D打印实训基地,发展与相关企业、行业的合作,推进产学研协同创新,形成资源共享、人才共有、过程共管的人才联合培养机制。
    5 结束语
    事实证明,在高等教育中引入3D打印,能够将学生的动手和动脑结合起来,调动学生学习的积极性与主动性,实现边做边学。3D打印将会进一步在高等教育甚至基础教育中推广和普及,更多地融入教学过程,这对学校的教学模式、教学资源以及教师的专业发展都是新挑战。要想将3D打印技术更好地应用在高等教育的人才培养中,还得进一步增强高校之间、校企之间的合作与交流,实现资源、信息、技术及人才的共享。
    参考文献
    [1]王广春,赵国群.快速成型与快速模具制造技术及其应用[M].北京:机械工业出版社,2008:1-230.
    [2]高越.3D打印技术影响下设计师与产品设计的重新定位[D].北京:北京理工大学,2015.
    [3]杨继全,徐国财.快速成型技术[M].北京:化学工业出版社,2006:5-300.
    [4]王运赣.快速成形技术[M].武汉:华中理工大学出版社,1999.
    [5]张佳琦.3D打印技术在地理教学中的应用研究[D].上海:华东师范大学,2015.
    [6]高奇,曾红,等.基于3D打印技术的快速模具制造开放实验探讨[J].实验技术与管理,2016(1):205-207.
    [7]朱艳青,史继富,等.3D打印技术发展现状[J].制造技术与机床,2015(12):50-57.
    [8]李青,王青.3D打印:一种新兴的学习技术[J].远程教育杂志,2013(4):29-35.
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