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3D打印及其教育应用初探

发布时间:2019-01-04 01:06:04 文章来源:未来智讯    
    3D打印及其教育应用初探作者: 王萍   【摘 要】 在分析3D打印技能原理与特点的基础上,探讨3D打印在教育领域的应用。基于3D打印的教与学将构建Solid Learning教学模式,帮助教师进行个性化教学模型制作,创新学生课程学习设计,推动STEM教育发展。3D打印应用于学习将有助于提高学习者的动手能力、学习积极性和创新性。当前,3D打印教育应用的普及和推广还有待深入开展,教师应发挥领路人的角色,推动教育教学改革。
  【关键词】 3D打印;教育应用;设计;创新
  【中图分类号】 G40-057 【文献标识码】 A 【文章编号】 1009—458x(2013)08—0083—05
  一、引言
  3D打印技能是一种新型的快速成型技能,是“第三次工业革命最具标志性的生产工具”[1],将对社会多个行业和领域带来深刻影响。3D打印的未来发展将使大规模的个性化制作与生产成为可能,在工业设计、建筑、航空航天、医学、教育等领域具有辽阔的应用空间。
  随着3D打印技能的发展,3D打印在教育领域中的应用受到研讨者的关注,一些国家和组织也起初对3D打印的教育应用进行探索。新媒体联盟(New Media Consortium, NMC)在2013年地平线汇报中提出[2],3D打印是未来四到五年值得关注的新技能,将带来教学、学习和研讨领域的创新。如何有效地将其应用到学习领域,为用户提供学习支持,还有待深入研讨。
  二、3D打印的原理与特点
  (一)3D打印的原理
  3D打印,又称三维打印,是一种快速成型技能,为用户提供了新的设计、创作和制作方法。从3D打印的制作过程起程,能够划分为设计与打印两个阶段(如图1所示)。在设计阶段,主要通过3D建模软件或三维扫描设备进行设计,并且能够在开放式设计理念下进行合作设计与创作;在打印阶段,将3D模型按照某一坐标轴切成无限多个剖面,然后逐层打印,变成一个实体的立体模型。用户能够通过自购3D打印机进行模型打印,也能够使用网络服务对设计的模型进行打印。
  1. 设计阶段:3D建模
  3D建模和可视化对物体最后的打印效果起着重要作用,能够使用三维建模软件或三维扫描设备完成。在建模软件方面,既有专业化商业建模软件,如SolidWorks、Creo 2.0等,也有丰富的免费建模软件,如SketchUp、Blender、3DTin、TinkerCAD、123D等。3D扫描仪能够通过对物体对象进行数字化处理和批改,直接生成三维模型。三维扫描集光、机、电、计算技能于一体,主要用于对物体空间外形和结构进行扫描,以获得物体表面的空间坐标,将实物的立体信息转换为计算机能直接处理的数字信号,为实物数字化提供方便快捷的手段。
  2. 打印阶段:3D打印机
  在打印阶段,3D打印机对3D模型数据进行逐层分切,通过读取文件中的横截面信息,对分切的每一层进行构建,将这些截面逐层打印出来,再将各层截面以各种方式粘合起来从而制造出一个实体。由于物体通过材料一层层地累积打印出来,3D打印技能也被称为增材制造或加式制造(Additive Manufacturing)。3D打印支持高本能复合材料、光敏树脂材料、ABS树脂、尼龙等多种材料。
  为了帮助普通用户更好地使用3D打印服务,已有一些公司推出了相关的网络服务和移动服务,并使用云计算技能,为用户提供便利的设计和打印服务。在未来社会制造的环境下,大批3D打印机将变成制造网络,并与互联网、物联网和物流网无缝连接,变成复杂的社会制造网络系统,实时地满足人们的各种需求。[3]
  (二)特点分析
  3D打印技能最突出的优点是无需机械加工或任何模具,可以直接从计算机图形数据中生成任何形状的物件。而传统制造技能是“减材制造技能”,即通过模具、车铣等机械加工技能与工具将原材料转化成产品,其特征为利用缩削、削减材料来生产部件。
  与传统技能相比,3D打印技能主要有下列特点:
  1. 能够实现个性化制作。
  用户能够通过建模软件设计所需模型,进行个性化设计和创新设计,制造出传统生产技能无法制造的外形,满足设计者的需求。通过3D打印机以更快、更有弹性、更低成本的方法生产数量相对较少的产品。
  2. 极大地缩短了产品的研制周期。
  传统模型制作往往需要经过模具的设计、模具的制作、制作模型、修整等工序,制作周期长,而3D打印则去除了模具的制作等过程,使得模型的生产时间大大缩短。
  3. 能够提高原材料的利用率。
  3D打印技能由于摒弃生产线而降低了成本,大大削减了材料浪费,提高了生产率,降低了生产成本,能够进行原材料的高效利用。
  三、3D打印教育应用的分析
  (一)3D打印教育应用项目
  目前,一些国家和组织已经起初重视3D打印在教育领域中的应用,并起初探索这方面的研讨。
  英国教育部开展了一项为期一年的试验项目(2012.10-2013.9),以21个学校为试点,将3D打印技能应用到数学、物理、计算机科学、工程和设计等课程中,探索3D打印的教学应用,推动教学创新。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合作,在“人类学习能够通过制造和分享过程产生”的理念下,为使用3D技能的学校提供良好的理论教导和技能支持。参与项目的学校定期汇报试验情况,分享经 验。[4]
  美国国防高级研讨打算局(DARPA)制作实验和拓展(MENTOR)项目打算在美国高中推广3D打印机。MENTOR项目旨在培养高中生的工程技能,培养学生一系列的技术,并激发他们对工程、设计、制造和科学相关课程的兴趣,促进高中学龄的学生协作完成一系列的设计和制作方案,以帮助他们解决在未来设计和工程方面的挑战。3D打印机在动手和动脑的学习中发挥着重要作用,将有助于MENTOR打算培养指标的实现。[5]   上海市将3D打印引入基础教育领域。静安区青少年活动中心创意梦工场配置了3D打印机及配套的3D扫描仪,定期开设相关课程,免费供有兴趣的学生学习三维设计和计算机辅助制造,打印自己设计的产品。
  3D打印厂商也关注和重视在教育领域的应用和推广。Stratasys公司为教育行业推出了一款面向高等教育机构的3D打印机教育包:Object30睿智(Scholar)。该教育包具有超高分别率和精确度,能够制造出具有光滑表面、移动部件、细节完善的模型,适用于小空间、办公室和桌面操作,可以兼容所有类别的3D CAD 软件。3D打印教育包将使学生有机会开发3D打印项目,为高校带来快速成型模具制造体验,帮助跨学科(尤其是理工科)的师生们快速实现创新与设计理念。
  (二)从教与学理论角度进行的分析
  3D打印为教与学提供了新的媒体形式,创设了新的教学活动方式。下面从戴尔经验之塔理论和活动理论的角度,对基于3D打印的学习活动进行分析。
  1. “经验之塔”理论与3D打印媒体
  美国视听教育专家戴尔在《教学中的视听方法》中提出的“经验之塔”是研讨教学媒体效果的重要理论基础之一。“经验之塔”用一个学习经验的三角形宝塔图来表示不同学习方式的学习效果,将人们获得的经验分为三大类:做的经验、观察的经验和抽象的经验。
  基于3D打印的学习活动提供了丰富的“做的经验”。学习者使用3D打印机打印物体获得了有目的的直接经验;应用建模软件制作3D打印模型能够获得设计的经验。这些具体经验对学习者的学习提供了直接的感性认识。3D打印作品通过演示和展览等方式,使学习者获得“观察的经验”,实现学习者在学习过程中的深度参与,从而改善教学效果。3D打印将抽象观念和设计引入现实世界,对教学内容中的某些抽象观念或科学过程进行可视化展现,可以更好地发挥“抽象的经验”在学习中的作用,使学习者获得更多的认知体验,提高思想能力。
  因此,3D打印可以较好地体现“经验之塔”中三种层次经验的融合,帮助学习者获取学习经验和认知体验,促进学习者立体化地获取和理解知识,拓展创造性思想,从而提高学习效果。
  2. 活动理论与基于3D打印的学习
  活动理论认为:人类认识的起点和心理发展的过程基于人的主体活动,活动是作为主体的人与外界环境交互作用的过程,活动具有多种类型和多种层次,活动对于人的存在和发展具有多种影响,教育应该对学生的学习活动予以关注。人类活动系统包含三个核心元素:主体、客体和共同体,以及三个中介元素:工具、准则和劳动分工。
  基于3D打印的学习是一种在真实而富故意义的任务和问题驱动下的“做中学”,是一种活动教学。在这种学习活动系统中,学习者以问题解决和学习指标为导向,突显学习者的主体地位,使用新型工具(3D打印机,3D建模软件等)为中介,在与其他学习者的协作中完成学习过程。活动理论对我们设计基于3D打印的学习活动带来了启示:体现学习活动中学习者的主体性,强调3D打印技能的中介性,合理设计活动开展的策略,重视学习活动中的交互和交流,完善学习活动中的评价机制。
  (三)基于3D打印的教与学应用
  我们从学习者、教师和教育发展等角度,对3D打印在教育领域的应用进行了分析(如图2所示)。3D打印有助于教师制作个性化教学模型,学生课程学习设计,推动STEM教育的发展。
  1. 构建Solid Learning教学模式
  Solid Learning是在3D打印的基础上提出的一种新型教学模式,指在教育中集成快速成型和数字制造技能,为教师和学生提供可下载的资源对象文件,通过这些对象文件能够直接使用3D打印系统创建物理原型。[6]基于Solid Learning的教学系统如图3所示[7]。
  在Solid Learning模式中,教师和学生可以下载并打印课程所需的3D对象模型资源。学校级建模能够通过低价的3D打印机实现大略模型的打印。复杂的模型需要高本能的3D打印系统,能够在教育服务中心实现。3D模型资源库和教育资源中心成为教学系统的有机组成局部,通过3D打印的实体模型,展开多层次、多角度的教与学活动。
  2. 革新教学模型制作的周期和方式
  当前,教学工具和仪器一般由专门的教学设备制作机构制作发行,更新慢;多媒体课件中展示的教学内容模型也无法使学生直接接触和观察教学实体对象。3D打印使得每位教师都能够方便地打印模型,以有形的三维格式展示教科书中提取的二维信息,并能够设计个性化的教学模型以适应教学内容的要求。同时,3D打印能够帮助学校制作特殊的教学模型,特别是诸如医学解剖、有毒材料、文物古迹等难以获取的模型。来自德雷克赛尔大学(Drexel University)的科学家通过3D扫描仪将恐龙骨骼化石标本进行扫描,再经由3D打印机打造出体积缩小的等比率模型,期望能以此为基础制造出能正常运动的模型,来帮助研讨这些恐龙与其他生物在史前环境中的运动原理。罗得岛大学(University of Rhode Island)的教授使用3D打印机打印了分子物理模型,帮助学生理解药物的相互作用原理及其对疾病的影响。
  3. 创新学习者课程设计
  很多学科能够通过3D打印制作相关的模型,进行课程内容的学习和试验设计,如建筑、医学、生物学、汽车工程、绘画、图形设计、历史考古等。在教学活动中,生动的DIY(Do It Yourself)和立体化的学习方式越来越受到学生的欢迎。
  在机械设计和工业设计等专业,3D打印机可以直接创建出外观原型,使学生们可以以三维形式评估自己的设计;能够制作任意复杂度的模型,这些模型能够进行喷砂处理和上漆,作为生产模型的复制品。我国中山大学和暨南大学等高校将3D打印机应用于工业设计等专业,学生能够在设计室内就把自己的设计转化成为产品,并能准时进行产品调整和改进。英国沃里克大学(Warwick University)的研讨者发明了一种低价的塑料传感材料,可用于3D打印电路器件。学生能够自己设计电路,通过3D打印机实现电路设计,并进行试验和验证。   在建筑领域,通过3D打印建筑设计模型,不但能够观察到设计的实际效果,还能够对建筑物的各种结构进行试验和测试。罗彻斯特理工学院(Rochester Institute of Technology)的教师在静力学课程教学中讲授桥梁结构受力时,让学生们在课程中设计桥梁,并计算桥梁的受力情况。所设计的桥梁通过3D打印机按比率打印后,通过试验检验受力效果(如图4所示)。[8]
  4. 推动SETM教育
  STEM教育指科学(Science)、技能(Technology)、工程(Engineering)、数学(Mathematics)教育。知识经济时代教育指标之一是培养具有STEM素养的人才,提高国家人力资源水平继而提升国家竞争力。在美国,STEM教育不时出如今联邦政府的各种教育改革政策和项目中,并成为美国应对21世纪挑战教育战略的重中之重。美国政府推行STEM打算鼓舞学生主修STEM领域,并不时加大对STEM教育的加入,培养学生的科技理工素养。
  STEM素养由科学、技能、工程和数学学科的素养组成,是把学生学习到的各学科知识与机械过程转形成一个探究世界相互联系的不同侧面的过程。STEM强调学生的设计能力、批判性思想和问题解决能力。[9]3D打印技能引入到教育领域,有助于推动SETM教育,培养学生的科技素养和数字化素养,将不但关乎“字节”,还关乎实物。
  STARBASE Minnesota是一个对学生提供STEM训练的教育项目。在该项目的相关课程中,引入了3D打印机的支持。如在一门航空训练课程中,学习者最初学习火箭机翼设计的相关知识,进行空气动力学的风动测试。学生通过CAD软件自行设计火箭的机翼,通过3D打印机制造后,在室外测试所设计的机翼对火箭飞行的实际影响,并进行设计分析(如图5所示)。教师发现,引入3D打印机后,学生的积极性有了极大的提高,即使是设计中干燥的数学分析,学生也加入了极大的热情。[10]
  四、对3D打印教育应用的思索
  随着政府和企业逐渐加强对3D打印教育应用的支持,学校也积极地将3D打印引入教学和课程, 3D打印将对教与学发展起到积极的促进作用。在未来的发展中,有些方面还需要深入思索和持续探索。
  (一)3D打印对学习的积极作用
  1. 提高学习者的动手能力和参与能力
  3D打印需要学习者的实践操作,从设计到打印,都需要他们参与完成,这将促进学习者操作能力、观察能力和制作能力的发展,全面提高学生的动手能力和参与能力。而动手能力是学习者实践学习的基础,在动手能力的基础上,学习者才能进一步发展其研讨能力和创新能力。
  2. 激发学习者的学习积极性
  3D打印将激发学生DIY的兴趣,通过3D打印机学生的构思转变为真实的立体彩色模型,将抽象观念和设计带入现实世界,使学习更加生动。3D打印为学习活动开辟了新的空间,学习者能够从设计、制作、展示、参与等角度融入到学习过程中,有效地激发学生实践的积极性,提高学习热情。
  3. 培养学习者的创新性和创造力
  3D打印开发了学生的想象力,将他们的创造形成实物,这是一种重要的学习体验。在实践学习活动过程中,学习者的动手能力、设计能力和思想能力等得到全面发展和提高,这是推动学习者创新精神和创造能力发展的重要环节,对创新型人才的培养具有积极意义。
  (二)对未来发展的思索
  1. 3D打印的普及与推广
  当前,大多数3D打印机价格还相对昂贵,虽然已经有一些项目(如“Object睿智教育包”、政府支持等)积极地推进3D打印机的教育应用,但在总体上,3D打印机在学校的普及还需要一个过程。同时,我国在3D打印技能的培训与推广方面,与其他国家相比还有差距,需要进一步推动新技能的学习,这需要教育行政部门、企业和学校共同努力。
  2. 对教师的要求
  教师在3D打印的教育应用中起着重要作用。一方面,教师自身是3D打印的使用者,能够通过3D打印制作个性化的教学模型;另一方面,教师要进行3D打印课程应用的教学设计,帮助和指引学生展开学习活动。因此,这将对教师提出较高的要求,教师需要从技能和教学设计等层面进行学习和提高,做好领路人的角色。
  3. 教育与教学改革
  当前,全球教育领域正在发生着革命性变化,3D打印、大规模在线学习课程(MOOC)等的发展将对教育产生持续的深刻影响。因此,我们需要关注并参与到最新的工业革命和教育变革中,加强创新型人才培养,这是我们未来可以在世界竞争中保持先进地位的根本保证。
  五、结束语
  随着智能制造的进一步发展成熟,新的信息技能、抑制技能、材料技能等不时被广泛应用到制造领域,3D打印技能也将被推向更高的层面。3D打印技能的发展将体现出精密化、智能化、通用化以及便捷化等趋势。“任何技能都倾向于创造一个新的人类环境”,3D打印技能也将在教育领域发挥积极的作用。对3D打印技能的研讨有助于我们把握和预见技能在教育领域中的应用方式和应用前景,并进一步探讨如何充分发挥新技能的特点和优势,通过技能在教育中的应用体现和提升其价值。
  [参考文献]
  [1] Manufacturing: The Third Industrial Rrevolution[EB/OL]. The Economist, 2012,4. http://www.economist.com/node/21553017.
  [2] NMC Horizon Report: 2013 Higher Education Edition[EB/OL]. http://www.nmc.org/publications/2013-horizon-report-higher-ed.   [3] 王飞跃. 从社会计算到社会制造:一场即将来临的家当革命[J]. 中国科学院院刊,2012,(6):658-669.
  [4] 3D打印技能在英国学校试点[EB/OL]. http://www.zhizaoye.net/3D/dong/2013-01-04/20495.html.
  [5] National Program is The First of Its Kind to Put 3D Printers in High School Students’ Hands[EB/OL]. http://www.makepartsfast.com/2011/09/2349/national-program-is-the-first-of-its-kind-to-put- 3d-printers-in-high-school-students-hands/.
  [6] Solid Learning. http://www.solidlearning.org/.
  [7] Introduction to SOLID Learning[EB/OL]. http://www.stemulate.org/2012/05/05/solid-learning/.
  [8] RIT Engineering Student Raves About 3D Printing[EB/OL]. http://www.dimensionprinting.com/successstories/successstoryview.aspx?view=71&title=RIT+Engineering+Student+Raves+About+3D+Printing.
  [9] 赵中建. 为了创新而教育[N]. 《中国教育报》2012-6-15(7).
  [10] STARBASE and Dimension Rocket Elementary Students’ Design Skills to New Heights[EB/OL]. http://www.dimensionprinting.com/successstories/successstoryview.aspx?view=61&title=STARBASE+and+Dimension+Rocket+Elementary+Students+Design+Skills+to+New+Heights++.
  收稿日期: 2013-02-25
  作者简介:王萍,博士,上海大学计算中心 (200444)。
  责任编辑 日 新
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