3D打印技术在高等教育中的应用与发展
3D打印技术在高等教育中的应用与发展 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.中国教育技术装备