3D打印在高校教学中的作用

2022-12-01

一、何为3D打印

3D打印技术也可称为“增材制造技术”, 还可以称作“快速成型技术”。是一种基于数字模型, 通过逐层打印以及逐层添加材料来构造三维实物的先进技术。最早出现在1986年, 美国科学家Charles…Hull开发了第一台商业3D印刷机;2005年, 市场上首个高清晰彩色3D打印机Spectrum Z510由Z Corp公司研制成功;2012年11月, 苏格兰科学家利用人体细胞首次用3D打印机打印出人造肝脏组织, 这可以算是人类先进科技技术的又一次飞跃性的标志[1]。

按照制作过程通常可分为设计与打印二个阶段:首先, 将需要进行打印的对象或物体使用3D扫描仪去扫描, 从而就可获得三维数据, 有了三维数据很快便可生成虚拟的三维数字模型, 运用打印机为其配备的专业软件对三维数字模型实行进一步的具体处理, 按照喷涂材料的实际属性与打印机相应的规格把数字模型分成若干层, 使用增量的方式, 把材料逐层喷徐或者是熔结到三维空间, 生成模型, 然后对模型进行一系列的加工:打磨、修整以及上色等。由于3D打印不需要配备其余的模具, 很大程度上把制作周期缩短了, 同时把生产效率也提高了, 而且精度非常高[2]。

伴随3D打印技术的快速发展与逐步成熟, 应用的领域也日渐增多, 促使各方科研人员对3D打印技术投入的研究也逐渐增加, 主要可分为两种基本形式:其一, 3D打印技术方面的研究具体包括设备、材料与工艺方法的相关研究。其二, 3D打印技术在各个领域中应用及其影响的研究, 如医疗、航天、教育、建筑、影视、考古等各大领域。由于3D打印技术的科学先进性及其拥有良好的发展与应用前景, 因此探索它在高校教学中的具体应用具有重要的里程碑意义。

二、3D打印在高校教学中的具体应用

3D打印应用于教育领域也可分成两方面, 一方面是增开关于3D打印基础知识以及基本技能的新课程, 让高校学生对其进行系统的学习, 并且加以实践进行简单的设计, 迅速实现设计与创新理念的实际结合, 满足学生对于设计的基本需求, 又可将学生所好奇的虚拟世界与现实世界实行了真实的链接, 激发学生的求知欲望, 挖掘了学生的创新潜能。另一方面则是在教学过程中直接使用3D打印, 为学生创造真实的三维学习环境。

(一) 3D打印在高校教学中的应用现状

2012年末, Stratasys对外宣布推出一款特殊的3D打印机, 它是针对高等教育机构教育而设计的--object20睿智, 还特别配备了刚性不透明的特殊打印材料, 其用量可满足一年的使用需求。此外还为用户提供了相关的使用培训、打印机的后续维护以及相应的技术支持。此款打印机具备极其高的分辨率与无可挑剔的精确度, 为高校师生迅速制造完善的模具的提供了珍贵的体验。3D打印较之一般打印机有其特殊性, 一般打印机只需要配备一台机器与简单的打印材料即可, 而它需要特殊的打印材料, 还需要专门的培训与累积天长日久的操作经验, 为3D打印做好充足准备。3D打印的运用不应该只是学校的展品, 这样有些大材小用, 还应当作为拓展学生想象空间与开发创新潜能的有力助推器。近年间, 很多学校开始陆续购入3D打印机作为新的教学设施。如国内比较闻名的是在2014年末, 山东工艺美院所举办的关于3D打印成果展览, 展览中包括了充满奥妙的数字艺术、逼真的动漫、精美的陶瓷等3D打印作品。又如西安交通大学把3D打印技术投放在医疗方面, 制作了一些骨骼, 并已经投入使用到医疗上, 这是医疗界取得的胜利也是人类的希望, 在不久的将来, 病患可使用3D打印出来的人体器官而再次获得健康的身体。由此可见, 3D打印应用于航空航天、机械制造以及医疗等方面获得的成绩都是非常瞩目的。

(二) 3D打印在高校教育中的具体应用

如今已经是全新的信息化时代, 人们无论是思维、生活、工作还是教育等方面都随之改变。其中教育是国家得以繁荣富强的根本, 而高校教育则是祖国培养现代化科技技术型人才的主要途径, 是不久的未来科技领军人物的生产基地。全新信息化的教育为人们的学习生活带来了空前的转变, 通过全新的教育理念以及全新的学习环境, 正一步步塑造着高校学习与教学的崭新形态。3D打印技术具备的显著特性, 为高校教学开拓了新的路径, 在高校教学过程中的具体应用如下:

1. 为高校学生营造真实的三维学习环境

在平常的多媒体教学过程中, 高校教师一般都会使用图片、视频以及动画等为学生创设较为生动的教学环境。较之传统教学模式中的环境, 带给高校学生的视觉、听觉上的感官刺激是比较震撼的。可是这仍然不足够, 为学生呈现的这些都是平面的, 缺少更为真实立体的形象, 学生需要更直观与真实物体的感知。因此, 3D打印技术的引入应用解决了这个困境, 它提供的教学环境, 可以有效改善传统教学模式的单一的学习环境, 带来了真实的三维教学环境。很多高校医学院的学生在进行解剖实践时, 由于所需资源匮乏, 教师通常只能通过图片与视频进行教学, 学生对于复杂的人体结构很难得到直观、形象又不含糊的认知。现在3D打印技术应用到医疗领域, 不但为医学教育带来了福音, 也为实际的医疗带来了不可限量的贡献。如运用3D打印技术制造出人体下颚, 为病人的受损骨骼进行了成功的替换。3D打印为高校医学界的师生提供的超逼真人体器官, 将他们复杂的抽象化学习转变的更为具体化与形象化, 提高了医学院学生的根本理解能力和学习效率。

2. 提高高校学生的创新能力

3D打印技术其实就是快速成型技术, 不需要配备其他的机械或者模具, 就可以直接按照数字模型快速打印出形象直观的三维模型, 提高了各种产品的生产效率。过往的机械工程、建筑工程、动漫设计等专业的高校学生, 一般只可以利用电脑将设计完成, 如果需要建模是比较困难的, 或者只有通过繁琐的手工制作, 过程的周期长与难度大。国内高都校应当开设3D打印这方面的基础课程, 让每一名学生都可以了解与掌握3D打印的基本技能。再按照不同的专业, 为学生创设合适的3D学习环境, 如制图软件、扫描仪、相关材料等。3D打印的应用于高校教育让学生的设计理念变成了真实的模型, 一方面可以比对真实的模型, 发现自己设计的各种不足, 有效降低设计出错率, 便于进行及时修改。

另一方面学生的设计得以成型为作品这样的成就感激发着引学生的浓厚学习兴趣, 提高学习的热情。通过3D打印技术让学生成为知识的主动构建者, 促进课程的全面改革, 有利于提高高校学生学习的积极性与创新性。

3. 加强高校学生的参加力度与协作能力

3D打印所创设的教学环境, 为高校学生在学习上的探究协作奠定了很好的基础条件。如化学与生物课堂上, 学生常常出现难以清晰认知其复杂的分子结构, 此时就可在教师的指引下, 让学生在已有知识的基础上进行分组学习, 利用3D打印技术设计并制作出具体的分子结构。在这样的学习过程中学生在教师的指导下, 通过自主的探究、发现与实践等环节的学习, 从传统的灌输式教学变为主观能动性的探究实验, 不但可以获得丰富的知识经验, 还可以激发学生的多种学习动机, 全面培养学生的协作能力, 让学生的学习更有意义。

三、结语

伴随3D打印技术的不断发展与日渐成熟, 在教育领域的应用前景将会更为广泛。与此同时教育机构以及教育人员也将面临各种挑战, 3D打印的价格相对来说是较为昂贵的, 要普及利用仍然需要很漫长的路。此外高校教师也是3D打印的直接使用者, 在教学中需对学生提供帮助与专业的指导, 在一定程度上提高了教师在此方面的专业技能的要求。

摘要：3D打印技术其实就是快速成型技术中的一种, 它是一种基于数字模型文件, 使用粉末状金属或者塑料等可进行粘合的材料, 运用逐层打印的方式来构造具体三维物体的先进技术。3D技术可以帮助学习者对数据收集、物化设计等“制造性学习”过程进行最形象立体的感受, 在无比真实的立体学习环境中获取更深刻的难忘体验。此等先进技术对于学生来说, 也是极具吸引力, 可以更好的满足现代化不同师生的个性化需求。随着3D打印技术的最初问世、发展到成熟, 3D打印技术逐的应用日渐广泛起来。文章对3D打印技术的基本特性进行了简要分析, 探究了3D打印技术在高校教学中的作用, 发现3D打印技术有利于营造真实立体的学习环境, 有效促进学生在学习上的探究与协作, 激发与点燃学生学习的积极性和创新性。

关键词：3D打印,高校教学,作用分析