3D打印机及其在教育中的应用

3D打印机及其在教育中的应用

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国家数字化学习工程技术研究中心，武汉市 中国 430000

摘 要：目前，3D打印技术这种快速成形的新技术，已经应用于医疗、建筑、航空等诸多领域，越来越受到大家的关注。本文介绍了3D打印的概念、原理以及发展状况；3D打印在教育中的应用，通过两个案例分析，佐证了在教育的各个学习和各个阶段3D打印技术都有很好的应用；进一步详细分析了基于3D打印技术的教学应用模式构建；最后总结局限性和未来发展前景。 关键字：3D打印；教育应用；教学模式构建；

3D printer and its application in education

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(NERCEL, CCNU, WUHAN, CHINA)

Abstract:At present, 3D printing technology—the new technology of rapid prototyping, it has been used in

medical, construction, aviation and other fields with more and more people's attention.This paper introduces the concepts, principles and development of 3D printing; 3D printing applications in education, through two case studies, corroborated in various learning and the various stages of education 3D printing technology has good application; further detailed analysis build 3D printing technology based teaching application mode; concludes limitations and future prospects.

Key words:3D Printing; Applications in Education; Teaching Mode

用相关软件将虚拟模型分成若干层；然后，按照分层之后的数据，以添加制造的方法填

1 3D打印的概念 充相应的每一层；最后，需要对打印出来的

物品进行修整、打磨及上色等后期处理。

3D 打印技术起源于 20 世纪 80 年代，最早是美国德州大学奥斯汀分校开发出选择性激光烧结技术，随后3D 打印在麻省理工大学得到进一步发展，毕业生们尝试将非传统的物质应用于喷墨打印机，由此创造出了当今的3D打印技术。[1]

3D 打印技术，又称“添加制造”技术，是“一种与传统的材料去除加工方法相反的，基于三维数字模型的，通常采用逐层制造方

[2]

式将材料结合起来的工艺。3D打印技术打印三维物体的本质是以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可固化材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。

3D打印机打印一个物品的流程主要分为四个阶段，即建模、分层、打印和后期处理。[3]利用三维扫描仪或三维制图软件制作三维模型；根据 3D 打印机的精确度及标准，

2 3D打印的原理和发展现状

2.13D打印机的原理

现实中的二维的喷墨打印技术，像文稿

和照片打印，这某一些类型的3D打印技术确实存在比较接近。3D打印使用特别的设备将材料一层一层的喷涂或熔结到三维空间中，最后形成所需的对象，所使用设备就是3D打印机（如图1所示）。3D打印机的精确度相当高，即便相对便宜的3D打印机也价格达到1.8万元。3D打印机的独到之处在于无需机械加工和模具作为辅助，只需要设计者根据用户的需求，通过3D建模软件

进行的建模，然后通过打印机读取模型数据进行打印输出。一般来说3D打印获得一件事物需要经历建模、分层、打印和后期处理四个主要的阶段，具体流程如图2所示。

图1 3D打印机

图2 3D打印的设计和制作流程

1.三维建模

通过goSCAN之类的专业 3D扫描仪或是Kinect之类的DIY扫描设备获取对象的三维数据。并且以数字化方式生成三维模型。也可以使用Blender、SketchUp、

Auto-CAD等三维建模软件从零开始建立三维数字化模型，或是直接使用其他人已做好的3D模型。 2.分层切割

由于描述方式的差异，3D打印机并不能直接操作3D模型。当3D模型输入到电脑中以后，需要通过打印机配备的专业软件来进一步处理。即将模型切分成一层层的薄片，每个薄片的厚度由喷涂材料的属性和打印机的规格决定。 3.打印喷涂

由打印机将打印耗材逐层喷涂或熔结到三维空间中，根据工作原理的不同，有多种实现方式。比较流行的做法是先喷一层胶水，然后在上面撒一层粉末，如此反复；或是通过高能激光融化合金材料，一层一层地熔结成模型。整个过程根据模型大小、复杂程度、打印材质和工艺耗时几分钟到数天不

等。

4.后期处理

模型打印完成后一般都会有毛刺或是粗糙的截面，这时需要对模型进行后期加工，如固化处理、剥离、修整、上色等等。才能最终完成所需要的模型的制作。目前3D打印领域在具体实现打印的关键技术方面处于百花齐放的状态，各种技术相互竞争，它们之间的差异主要体现在打印机分层创建部件和应用材料方式上。例如，选择性激光烧结技术(SLS)和混合沉积建模技术(FDM)可以归为一类，它们是利用熔点较低的可塑性材料作为打印的“墨水”，通过热熔的方法来制造物品的；还有一类打印技术是直接用液体材料作为打印耗材，包括立体平板印刷技术(SLA)和分层实体制造技术(LOM)，通过光敏等方法使材料固化[4]

以上的这些技术各自都有优势和不足,其适用领域有所不同，在实际应用中应该综合考虑打印的速度、成本、打印机价格等因素选择合适的解决方案。 2.2 3D打印的发展现状

第一台商用的3D打印机出现在986年，但3D打印技术的真正确立是以美国麻省理工大学的 Scans E.M.等CimaM.j等人于1991年申报的关于三维打印专利为标志的[5]目前，在3D打印领域比较著名的公司有3D System、Z-Corporation、Object Geometries等。经历十多年的探索和发展后3D 打印无论在技术、造价，还是应用领域方面都有了长足的进步。在打印技术方面，目前，主流打印机能够在0.01mm的单层厚度上实现600dpi分辨率的打印精度,较先进的产品已经具备每小时1英寸以上的垂直打印速率,并可实现24位色彩的彩色打印。用于打印的材料涵盖从石料、金属到目前占主流地位的高分子材料，甚至是面粉、蛋白粉等食品原料。目前，已经开发出的可打印材料约为14类，可混搭出一百多种耗材。在造价方面，3D打印机的售价正在迅速降低，MakerBot 公司新推出的低端打印机Replicator 2的售价已经下降到2199美元,高端的Replicator

2X也仅售2799美元,预计几年后家用型的3D打印机会降价到1000美元以内。[6]

3D打印的应用领域正在迅速扩张。在消费电子、航空和汽车制造等行业，3D打印可以以较低的成本和较高的效率生产小批量的定制部件，完成复杂而精细的造型。口，一些教育机构和组织正在研究、探索如何将该技术应用到教学和学习中\，学生不仅可以享受到这种最新潮技术辅助教学的便利以及各种创新用法，还可以此作为促进他们学习设计技能的推动力，更会对他们的技术素养和未来的职业发展产生深远的影位于纽约的创意消费品公司Quirky支持设计师在线提交设计方案，通过3D打印制成实物，并通过电商网站销售,每年推出六十多种创新产品。在医疗领域3D打印被用于制作人体器官的替换材料。2013年初，欧洲的医生和工程师利用3D打印定制出一个人造下颚以替换病人的受损骨骼，成功地使病人得以康复。同时，德国的研究人员正在采用3D打印技术制造具有生物相容性的人造血管。在建筑领域，意大利发明家恩里科·迪尼发明了一台可以用沙子直接打印立体建筑的巨型3D打印机。此外，全球第一家3D打印照相馆也于2013年初在日本开业，用户经过拍照、建模、打印三个阶段，就可以为自己制作一个三维头像。

自上世纪90年代起! 我国的科研机构也已经开始研发自主知识产权的3D打印机。清华大学、北京航空航天大学、华中科技大学、西安交通大学等高校都取得了不俗成绩。基本与西方发达国家处于同一水平，研制出了多种类型的3D打印装备和材料。其中，北京航空航天大学率先研发出飞机钛合金大型复杂整体构件激光成型技术。这是国际上3D打印领域内的重大突破，华中科技大学研发的大型3D打印机，可通过激光将原材料制造成复杂的工业零部件或生活用品。2012年底，工信部宣布加强顶层设计和统筹规划，以推动3D打印产业化，并组织制定发展路线和中长期发展战略完善3D打印的技术规范与标准。

3 3D打印技术在教育领域的应用

3.1在各学科教学中的创新应用

3D打印也为教育行业打开了一扇新窗

响。以下是目前3D打印的一些典型的教学应用情况。

玛丽·华盛顿大学的教师在2012年的设计入门课程中使用3D打印机作为学习环境，由学生扫描实物或自己设计出物品，打印出原型，并在此基础上试验和改进。在FullSail大学,学生们使用该技术制作3D漫画人物,他们利用三维软件设计人偶并打印出塑料模型.美国弗吉尼亚大学的学生通过3D打印技术制造出一架模型飞机并成功试飞机。飞机的所有零部件都是通过3D打印制造的。美国国家科学基金会（NSF）的数字图书馆项目提供了很多3D动物和器官结构模型，包括无脊椎和脊椎生物，很多是已灭绝生物。该项目的参与者正在扫描并打印复制古人类化石。哈佛大学博物馆的研究人员也在利用计算机为收集到的残缺古代器具、化石等建立模型，然后用3D打印出复制品。

根据对美国TeachThougth.com网站、2013年版《地平线报告》等文献以及其他一些资料和案例的整理和筛选，笔者一共搜集了数十个在不同学科领域内使用3D打印机辅助教学的例子\详见表1。

表13D打印在各学科教学中的应用

学科/领用法案例

域

1 电子 制作代替部件、模型和设备外壳 2 化学 制作3D立体分子模型

3

生物、医打印出分子、病毒、器官、人工关节或其他学

模型

4 数学

可根据数学方程打印出模型，用于解决几何曲面问题、城市布局问题

5

航空

打印出飞机模型，作为空气动力学的实验模型

6 地理 制作立体的地形图，人口统计图等直观模型 7

烹饪

制作出菜品展示模型，打印出巧克力造型，甚至是人造食品

8 机电工程

根据设计作品制作出原型，或者可直接使用的齿轮、连杆等部件

打印出设计作品的微缩3D模型

3.3 3D打印案例分析

正如上文所述3D打印在教学方面的探

索性应用已经展开3D作为一种通用的技术，

10 历史、考用于复原历史上的工艺品、古董，用于复制

它可以应用到大部分的学科中去，涵盖正式

古 易碎物品

学习、非正式学习和培训等类型的教育，尤

11 动漫设打印出作品的3D模型，如人物、动画角色

其适用于设计、工程相关领域或是需要快速

计 模型

制作模型的领域。下面，我们借助两个案例

12 天文 根据观察数据，打印天体模型

详细分析3D打印技术在教学过程中的创造

13 力学 根据设计制作桥梁等模型，进行力学试验

性应用。

1.“明尼苏达星站”项目

明尼苏达星站(STARBASEMinnesota)3.2 3D打印在各教育阶段的应用

是一个由美国国防部资助的、旨在培养学生的科学、数学和技术兴趣的非营利教育项目。正如上文所述，3D打印在教学方面的

该项目始于1993年，主要教授航天主题的探索性和趣味性都很强。作为一种通用的技

短期课程，提供了丰富的技术环境，鼓励学术，它可以应用到中小学、高中、职业教育

生自信地发展自己的技能和能力。[7] 和高等教育，尤其是适用于设计、工程相关

项目的主要活动是让学生以工程师的领域或者需要快速制作模型的领域。

身份参与，为探索火星的模拟任务设计和建浙江省泰河中学信息技术组的教师于

造模型火箭。该项目自启动以来，不断在学2010年将3D打印技术带进高中课堂，他们

习活动中引进新的技术和设备，以构造丰富开设的《设计大师》，学生先期学习如何在

逼真的探究学习环境。为了让学生能够更真计算机上设计制造模型，完成设计小实物的

实地体验工程师的工作，该项目引入了3D设计，比如桌子、瓶子以及其他物品。最后

打印机。在掌握关于火箭的基础知识以后，项目实践环节，学生自主去博物馆和创意广

学生会花一个星期左右的时间学习如何在场进行信息采集和设计，使用3D打印机制

计算机上设计火箭模型，然后通过3D打印作事物模型。我国同济大学航空航天与动力

制作出火箭模型的组件，以测试不同的火箭学的学生采用最新的3D打印技术制作的微

设计(见图3）。模型火箭完成后，学生还要型飞机，成功试飞，该飞机所有的零件都来

试飞并收集相关数据，将火箭的飞行路线在自与3D打印。

谷歌地图中标注出来。此后，他们会尝试分根据中国知网关键词3D打印+教育的

析结果，并与负责项目指导的工程师讨论设文献搜索，我国各教育阶段中3D打印辅助

计方案对飞行路径的影响。整个学习活动的教学见表2。

流程如图4所示。收集相关数据，将火箭的表2 3D打印在各教育阶段的应用

飞行路线在谷歌地图中标注出来。此后，他教育阶段 用法案例

们会尝试分析结果\并与负责项目指导的工中小学 课堂实物立体展示，使得学生对各学科

程师讨论设计方案对飞行路径的影响。 抽象概念理解深刻

2.“设计大师”课程

高中 开设3D打印通用技术课程，学习并使

浙江省泰河中学信息技术组的教师于

用3D打印机

2010年将3D打印技术带进高中课堂，他们

职业教育 制造工程零件和部件，辅助教学

开设职业技能课程《设计大师》。教师提出

高等教育 工程设计、生物医学、动漫设计等专业

了一个具有挑战性的任务，要求学生使用

辅助学习

3D建模软件和3D打印机设计人物或者物

品。其目的在于向学生展示如何综合利用各项技术的组合完成具有挑战性的设计任务，

计

9 建筑设

包括创造性的使用3D打印机高效地完成任务。[8]

课程中学生会在课程开始的时候，学习掌握如何在计算机上设计制造模型，完成小物品的3D建模和打印，比如桌子、瓶子以及其他物品。中间，学生会有机会去博物馆和创意广场自主的进行信息采集和确认需要打印的模型。最后的项目实践环节，学生进行了一个分组学习和设计，使用3D打印机制作出事物模型，然后对他们的作品进行评分和评价。这一种课程设计促使教师发现教学问题，激发了学生的创造能力和兴趣。课程设计的流程图如图3所示。

图3《设计大师》课程教学流程

由于有大量的细节需要建模，这个模型可能会很大。将模型转化成可打印的格式后发送到3D打印机，再打印成模型实物。最后，学生交流、展示自己打印的人物(事物)模型，进行学生互评和教师评价。3D打印在人物（事物）模型的制作过程中发挥了很大的作用，具体表现在以下两个方面：

（1）作为有效的教学和评估辅助手段。3D打印机在本项目中的使用节约了模型制作时间，不具备模型制作技能的学生也能制作出精美的模型。而且3D打印促进了评估

活动的进行。任课老师认为利用3D打印机创建的模型，我可以很好地了解学生在建模进展中的问题，如学生的设计草案和表达理念是否清晰，或学生所设计人物（事物）模型的姿态和平衡性等。

（2）促进学习者的创新活动。3D打印技术作为一种连接虚拟与真实世界的技术，不仅丰富了学习者的学习环境，而且促进了学习者的创新活动。综合利用3D打印机及其制造技术有助于营造优质的、多样化的创作环境，提供多种创新要素。另外3D打印机可以实现将学习者的设计想法有效地可视化，更早地发现错误和不足，引导学习者走向创新驱动的设计过程。

4基于3D打印技术的教学应用模式构建

3D打印技术有助于教师制作个性化教学模型，帮助学习者更好地形成沉浸学习。学习者通过3D打印，开拓批判思维模式，培养创新精神，提高创新能力。3D打印是一种通用的技术，它的应用领域涵盖了大部分的学科，尤其适用于医学、机械学等大量制作模型的专业。因此，构建一种适用3D打印及时的教学模式显得非常重要。基于3D打印及时的教学实践，对3D打印技术在教学中的应用模式进行了初步构建，如图4所示

3D打印教学应用模式

4.1教学实施过程概述

基于3D打印技术的教学实施过程由问