三维打印技术的应用与启示

文 刘建明 沈 卫

2013年数字南京教育装备工作目标：推进科技实践活动室或技能创造室的装备，全面实现每一所学校拥有一个以上主题鲜明、品质优良，与学校科技实践活动相适应、与学校科技艺体特色发展相适应的实验室；全市创新推进并累计装备建成100个高水平、高品质的机器人、三模科技、农业科技种植园等特色实验室，成为南京科技教育的核心与引领基地。评选100个优质科技实验室[1]。

为此，江苏省南京市教育装备与勤工俭学办公室主任后有为带队去山东省济南市历城区观摩三维打印技术培训，参观学校创新实验室，从而了解山东在创新实验室建设方面的一些做法，以及在创新大赛上获得佳绩和向高校输送人才的经验。

一、社会为什么需要创新设计和技术应用

《中国玩具制造业利润研究报告》显示：以玩具加工业为例，一个芭比娃娃在美国市场上的平均价格为9.9美元，而制作这个芭比娃娃的中国企业只能拿到 0.35美元加工费。中国企业所依赖的是相对低廉的劳动力和原材料成本，对外的竞争力也只是低成本带来的价格优势，所以只能依靠大批量生产，以薄利多销来赚取不多的加工费。我国很多行业产品生产的关键技术大部分来自进口，其中：工程机械高技术产品80%；数控机床70%；石油化工装备76%；集成电路芯片制造设备80%；光纤制造装备100%；通讯、半导体、生物、医药和计算机行业60%～90%；彩电、手机和微机的CPU都是掌握在别人手里[1]。

历史上，中国是人类创新和技术进步的摇篮，世界著名科技史学家李约瑟博士曾经列举了中国传入西方的26项技术，世界科技史上的前27项重要发明中18项来自中国。我国古代科技发明灿若星辰，对世界科技发展做出了巨大贡献。美国学者坦普尔在《中国：发明与发现的国度》一书中详细描述了“中国领先于世界”“西方受惠于中国”的中国古代100项技术发明。以史为鉴，古为今用，技术进步源于创新，创新设计源于服务现实，创造未来。大项目是创意，小改进也是创意，高科技是创意，简约明快也是创意。功能原理是创意，美化外观也是创意。灵感来源于生活，创意让世界更美好。

二、创新设计在初高中技术教学中的应用

图1 南京市教育装备与勤工俭学办公室主任后有为到济南市历城区参观三维打印技术创新实验室

我国“十二五”规划提出要深入实施科教兴国战略和人才强国战略，加快建设创新型国家，需要创新型人才，创新型人才培养，教育是基础和前提。李克强同志强调：“要注重从青少年入手培养创新意识和实践能力，积极改革教育体制和改进教学方法。”2011年，奥巴马总统推出的新版《美国创新战略》指出，美国未来的经济增长和国际竞争力取决于其创新能力。“创新教育运动”指引着公共和私营部门联合，以加强创新技术教育。

三维打印技术是专家预测的2013年十大技术革命之一，在打印过程中，打印机将根据计算机设计的模型从底部开始逐层堆积塑料、金属、合金等材料。凭借三维打印技术可以依据数字设计文件制造出固体结构，一旦物品能够在家或办公室远程打印出来，新技术将引发一场制造业革命[2]。三维打印技术在初高中技术教学中的应用，将对培养创新型人才产生重要作用。

1.提高教学效率，发展学生的创新思维

三维设计软件、结构设计软件在三视图学习中针对学生学习时间少、没有基础等问题提供全新的教学手段，辅助三视图及其画法教学，快速识读技术图。学生进行创新设计时，设计软件提供简单易学的设计手段及完整的设计资源库。直观的三维模型系统教学手段，让设计像搭积木一样简单有趣，对立体模型进行平行移动、旋转、放大、多视窗等操作[3]。

图2 羊角锤的三视图与立体图

2.降低学习坡度，突破教学难点

从三维设计到二维出图，学生在三维设计软件里轻松完成，快速工程图的生成能使学生做到设计与动手能力的完美结合，促进教育教学改革与学生学习方式的变革，是促进师生共同成长的研究与实践过程。

图3 三脚鼎的三视图与立体图

3.动手动脑结合，强调学生的动手创造

三维打印是一种快速成型技术，它以数字模型文件为基础，通过逐层打印的方式来构造物体，让动手与动脑相结合，让信息技术与通用技术相结合，让三维设计与二维设计相结合，让学生的设计和加工相结合。通过三维动画可以让学生更好地理解弹性碰撞，让机械机构运动的分析更加直观清晰。

图4 靠背椅的三视图与立体图

三、创新设计帮助学生放飞创新的翅膀

创新设计软件平台在教育信息化中的精确定位是和探究实验室、通用技术实验室、综合实践实验室、信息技术实验室、动漫社相结合。创新软件系列产品及三维打印机将掀起一场教育创新运动。通过创新软件的运用，让我们的孩子和美国的孩子同步学习和发展，学有度、思无界、行无疆，创新设计软件平台及三维打印技术在教育中的促进作用有三：

一是可以引导中学生在生活中发现问题，去主动思考如何解决问题，而不是简单地去抱怨问题，培养学生的人文精神和社会责任感。

案例1：旋转窗

图5

创意来源:在高层楼房擦玻璃是很危险的，有没有既安全又方便的擦窗户方案？窗户有调节风、光的作用，如何利用窗户来改善室内的空气循环和光线照明？

设计原理：百叶窗的结构有可调节性，此类窗户也可以使用类似的结构，即将每扇窗分成若干扇小窗，每扇小窗可以绕轴旋转。这样可以实现调节风和光的作用，并且在雨天也可以开窗。尤其是高层楼房窗户玻璃的擦洗变得十分简便了。

二是可以帮助中学生固化自己生活的直接经验和亲身经历中的“小灵感”，并通过自己的设计—制作—评价，达到“创造”的教学效果。

案例2：可升降课桌椅

创意来源：学校普遍存在着课桌椅不符合学生身材的现象，总会让人觉得或高或低，影响学生的身体健康，于是便想到去设计一种可以升降且更具实用性的课桌椅。

设计原理：把思路定格在齿轮的传动上。在桌腿内部各安装两个齿轮和两条齿条，中间有一根传动轴连动，再在其中一个桌腿的一侧开孔，利用一个把手转动齿轮，这样便能使桌面水平升降 。

图6 利用三维打印技术制作出来的齿轮组

三是可以让中学生高度综合各学科、各方面的知识，并立足于实践，实现“做中学”和“学中做”。

案例3：自动上下楼梯的自助轮椅车

创意来源：家里有残疾人，上下楼梯不方便，有没有可以帮助残疾人自动上下楼梯的自助轮椅车呢？

设计原理：市面上有自动上下台阶的拖车，主要是依靠行星轮系的工作原理。如果把这个原理应用到轮椅上，不就是可以帮助残疾人自动上下楼梯的自助轮椅车吗？

案例4：物理学科中的成像原理

创意来源：来源于初中物理实验凸透镜成像实验。这个实验十分重要，但许多学生只知道概念而不清楚其中的原理与演示的过程。创意的意义在于把生活中的现象用自己的方式表现出来。

设计原理：运用新颖的视觉与动画，让大家耳目一新，将传统的枯燥教学转换为全新的模式，从而调动起大家的学习兴趣和热情。

四、创新设计大赛为学生提供创新实践的平台

为了丰富中小学生学习生活，激发创新精神，培养实践能力，全面推进素质教育，培养有国际竞争力的创新人才，2013年第十四届全国中小学电脑制作活动和第二届中国国际学生信息科技创意大赛专门设立了比赛项目(9)创新未来设计[4]。参赛者参考生活中的常见事物，通过计算机三维立体设计平台创作设计作品。要求首先完成设计说明书，根据设计说明书，通过软件进行三维模型的设计、搭建和零件装配，并制作相关功能演示动画。

作品设计的事物尺寸不超过150 mm×200 mm×200 mm，薄厚不小于2 mm。

初中组设计命题为“未来桥梁”，在保证桥结构稳定的前提下，从功能、外观等方面进行创意设计。桥所应用的情境不做约束，可充分结合自己设定的场景进行设计。

高中组设计命题为“智慧汽车”，从外形、功能等方面加以创意设计。车辆的动力源和工作环境不做约束。

提交文件包括：设计作品，ICS或EXB文件；演示动画，SWF，3GP，MPG，AVI或MOV文件；设计说明书。

作品(含设计作品、演示动画、设计说明书)总大小不超过50 MB。

评比指标包括：

图7 用三维打印技术打印出来的心形齿轮模型

图8 用三维打印技术打印出来各种物品模型

1.思想性、科学性、规范性(28分)(见表1)

表1

2.创新性(27分)(见表2)

表2

3.艺术性(25分)(见表3)

表3

4.技术性(20分)(见表4)

表4

五、我们的思考

从山东省的创新办学标准来看，他们已经在如下方面做了尝试：创新设计软件和探究实验室相结合(初、高中)，和通用技术实验室相结合(高中)，和技术教室相结合(初中)，和综合实践实验室相结合(小学)，和信息技术实验室相结合(通用)，和动漫室相结合(通用)。

南京市教育装备与勤工俭学办公室主任后有为说过：我们不一味追求最新的、豪华的、最先进的设备设施，而是选择科学的、实用的、适用的和优质的设备设施。这对于建设创新实验室提供了很好的思路，选择科学的、适用的、适度领先的物质技术及其承载信息，并通过恰当的、优化的、科学的形式整合成能促进教育与学校发展的，能促进教育教学改革与学生学习方式变革的，能促进师生共同成长的研究与实践过程。

图9 南京市教育装备与勤工俭学办公室技术科组织相关人员调研三维打印应用

[1]张武城.创造创新方略[M].北京:机械工业出版社,2011.

[2]维克托·巴雷拉.专家预测2013年十大技术革命 包括三维打印技术[EB/OL].http://www.china.com.cn/international/txt/2013-02/23/content_28040400.htm.

[3]沈俊.创新设计在通用技术中的教学和实践[Z].2012-08-20.

[4]中央电化教育馆.关于举办第十四届全国中小学电脑制作活动和第二届中国国际学生信息科技创意大赛的通知[EB/OL].http://www.ncet.edu.cn/ztzg/1433.jhtml.