利用3D打印技术深化高职课堂教学改革的途径研究

董晓倩

摘要：3D打印技术为高职教育打开一扇新的窗户，研究和探索3D打印技术在不同的教学阶段、教学层次的课堂教学实践活动中和高职教学的契合点，利用3D打印技术深化高职课堂教学改革，提升学生综合应用能力，有效地促进高职教学水平的实质提升。

关键词：3D打印;课堂教学改革;学生实践

中圖分类号：G642        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）07-0092-02

Abstract：3D printing technology opens a new window for Higher Vocational Education，Research and exploration of 3D printing technology in different teaching stages， teaching levels of teaching practice and higher vocational teaching point of agreement. Deepening classroom teaching reform in higher vocational colleges by using 3D printing technology， promoting students' comprehensive application ability and effectively promoting the essential promotion of teaching level in higher vocational colleges.

Key words：3D printing;the reform of higher vocational teaching;curriculum integration

3D打印技术被喻为第三次工业革命，将对传统制造业、工业设计、汽车、航空航天、土木工程、医疗生物工程、地理信息系统、教育等各个行业和领域产生深刻的影响。世界很多工业强国都将3D打印作为未来产业发展的新型增长点，制定推动3D打印发展的战略和措施。我国也于2015年发布《国家增材制造产业发展推进计划（2015～2016年）》以及《中国制造2025》从国家战略提出3D打印发展方向和目标，明确提出利用3D打印技术提升传统产业，促进产业增效升级[1]。将3D打印这种综合性、交叉性的前沿制造技术渗入高职教育课程教学改革中，对推进课堂教学内容深化，学生的综合应用能力提高有着重要的意义。

1 3D打印技术原理

3D打印即三维打印（Three-Dimensional Printing）技术，是一种新型快速成型技术，使用AutoCad、SolidWorks等三维建模软件绘制建立数字化模型，或者DIY扫描设备获取对象的三维数据，通过点云数据处理，模型修复等逆向建立对象三维模型，以此模型为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过分层加工、迭加成型等形式，逐层增加材料生成3D实体。在技术的某些方面3D打印和喷墨打印机技术相近，通过特殊的设备将材料一层层喷涂或者熔结到三维空间，形成所需要的对象。一般来说，通过3D打印获得一件物品，需要经历建模、分层、打印、后期处理四个主要阶段，其具体流程如图1所示。

2 3D打印深化高职课堂教学改革

3D打印技术为高职教育打开一扇新的窗户，研究和探索3D打印技术在不同的教学阶段、教学层次的教学实践活动中和高职教学的契合点，利用3D打印技术促进高职课堂教学改革，提升学生的综合应用能力和素质，具有重要现实意义。

1）3D打印技术丰富深化了课程教学内容

在中国制造向中国创造迈进，企业产品向多样化个性化发展的时代大背景下，3D打印技术推进了“智能化创新”的新型模式，促进了制造业转型升级，加速制造业和信息化产业的深度融合，提高企业的综合竞争能力。为适应社会需求，高职院校在传统专业的基础上开设3D打印相关专业和相关课程，如Solidworks、3DMax、3D打印技术、3D测量技术、逆向建模技术等，培养学生掌握最新CAD/CAM/CAE应用技术，具有较强的模具设计与制造操作技能。3D打印相关专业和课程的开设，拓宽了高职专业建设的纬度，体现高职专业建设的时代性、丰富了高职课程教学内容，以3D打印及相关技术作为教学内容，面向中国智能制造业拓展职业技能体系，使高职教育的教学内容体系和社会发展紧密相关更趋完善。

2）3D打印丰富了课堂教学方法和教学手段

3D打印设备及相关技术便于塑造可重用的多态教育对象，可快速打印出用于教学辅助的模型、模样等教具，在一定程度上为一些专业的实践教学和科研工作增添了新的方向和契机，将3D打印设备应用到各专业的教学领域中，为师生提供教学和科研上的支持。

传统的《工程制图》《机械设计基础》《汽车构造》《电气自动化》《嵌入式系统》等课程，立体器件的内部结构比较复杂需要比较抽象的空间思维能力，当老师讲解复杂的理论如截交线、相贯线或者解释汽车变速箱结构、电动机原理、嵌入式系统时，多是通过模型、挂图或者视频向学生讲解，传统的教学方法无法直观形象的展现器件的立体全貌，学生只有感性认识，难以想象零件的结构和形状，而且传统的教学模型成本高、易损坏，视频播放速度快，难以激发学生们的学习积极性和乐趣[3]。

以3D打印作为认知工具，传统的理论教学结合3D打印成型，制造出和课程配套相应的模型、教具，使教学资源库的内容更加丰富和立体化。图2是以3D打印技术为支撑打印《工程制图》课程部分教学模具。

图3是以3D打印技术为支撑打印《机械设计基础》课程部分教学模具，使学生能够直观接触和了解课程相关的工作工具、零部件之间的安装配合、传动原理。通过立体、直观、可触摸的教具使课堂教学更加生动活泼，有利于教师“教”也方便了学生“学”。

利用3D打印技术打印《汽车构造》课程中各种实体汽车的微型部件如发电机模型、汽车减速器等，便于了解其零部件之间的安装配合和测试等过程的学习，可大大节约学生实车装配的练习时间和实物损耗。《嵌入式系统》等電信专业的课程中亦可利用3D打印机打印嵌入式微处理器及其管脚、存储器内部结构、寄存器及其外围电路，使教学内容更加丰富多彩形象生动[4]。

通过 3D打印的教具模型将学生空间思维、抽象思维形象化、实物化，在学生刚接触专业理论的前期，对应的抽象思维和空间思维能力还没形成之时，为学生提供感性认知，让枯燥的理论课程更加直观生动，让学生在观察中不断修正自己的知识体系，获取直接的经验，对于培养学生的思维能力有很好的促进作用。通过3D打印制作出生动的教学课件，有利于提高学生的理解能力，增强学生的学习主动性。

借助3D打印技术改善了教学方法，更新了教学手段，教师的教学从传统的二维到多维交互可能性实现，学生从读图、平面视频向读实际物体的空间拓展，将抽象的理论概念变化成可触摸的有趣的空间实物问题进行解决。

3）3D打印拓宽了实践教学的广度和深度

基于课堂教学需求，创建学生自主管理、全方位开放的3D打印实验室，让学生利用学习到的知识动手制作教具、学具，学生通过边学习，边制作，边观察组装这些教具，加强了与课堂的交互活动和协作学习，使教学内容更加具体化、立体化和实用化。学生在制作过程中与教学模型互动，观察、动手制作、参与合作等能力都得到全面的提升，从多种维度增加对教学内容的了解，在制作过程中体验学习的理论知识，质感增强。同时能够在边学边制作过程中培养学生的兴趣、增进师生交流，增强师生实践能力、创新意识和科研能力，整体综合能力素质得以锻炼和培养。

在制作教具、学具的基础上进一步拓展训练，增加课堂的开放性，循序渐进逐步增强相应学科对学生的吸引力，加深其对知识的理解掌握和综合运用。以汽车专业的教学为例，如图4流程图所示，在完成《工程制图》《机械设计》《汽车构造》等课程的基础上，为全面了解汽车内部的构造知识和运作原理，学生可成立兴趣小组，自行设计汽车内部的主要元器件模型，并利用3D打印机打印模型、试组装运行微型实车。

在课程教学过程中，3D打印机作为学习工具、教学用具、生产工具同时加以使用，学生可就真实的问题情景，将抽象的理论知识直接具体化。基于3D打印机的快速成型能力，学生能及时将理论学习、设计和项目成果建立直接的联系，直接将设计转化为作品，并能够随时调整和改进过程中的局限和不足之处，在知识和技能，理论和现实之间架起来桥梁。

3总结和展望

高职教学领域内应用3D打印技术完善课堂教学内容，丰富教学手段，提高教学质量，深化课堂教学改革，促进课堂教学取得良好的教学效果及其学生的综合应用能力和素质提高具有重要的现实意义。

如何利用3D打印技术使课堂的理论教学内容更加趋向实用化和社会化，使学生学到的知识能够进一步转变为社会生产力，是我们进一步思考和展望的方向。在更多的学生更好地掌握专业知识和3D打印技术的基础上，能够进一步拓展3D实验室的多元化功能，加大和校外企业的合作、让实验室能够创造出经济效益，促进教、学、做、创新创业的一体化的良性循环。

参考文献：

[1] 李青，王青.3D打印：一种新兴的学习技术[J].远程教育杂志，2013，31（4）：29-35.

[2] 李升，颜志勇，李思思，等.基于3D打印技术高职教育创新创业研究[J].技术与市场，2016，23（6）：431.

[3] 安芬菊，李德荣，俞国燕，等.3D打印在工程训练中教学组织的研究[J].实验科学与技术，2018，16（2）：138-140.

[4] 张志勇，唐永林，邢国春，等.基于3D打印技术的高职高专院校嵌入式系统课程教学改革探析[J].长春师范大学学报，2015，34（12）：90-93.

[5] 朱红萍.高职制造类课程融合3D打印技术的教改探究[J].教育教学论坛，2018（12）：247-248.

【通联编辑：代影】