3D打印技术在职业教育工业设计专业的应用研究*

朱姝

广东技术师范大学 广州 510665

1 3D打印技术的发展

随着现代科技和工业技术的发展，3D打印技术被广泛应用到各个领域中。3D打印是一种采用逐层打印的方式使用3D打印设备快速成型以立体的方式呈现出三维实体模型的技术。相较于减材制造需要削减材料进行实物制作，3D打印是从三维CAD设计数据构建模型，通过分层组装堆积制造任意复杂形状零件的先进制造技术，依靠3D打印设备不需要其他刀具磨具等工具就可以打印出满足要求任意功能和形状的零件模型，因此3D打印是“自下而上”将材料不断累加的制造方法，也被称为增材制造，目前3D打印技术形成了较为成熟的十余种工艺方法。

自3D打印技术为医学、机械、艺术等学科呈现模型或作品提供了新的方法和思路，3D 打印技术是一项集光学工程、机械设计、计算机技术、控制技术、材料科学一体的技术[1]，也为相关的专业教育提供了新的开展方式，尤其是在职业教育、高等教育中培养的人才需要满足社会需求，因此专业课程的内容需要接触到热点技术及严谨细致的专业知识，高职的工业设计相关专业意识到3D打印技术能够设计制作实体模型，通过模型构建和打印操作培养学生思维能力和动手实践能力，3D打印技术与工业设计专业相结合可以对人才的培养有着积极的促进作用，教师应该给予足够的重视和应用，使学生的能力和素质都能提高到社会的需求标准。

2 3D打印技术在教育中的应用

3D打印技术近年来取得迅猛地发展，并且辐射开来应用在各行各业的实践中，数十种3D打印的工艺能够满足不同群体对打印成品的质量、功能需求。3D打印技术在工业生产中可以将3D打印模型作为“先行者”展示产品样例，精准有效地提高产品工艺，或是将3D打印成品作为材料直接应用工业生产中，对于一些对外观要求较为精细的工艺流程而言，3D打印技术还可以更加便捷地实现产品的不断美化。3D 打印技术具有广泛地适应性和开放性，能够快速搭建起各学科知识之间关联的桥梁[2]。教育行业中，3D打印技术的应用也逐渐趋于日常，从高等教育的研发机构走向了基础教育、职业教育和高等教育的应用领域。

受到美国创客教育的影响，我国基础教育近年来致力于吸收国外先进的创客教育理念并与我国实际国情相结合，探究符合我国中小学学生特点的中国特色创客教育课程，2016年教育部发布的《教育信息化“十三五”规划》中关于“创客教育”明确提出发展“众创空间、跨学科学习（STEAM教育）、创客教育”等新教育模式的现代教育新要求[3]。可见，创客教育被视为现代教育理念中培养创新创造人才重要的教育“新”形态。创客教育将“做中学”的建构主义理念与创新思维培养紧密联系在一起，既具有情境性与社会特色，又将学生素养的培养和技能的提升放置教学首位。3D打印课程是中小学创客课程中的重要课程之一。3D打印课程的特点以学生兴趣为主导，充分调动学生参与度，以项目或任务的方式开展教学，课程内容致力于学生创新思维与能力培养。

广州市多家中学都已开始尝试性开展具有岭南特色的3D打印校本课程，课程一般为期4～5周，以项目教学的形式开展。教师向学生布置特定的课程任务，学生通过需求分析、产品设计、产品实现、完善与评价几个环节学习产品开发的流程。该课程以“定题不定向”的方式让学生可以在“岭南特色”这一大主题之下自由选择3D打印的实体模型主题，最大限度地将学习自主权交给学生，调动学生的积极性，促进学生创新思维的发展。在3D打印课程实施的教学周期内，有兴趣参与3D打印课程学习的学生都可报名参与，每期3D打印校本课程可有20多位学生参与。课程一般会安排为：第一周，教师带领学生初识3D打印，确定岭南特色3D打印作品主题，明确评价标准；第二周，项目主题研讨，3D打印技术的练习；第三、四周，3D打印作品制作；第五周，3D打印作品的展评。现在多数学校采用的3D打印设备有：专业的3D打印设备和便携的3D打印笔两种形式。专业的3D打印设备采用熔融沉积成型（FDM）工艺，这种工艺的灵感来源于热熔胶枪，在电脑上进行模型构建和创作后打印时选用两种制作材料，一种成型材料保证模型实体部分的成型，另一种支撑材料用于实体模型的支撑，防止实体形成空腔或坍塌。3D打印笔也采用熔融沉积成型（FDM）工艺，相较于专业3D打印机器设备而言3D打印笔更加便携且成本低，它可以实现3D打印的基础功能，利用PLA、ABS塑料通电热熔，笔尖挤出的热熔状态的塑料能够在任何表面甚至空气中进行“书写”，并且无需电脑或电脑软件支持只需要使用者稍加练习便能用它创作3D打印成品，作品冷却定型后能保存较长时间。一般学校考虑到项目教学的时间及制作成本的因素，会在课堂上带领学生较多使用3D打印笔进行作品创作。广州的学校，一般会结合当地的文化特征来激发学生的学习欲望，课程内容会较多选择岭南特色的3D打印作品展开。学生在学习期间可以了解3D打印的基础知识，在电脑上完成模型的设计和构想，然后通过3D打印笔制作3D打印成品模型。这种项目式的学习方式让学生有时间的紧迫感和任务感，能够尽可能的跟随任务流程完成相应的工作，提高学生的合作学习能力，同时加深学生对岭南文化的认同感。

由广州中学开展3D打印课堂的案例可以看出，现今中小学3D打印技术的应用已经被广泛接纳，但仍然处于简单应用阶段。这一阶段属于3D技术和基础教育的初步结合，各个学校开始引进3D打印技术，购置相应的设备，并开始关注相应的学科竞赛活动，学生也有机会进入3D打印课堂，对3D打印技术知识进行学习和简单尝试。这种初步的尝试，对培养学生的信息素养和创新能力都有着积极的促进作用。该阶段虽然3D打印技术已经引入校园，教师学生也并不陌生，但3D打印的应用处于尝试接触和了解阶段。学生创作的3D打印作品也是在教师引导下边学习边制作得到，作品的精细程度和艺术性、创造性有待提高，可见3D打印技术在基础教育的普及和推广还有很长的一段路要走。

3 职业教育发展为3D打印带来机遇与挑战

3.1 制造业人才缺口的凸显为3D打印在职业教育中的发展带来机遇

据2016年教育部、人社部、工信部联合发布的《制造业人才发展规划指南》显示，到2025年制造业人才缺口将达到3 000万。根据2022年9月份统计的数据，制造业的人才缺口已经达到2 000多万，与2016年预估数据相吻合。从《2022年第三季度全国招聘求职100个短缺职业排行》中，“机械制造技能工程人员”“机械设计工程技术人员”“智能制造工程技术人员”等人员的短缺分别排在22、39、43位，高级技能人才缺口大。2016-2022年的数据显示，我国制造业高技能人才出现了断层。2019年，国务院就已经预估了制造业人才需求的结构性矛盾，国务院发布了《国家职业教育改革实施方案》，对国家职业教育制度的框架提出了明确的要求。方案提出“将标准化建设作为统领职业教育发展的突破口，完善职业教育体系，为服务现代制造业、现代服务业、现代农业发展和职业教育现代化提供制度保障与人才支持。”

3D打印技术作为一种数字化智能制造工具，是21世纪推动智能制造业发展的利器，在培养先进的制造业人才中起着有效的促进作用。为了加快现代制造业人才的培养，一些具有创新型人才培养理念的职业院校先行一步，引进3D打印设备，在人才培养实践中培养学生使用3D打印技术制造工业产品的技能和素养。例如中山火炬职业技术学院，于2020年10月份在工业产品设计专业的教育实践中引进了20台3D打印设备，将3D打印技术的培养与“双创教育”有机融合起来，大胆改革了职业教育的人才培养模式，为工业产品设计专业培养高技能人才奠定了坚实的基础。我国经济由高速增长转为中高速增长、规模速度由粗放增长向质量效率型集约增长，都对服务现代制造业的高级技能人才提出了明确的需求，因此为3D打印技术在职业教育中的应用带来机遇。

3.2 增材制造技术正式成为新增专业为3D打印在职业教育中的发展提供现实基础

2018-2022年间，随着3D打印关键技术的不断发展，在发达国家制造业回流进程中的地位日渐突出，我国也开始重视增材制造领域高素质应用型专业技术人才的培养。2018年“3D打印技术应用”专业正式列入《全国技工院校专业目录（2018年修订）》，2019年“增材制造技术应用”专业被教育部列入《中等职业学校专业目录（2010）》，2021年2月“增材制造工程”专业被教育部列入《普通高等学校本科专业目录的新专业名单（2021年）》。同年3月，教育部发布的《职业教育专业目录（2021年）》中“增材制造技术”正式成为高等职业教育专科新增专业。作为新兴的专业，3D打印技术的人才培养模式、专业课程体系、课程开发实施，都处于起步阶段。研究显示“教学基础设施的欠缺、教学活动准备不足以及学生状态欠佳等都是在高校开展工业设计专业 3D 打印技术应用中所要面对的问题”[4]，职业教育也面临着类似的问题。这四年间陆续出台的新政策，为职业教育3D打印技术人才培养体系的建构提出了明确的目标和方向。但是目前，我国3D打印技术原创性研发与国际发达国家相比还有一定的距离，职业院校的师资也未能百分百掌握先进3D打印技术工艺，工学结合的人才培养机制、专业课程的设置、实践场地的建设都处于探索阶段。

3.3 产教融合校企双元育人为3D打印技术在职业教育的发展提供了政策保障

职业教育提倡产教融合为职业教育作为极具职业特色的教育阶段，其育人目标是培养各行业中具备高端技术技能的专业型应用人才。职业教育注重学校教育与社会需求的结合，产教融合便是职业教育发展中产生的重要概念，国家出台了一系列政策，为产教深度融合提供了保障和引导。

2014年，国务院印发《关于加快发展现代职业教育的决定》，全面部署中国特色的产教深度融合的现代职业教育体系。有了文件的指引，职业教育更加注重与社会技术需求的接轨，2017年12月，国务院出台《关于深化产教融合的若干意见》，文件指出现代教育旨在培养大批高素质创新人才和技术技能人才，将产教融合作为促进经济社会协调发展的重要举措，融入经济转型升级各环节，贯穿人才开发全过程，形成政府企业学校行业社会协同推进的工作格局。行业企业成为重要办学主体，加快人才培养结构调整，创新教育组织形态，促进教育和产业联动发展。2019年《国务院关于印发国家职业教育改革实施方案的通知》明确提出，坚持知行合一、工学结合；推动校企全面加强深度合作。要求企业和职业院校成为命运共同体，学校为企业提供课程、师资和人才，企业提供技术、设施、设备等，积极深入地参与学校专业的建设。在国家政策的引导下，产教融合已成为国家主导实施的现代职业教育的核心理念，为了适应现代产业结构和区域分布的人才需求，职业教育需要创新育人平台与组织形态，联合相关企业探索产教融合理念下的新型育人机制。

广州奥基德信机电有限公司是一所集3D打印上游、中游、下游服务于一体的公司，是需要多类型3D打印人才的高新技术企业。据该企业调研3D打印产业科技人才的培养和产业间的需求，存在四年及以上的滞后期，这个问题一直困扰着该企业的发展，成为制约其发展的明显瓶颈。随着国家关于职业教育各项政策的出台，企业和学校的鸿沟得到了缓解。迄今为止，在佛山教育局的牵头下，该企业面向广东3D打印产业的需求，和佛山职业教育促进会、容桂职业技术学校成立了“3D打印与数字智造公共实训中心”。该实训基地引进企业的工业级3D打印机，融汇职业技术学校的已有实训资源，将课程内容和职业标准、教学过程和生产过程、学生实践和岗位实践对接起来，实现了500余名3D打印职业教育领域人才的培养，也为企业节省了培养人才的时间和资源，走出了一条“产、教、用、创”融合发展的育人途径。在国家政策和当地教育局的支持下，该实训中心正准备筹建孵化基地，并以广东佛山的实训基地为样板，向全国进行推广和复制，以期和更多的职业教育院校更深入的合作，构建更完善的工学一体化的育人模式。目前，已经有不少的企业和职业院校都在国家政策的引导下，探索如何面向3D打印产业打造校企命运共同体。

4 职业教育中3D打印技术在工业设计领域的发展

4.1 3D打印技术和工业设计在职业教育的结合

增材制造技术主要通过打印材料的层层堆叠完成实物的成型，从设备端、材料端、工艺端变革了传统的制造业。目前 3D 打印技术已经应用到了我国的工业产品制造航空航天、建筑业以及医疗行业当中去，可以说应用范围非常广泛[5]。我国职业教育院校也针对3D打印技术的应用领域和人才需求，设置了3D打印专业。但是由于3D打印技术级别、技术、材料都有严格的分类和差别，其应用的领域跨度较大。因而，目前职业教育3D打印专业的设置可以分为两大类别：3D设计及打印技术和艺术设计（3D打印方向）。第一大类3D设计及打印技术主要面向机械、汽车、磨具等传统制造业培养智能时代的新制造业高技术人才，学生主要需要面向制造业掌握3D打印技术的编程设计基础技能，以及产业下游维修、营销等服务技能。第二大类多为艺术设计或者多媒制作等设计领域的3D打印专业方向。这一类别主要面向定制服装、定制动漫玩偶、定制珠宝等创意产业领域培养跨学科合作的技能型人才，学生需要面向文创产业掌握产品设计、文化服务、艺术造型技能，培养集工学、商学、美学于一体的设计人才。对比两大类别，一个类别是面向现代制造业输送高新应用技术人才，一个类别是面向定制文创产业输送跨学科艺术设计人才，还是有着较大的区别。据前瞻性的产业研究院分析建筑、工业机械、汽车，航空航天、牙科和医疗领域的3D打印技术产业会增长迅速，而艺术应用领域3D打印技术的应用率因条件的限制则增速较缓。虽然3D打印技术和工业设计在职业教育的结合有着无限的潜能，但是却因为产业领域的现实条件不同，如“由于设计领域的不同对 3D 打印设备的要求也存在差异”[6]，会面临着较多客观的挑战，所以在乐观估计3D打印技术在工业设计领域的发展时，也需要合理分配专业的设置和人才培养的目标。

4.2 广东高职院校3D打印技术的创新发展

3D打印技术融入高职工业设计专业成为近几年探究的主题，2016年8月，广东省教育厅公示了2017年高职教育公共实训中心建设项目名单，其中东莞职业技术学院通过申报先进制造技术公共实训中心，佛山职业技术学院通过申报将建设3D打印技术研究与应用公共实训中心，3D打印技术研究与应用公共实训中心的建设意味着该校相关技能操作类课程将拥有专业的技术设备与实训室，3D打印开始拥有固定的实训环境。无独有偶，除了建设3D打印技术实训中心，广东省一些高职院校已经意识到3D打印技术的前瞻性和实用性，将“产”“学”“研”在校内有机结合[7]，如广州市白云工商技师学院、广州市技师学院、广州市白云工商技师学院、广州迪迈珠宝3D设计学院、广东省轻工业技师学院等院校近年来纷纷开设3D打印技术专业，将3D打印技术作为独立专业与其他专业进行结合。

有广东省“首个3D打印技术学院”之称的广州市白云工商技师学院，自2015年便率先与企业进行校企共建，开设3D打印专业，企业专家进校授课，帮助学生更加明晰地梳理就业形势，有针对性地因材施教，培养企业所需人才，提高就业率。校企共育将3D打印技术作为人才培养的主要课程内容，3D打印与各种专业内容相结合组合成不同的课堂教学内容，学生可以根据兴趣方向将3D打印技术与专业内容的结合进行深入探究，学生学成之后还未毕业就有企业投来橄榄枝，就业前景一片大好。此外，2019年5月广东机电职业技术学院与广州飞胜智能科技股份有限公司共同建设的“3D打印产学研技术中心”在广东机电职业技术学院先进制造学院进行挂牌，校企双方就人才培养、科研合作等内容进行深入的交流，对3D打印产学研中心的发展进行探讨与展望。广东机电职业技术学院3D打印产学研技术中心的挂牌建设为该校学生带来与时俱进的先进技术，并且通过技术中心的实训课程学生能够掌握3D打印技术的基础知识，最终将技能转化为个人竞争力迎接工作。

4.3 广东省高职院校工业设计专业与3D打印技术的结合

广东职业教育的发展一直走在全国前列，高职的工业设计是一门特征明显的学科交叉融合专业，根据中国教育在线对高职工业设计专业培养目标的介绍，高职工业设计专业旨在培养在设计领域，能够运用现代化的表现手段，从事工业产品造型的开发及相关视觉传达设计工作的高级技术应用型专门人才，高职工业设计专业课程涵盖了严谨的材料学、机械学、计算机科学、经济学等理工学科的知识内容，也包括艺术学、人文学的美感的提升，并且注重金工实习，调研、校本课程特色实践环节等综合实践类的课程内容，因此高职工业设计专业的学生在三年的学习中需要对专业知识有综合的理解和实践应用。高职工业设计专业学生就业方向多为建筑类产品设计、室内外环境与设施设计、产品包装、广告设计、平面设计、展示设计、陈设设计、产品研发等设计公司、建筑设计研究院（所）或相关企业中的相关专业部门从事相关设计、科研和管理工作。为了提升人才质量，高职院校与企业合作愈发紧密，“建设区域性的3D打印服务平台”[8]，并将先进的技术引入到工业设计的教学中，3D打印技术便是其中之一，3D打印可以设备打印出立体实体模型以满足工业设计专业对作品呈现的要求，并且不同3D打印的工艺能够满足不同精度要求的产品工艺。