3D打印技术在高职教学中的应用研究

王寅珏

苏州健雄职业技术学院 江苏太仓 215411

3D打印技术(又称增材制造技术)大约诞生于20世纪80年代,这是一种以数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可黏合材料,通过逐层打印的方式来构造物体的技术[1]。3D打印技术无须任何模具就可以把电脑中的数据模型按照设定一层层地打印堆叠成一个立体的实物,具有节约成本、不需要装配、成型速度快、造型多样、材料可随意组合、材料利用率高、制造方便、节约空间等多个优点[2]。目前,应用较多的3D打印技术有熔融沉积成型(FDM)、选择性激光烧结成型(SLS)、液体树脂光固化成型(SLA)和三维粉末黏接(3DP)等。

随着信息技术的发展与进步,3D打印技术在航空航天、医疗产业、建筑行业、工业制造等领域都得到了广泛的应用。如今,3D打印技术也逐渐被引入教育领域,在职业教育教学中3D打印技术的应用属于起步和探索阶段。本文结合3D打印技术在目前高职教学中的应用案例,总结了3D打印技术在高职教学应用的优势,并对3D打印技术在高职其他专业课程中的应用推广及其影响因素进行了研究,为高职院校教师在教学中引入应用3D打印技术提供参考。

一、3D打印技术在高职教学中的应用案例

目前,国内一些高职院校已经在课程教学中融入3D打印技术,给予学生更多开放式的教育和学习,让知识能更有效地应用于实践。3D打印技术在高职院校机械制造类、艺术设计类、汽车维修类、新能源类、道路桥梁类等专业课程的教学中得到一定程度的应用,具体应用情况见下表。

已应用3D打印技术的高职专业及课程一览表

(一)3D打印技术在机械制造类专业的应用

战丽娜所在的湖南水利水电职业技术学院在机电一体化专业的课程实训项目中,应用3D打印不同齿数和模数的齿轮来丰富测绘零件的种类和数量;应用3D打印实训零件突破实训条件的限制,帮助学生增强感官认知;设计并3D打印减速器的各个零件进行拆装,有效提高了学生的动手实践能力、沟通协调能力和团队协作能力[3]。四川工程职业技术学院在机械制图课程中引入3D打印技术,大大丰富了教具的种类和数量,显著提高学生的识图水平,教学效果得到改善;在特种铸造生产实训中应用3D打印技术打印3D模型,对3D模型合格的产品再进行熔模铸造生产,既省去了制作模样的费用,节约了成本,又加强了学生在实训中的主动参与度,挖掘了学生自主分析、钻研的能力和兴趣[4]。

(二)3D打印技术在艺术设计类专业的应用

3D打印技术在环境艺术设计[5]、家具设计[2]、包装设计[6]等高职专业课程教学中都有实践应用。3D打印技术融入艺术设计类专业的教学,能将学生的纸面设计及构思快速具体化为实物,能将学生天马行空的想象快速变成现实,大大激发了学生的积极性和创造力,这种体验式教学促使师生的互动更加密切且课堂更具有活力,为艺术设计类专业学生创新思维和创新能力的培养助力。

(三)3D打印技术在汽车维修类专业的应用

何君所在的贵州工业职业技术学院在专业核心课程“汽车底盘构造与维修”中应用3D打印技术优化课程教学。课前通过3D打印教学结构零件模型装配仿真激发学生学习兴趣,让学生初步了解汽车构件组成及工作原理;课中通过讲解以及实物拆装检测解决课程重点、难点,让学生对汽车构件组成及工作原理有较好的掌握;课后依托3D打印平台鼓励学生对汽车构件创意设计、改装,深度挖掘学生工程实践及创新能力[7]。江苏食品药品职业技术学院汽修专业课程教学中,利用3D打印技术制作汽车发动机相关零部件打印模型并设计教具,实现“教、学、做”一体化教学,提高课堂教学效果[8]。

(四)3D打印技术在康复治疗技术专业的应用

福建卫生职业技术学院将3D打印技术融入康复治疗技术专业,进行专业课程体系的重构,在课程体系中增加3D打印技术的学习,从而增加学生3D打印技术的应用能力,培养出集“康复治疗技术+3D打印技术”于一体的新型康复技能型人才,以满足康复市场的个性化需求与社会需要、行业需求对接[9]。

二、3D打印技术在高职教学应用的优势

(一)突破实训条件限制,提高学生动手实践能力

相对于理论知识,高职院校更侧重于对学生技能的培养,3D打印技术引入教学有利于提高学生的动手实践能力,更好助力技能型人才的培养。对于实训时大型仪器设备的拆装,高职院校通常由于经费、场地等条件的限制,难以做到学生人手一套,在课程中常采取分组教学,小组成员轮流动手操作,学生实际动手实践的时间不够,影响技能的掌握。而3D打印技术的引入,可以突破条件的限制,将仪器设备的零部件都缩小打印成实物,实现学生人手一套,在有限的时间内会大大增加每个学生的动手操作时间,让学生在实践中不断强化巩固,掌握操作技能,有效提高学生动手实践能力。

(二)实现想法快速落地,提高学生创新思维和创新能力

加强学生创新思维和创新能力的培育,是高职院校培养高素质技能型人才过程中的重要内容。教学中仅通过传统的教学手段难以激发学生的想象力和创造力。而3D打印技术引入教学,通过打印让学生的想法快速落地,对照打印出的实体作品学生可以不断修正想法、完善作品,创新产品的设计理念,在这一过程中将会大大激发学生的学习热情,提高学生的创新思维和创新能力。

(三)破解现有教学困境,帮助学生深入理解知识点

对于空间结构、仪器设备原理等教学难点,依靠图片、视频等传统的教学手段来开展教学不够直观,教学效果并不理想。3D打印技术引入教学,教师可以开发并打印出相应的教学模具,借助可视化的教学模具突破教学难点,提升教学效果。3D打印的教学模具看得见、摸得着,学生通过仔细观察,组合或拆装教学模具,在这一过程中增强了学生的感官认知,使学生对操作原理、物体结构、空间概念等深入理解并内化相关知识点,提升教学效果。

三、3D打印技术在高职教学的应用推广

随着3D打印技术持续不断的发展及其在各行各业的广泛应用,将3D打印技术应用推广到高职其他专业课程的教学中,对深化高职课堂教学改革、培养具有创新创业能力的高素质技术技能型人才有着十分重要的意义。

(一)在分析检测教学中引入3D打印技术

在药品、食品、化学品等的分析检测中,经常需要使用红外分光光度计、液相色谱仪、气相色谱仪等各种仪器。由于大型仪器通常不能拆解,在讲解仪器结构时教师只能借助图片、动画或者仿真模拟辅助教学,学生没有看到实物,脑海中对于仪器部件的结构和功能印象不深,往往导致学生不能深入理解仪器的原理。将3D打印技术引入分析检测的教学中,可以将仪器的各个部件按比例缩小打印成实物,让学生自己去认识实物并进行组装,在这过程中学生能真正认识仪器各个部件的结构、部件间的关联,以此破解仪器原理教师难教、学生难学的困境,课堂也由原来的教师讲解为主转变为学生自主学习为主,大大提高了学生的学习主动性和参与性,进而提升教学效果。

(二)在生物医学教学中引入3D打印技术

在生物方面如微生物形态的教学,教师通常通过图片来讲解不同类型微生物的结构特征,然后引导学生通过显微镜来观察各类微生物的形态。通过3D打印制作细菌、酵母菌、霉菌等微生物的3D模型,使微观的内容变得更容易观察,让学生对着实物模型总结微生物的结构特征会更加清晰和直观,能够帮助学生更快更好地掌握知识点。在医学方面如“人体解剖生理学”的教学,教师仅通过图片或者视频辅助讲解理论知识不够形象直观,而通过3D打印技术打印人体器官这种可视化的教学模具辅助教学,不仅能帮助学生深入理解复杂的人体结构,也能节约耗材成本。

(三)在化学教学中引入3D打印技术

有机物质的结构决定性质,在学习某一类有机物时通常先学习其结构。传统教学中教师会借助PPT或Flash动画讲解分子结构,这对学生的空间想象能力要求较高,对于化学基础薄弱的高职学生学习难度较大。将3D打印技术融入有机化学的教学中,在学习时可以打印出各种有机物的结构模型,让学生直接对着三维实物模型观察空间立体结构,深入理解构象、构型、异构体等抽象概念。特别是很多复杂结构的物质如蛋白质、核酸、酯等生物大分子通过3D打印制作结构单元分子的模型,借助可视化的三维实物模型帮助学生克服空间想象力弱的缺点,帮助学生理解和记忆有机物结构,为有机物性质的学习奠定基础,提升学生学习有机化学的热情和自信。

(四)在创新创业教学中引入3D打印技术

高职院校在加强大学生创新创业服务平台的建设中,可以引入3D打印这一先进技术,打造校内3D打印创新服务平台,供全校师生使用。在校学生可以借助平台进行3D打印验证创新想法,激发创新思维,也可以借助该平台培育创业项目。另外,在“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛、“互联网+”大学生创新创业大赛等比赛中,鼓励学生应用3D打印技术设计并完成集功能性与艺术性于一体的作品,培养学生创新、创意、创业意识,提高学生实践动手及开拓创新能力。

四、3D打印技术在高职教学应用推广的影响因素

在高职教学中应用3D打印技术确实具有许多传统教学方式无法比拟的优势,但从实际来看,这些优势还没有完全发挥出来,3D打印技术自身还存在局限性。

(一)3D打印仪器及耗材价格问题

目前,3D打印机主要分为桌面级、工业级和生物级三大类,不同级别的3D打印机价格差异较大。桌面级的3D打印机基本可以满足高职课程教学的要求,但打印机价格也在千元级别。除此之外,打印耗材、仪器后期维护等都需要经费的支持,这是高职院校在教学中引入3D打印一个重要的影响因素。

(二)3D打印时间问题

3D打印的基础是数字模型或者文件,因此在打印实物前需要在电脑软件中进行建模,建模这步工作就要花费不少时间。特别是实物零部件多的、结构复杂的,建模所需的时间更长。另外,建好模型后开始进行打印,因为是一层层地打印堆叠成一个立体的实物,打印也要耗费一定的时间,所以,从建模到打印出实物模型所花费的时间也是一个影响因素。高职专业教学中引入3D打印技术,教师在开展教学前需要花费更多的时间和精力来准备,是一个较大的挑战。

结语

3D打印技术在高职机械制造类、艺术设计类、汽车修理类等专业的教学中增加了学生的学习兴趣,改善了教学质量和效果,有效提高了高职学生的实践能力和创新思维。3D打印技术在高职教学应用中展现出显著的优势,高职其他专业如何利用3D打印技术的优势来深化课堂教学改革、提升课堂教学质量,需要教师不断去研究和探索。随着科技的不断发展,相信3D打印会克服打印机及耗材价格、打印时间等问题,在高职课程教育领域更好地发挥它的优势,更好地助力高素质技能型人才的培养。