刘勃峥
摘要：众所周知，3D打印技术是一种新兴的技术，并且在制造领域掀起了改革的风暴。本文首先介绍了什么是3D打印技术，并根据目前实验教学应用3D打印技术的问题与不足，探讨了具体改进的方法，并通过具体的应用，向大家展示基于3D打印技术的产品开发与工业产品设计实验教学成果，希望可以起到一定的参考作用。
关键词：设计;3D打印;实践;创新
中国分类号：G64 文献标识码：A
文章编码：1672-7053（2019）06-0026-02
将3D打印技术合理运用到实验教学中，不仅可以培养学生的动手能力，还能够开拓学生的思维，有利于帮助学生更好地理解3D打印技术，并且与实际生产、加工和制造产生联系，全面提高学生的素质和能力，为社会输送高质量的人才。
1 3D打印技术
1.1 3D打印技术概述
3D打印（3DP）即快速成型技术的一种，它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粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的。常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，后逐渐用于一些产品的直接制造，已经有使用这种技术打印而成的零部件。该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工（AEC）、汽车，航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支以及其他领域都有所应用。
1.2 基本原理
3D打印技术是一种快速成型技术，主要的工艺是熔融沉积制造技术。在进行3D打印之前，将数据模型切割成同一厚度的切片，并且生成控制3D打印机喷头移动轨迹的几何信息。当几何信息生成后，使用计算机控制喷头，堆砌零件，并且把丝状材料送入到热熔喷头内，温度上升后，丝状材料会转变为融化状态，经过喷头挤压，可以沉积固化成为精准的零件薄层，然后重复进行这一过程，直到形成一个完整的三维零件实体[1]。
3D打印技术的应用分为三步：第一步，使用三维软件，对实物进行扫描，设计出具体的三维模型，确保模型科学可靠;第二步，使用专业软件比如Materialise Magics，对3D模型进行分层;第三步，在打印区域，喷头会按照事先计算好的路径，挤出液态树脂或者进行光固化等不同打印技术，并且层层堆砌，成型后需要进行后期处理，提高零件的精度。
2 实验教学应用3D打印技术的不足之处
目前，3D打印技术受到了广泛的关注，在众多领域开始崭露头角，不仅缩短了产品的研发周期，还有效降低了生产成本，同时满足了人们个性化的需求。一些西方先进国家已经将3D打印技术应用到课堂教学中，帮助学生更好地理解技术的特点，提高他们的创新意识和能力。但是我国高校实验教学中在应用3D打印技术时存在一定的不足。
一方面，很多高校虽然斥巨资购买和引进了3D打印设备，但是教师在教学过程中，还是沿用传统的思维模式，没有充分发挥3D打印设备的作用，使得这些高精密仪器成为了摆设;另一方面，一些高校教师在进行实验教学时，有意识地让学生多接触和多使用3D打印机，但是打印的内容主要是一些简单的物体，无法激发学生的兴趣，也不利于学生创新思维的培养，造成了资源的浪费。如果实验教学无法高效利用3D打印技术，那么在培养技术人才方面，就会显得捉襟见肘，不利于学生全面的发展，而且无法满足社会、企业以及国家人才方面的需求[2]。
3 优化3D打印技术在实验教学中的应用策略
3.1 完善3D打印教学理念
基于3D打印技术的实验教学的理论基础包括建构主义学习理论，因为3D打印技术可以丰富实验的内容和情境，让学生在良好的氛围下进行动手操作，丰富他们的知识框架;还包括“做中学”理论，它是美国人杜威提出的一种新型学习理论，强调通过观察、实验、探究以及反思等活动，将抽象的理论具体化，从而获得知识经验。
3.2 制定合理的教学计划
在实验教学过程中，首先，教师要承担主导作用，并且以学生为主体，合理分配和布置学习目标，划分学习任务，利用3D打印技术的优势和特点，营造适合学生展开实验活动的环境。其次，教师要找到教学的重点和难点，对具体的实验任务进行分类，并且做到细致入微，比如分为理论知识学习部分、实物观察扫描部分、系统软件操作部分以及随堂练习测试部分等。教师布置完具体的任务后，要深入学生内部与学生共同完成，及时发现学生的不足，提出改进意见。另外，教师要带领學生熟悉3D打印设备的操作规则，避免对仪器和设备造成损坏，同时保证自身安全。最后，在进行评价时，教师不仅要根据实验结果进行评价，还要参照学生在实验过程中的具体表现，同时让小组内部的学生进行互评，以提高评价的科学性。
3.3 丰富教学流程
教师在应用3D打印技术展开实验教学时，需要结合实际生活和学生已有的经验创设具体的情境，丰富学生的知识体系，开拓学生的思维，使其大胆进行设计，小心进行求证。教学目标让学生对形态有更深入的理解，利用当前主流数据模型的建造方法，同时掌握3D打印所对应的软件，如Autodesk 3ds Max（POLYGON）和Rhinoceros （NURBS）此类用数据的形式表达要设计形态的软件，同时要求学生掌握V-Ray和KeyShot软件的使用方法，结合不同的产品制作出多种风格的效果图。以曲面形态为例，教师可以先使用thino三维建模软件制作多面体，而学生通过教师的示范以小组为单位展开设计讨论，学生通过手绘开始设计产品，构造平面图纸，然后使用3D打印机进行打印。学生在进行实验过程中，可以互相讨论，而教师要耐心倾听，不要打击学生的进取心和积极性。
3.4 合理增加实验内容
教师在进行实验教学时，需要做好课前准备工作，并且将模型导入到切片软件中，这样学生能够对切片的原理和参数一目了然，然后再带领学生观察打印的整个过程，让学生有个基本的了解。如果想要提高学生的能力，需要让学生独立分析不同的切片参数设置对打印效果的影响，找到提高打印质量的方法，并且做好反馈工作，避免误差的出现。另外，在实验内容上，不仅可以打印一体件，还可以打印组合件，比如眼镜框、发动机等，而且3D打印不需要对零件进行拆分，可以实现一次成型。一些学生的基础较好，可以充分发挥想象力，设计出独一无二的三维模型，并且打印出具体的实物，这样可以提高实验的趣味性。基于3D打印技术的实验教学能够培养学生自主学习和创新的能力。
3.5 合理利用教学资源
对于高校而言，教学资源合理的应用可以满足学生实践要求。比如以班级、以小组或者是以个人为单位，开设不同的实验模式，高效地利用实验资源，也可以增加3D打印技术相关的实验选修课。
4 基于3D打印技术的产品开发没计实验教学实践
4.1 课程实验
以某高校工业设计为例，教师在展开实验教学时，推广和使用了先进的3D打印技术，在学生内部产生了强烈的反响，学生不仅了解了机械结构领域的发展情况，还加深了对制造工艺特点的认识。特别是进行课程实验的过程中，学生踊跃地参与，实验热情空前高涨，学生能够主动发现、提出和解决问题，这样极大地提高了学生自身的主体地位。在打印过程中，学生可以自主调节切片的熔融温度以及放置角度，同时能够分析和预判喷嘴的运动轨迹，这样能够提高打印结果的准确性，并且节省材料和资源（图1）。
4.2 创新实验
在基于3D打印技术的实验教学过程中，学生发挥创新能力，制作出了种类多样的作品，科技含量很高，并且在不断探索的过程中实现了自身的成长（图2）。近年来，一些高校大学生利用3D打印技术设计了很多设计作品，并且获得了不俗的成绩（图3）。在国家号召创新的今天，高校应该主动肩负起培养创新型人才的重任，激发学生的潜能，鼓励学生进行创新实验。
5 结论
综上所述，實验教学是高校教学的重要组成部分，并且与学生的学分直接挂钩，影响学生的毕业成绩和就业选择，所以重要性日益凸显。本文对基于3D打印技术的实验教学展开了探究，从基础、框架、流程、类型以及机制等方面进行了总结，并参照真实的应用案例，结果发现，将3D打印技术应用到实验教学中，符合国家创新的要求，可以极大的提升学生的实验水平。
参考文献
[1]郑红伟，马玉琼，张艳蕊，等.三维扫描与3D打印技术在开放实践教学中的实践与应用[J]，实验室科学，2016，19 （02）：107-109+112.
[2]白伟伟，方海光，杨志亚，焦宝聪.3D打印技术在创新实践教学中的学习活动设计框架研究[J].中国信息技术教育，2016 （23）：66-70.
[3]朱妍妍，李忠新，吕唯唯，基于3D打印技术的开放实践教学模式探索与实践[J].实验技术与管理，2017，34 （07）：192-195.
[4]杨艺.3D打印技术在产品设计中的应用与发展研究[J].传播力研究，2018，2（12）：244+255.
[5]肖婷，刘坚.模具制造中的3D打印技术的应用研究[J].工业设计，2019.
