3D打印在高等教育中的应用优势分析

摘 要：3D打印已广泛应用于高等教育教学各环节中，在制作三维复杂教学模型、辅助实验教学和支撑大学生科技创新活动等方面发挥着重要作用。教育领域应用3D打印是因为它具备低成本定制、快速制造和促进创新等优势。

关键词：3D打印；高等教育；科技创新；创客；辅助教学

一、引 言

自2010年以来，3D打印技术（又称增材制造）迅猛发展，获得社会广泛关注。3D打印以三维CAD模型为蓝本，通过软件分层离散和数控成型系统，实现了“所见即所得”，并且在生物医疗、航空航天、文化创意等领域获得广泛应用。2015年，工业和信息化部、国家发展和改革委员会、财政部联合发布了《国家增材制造产业发展推进计划（2015—2016年）》， 2016年科技部会同有关部门又将“增材制造与激光制造”重点专项列入国家重点研发计划。这些纲领性文件和政策明确指出，应3D打印技术的研发和产业化作为我国战略性新兴产业的发展重点。

国内外教育界正掀起3D打印教育应用研究和探索热潮。美国新媒体联盟在《2013年地平线报告》中指出，3D打印将带来教学、学习和研究领域的创新。在国内，许多高校开始购置3D打印机，理、工、医、文等各领域都开展了相关的教学研究。3D打印在高等教育中的应用日益增多，它究竟有何种魅力？本文在归纳3D打印在高等教育中应用现状的基础上，从制造技术属性的角度，分析其在高等教育中的应用优势。

二、3D打印在高等教育中的应用现状

1.3D打印制作个性化三维教具

利用3D打印技术，教师可以依据教学实际需要，自己设计并打印个性化的教具。3D打印教具为学生提供比视频、课件更为真实、直观、清晰的三维实物体验，营造更为真实的学习环境。

利用3D打印技术制作教学模型辅助课堂教学的案例非常多。如苏州大学管华清等人依据典型病例CT照片3D打印骨骼模型并用于骨科教学，帮助学生加深对骨科疾病的理解；同济大学王建秀等人利用3D 打印技术制作小型、轻质化的矿物晶体模型，帮助学生对晶体结构形成直观印象。

2.3D打印辅助实验教学

随着教学方式的改革，实验教学已逐步由传统单一实验向开放性创新实验转化。由于3D打印是一种高度柔性的制造技术，可以制造各种材料和形状的零件，3D打印设备平台为学生自主设计并实施综合性实验带来便利。它不仅丰富了创新实验教学的形式，还增强了开放性实验对学生的吸引力，已成为当代高校实验教学中的重要辅助工具。

李斌等人在机械实践教学环节中，利用3D打印开设综合性实验，使学生设计并打印减速器结构。石河子大学陈凯等人在材料科学与工程专业实验中，让学生亲自动手制备反应釜模型和3D分子模型，加深对化工设备和基本原理的理解。中国石油大学孙致学等人将油气藏的形状、演化历史和物理特征等进行三维“可视化”和“实体化”。南华大学机械学院充分运用3D打印技术开展第二课堂实训教学，学生学习3D打印机的组装、调试及打印，合格者获得第二课堂学分。

3.3D打印支撑大学生创新活动

科技创新活动以培养学生独立思考能力、动手能力和创新精神为目的，是大学创新教育的重要组成部分。3D打印在大学生作品的概念设计、原型制作、功能验证、评审等方面都能发挥重要作用。例如，辽宁工业大学高奇等人以大学生创新创业训练项目为载体，将3D打印技术应用于汽车发动机壳体的快速制造，极大地激发了学生的创新思维，提高了学生的实践能力。

目前，“创客”已成为许多大学校园内一道引人注目的风景。2015年，清华大学建成全球高校中最大的创客空间，其他大学也设立此类场所以培育人才和激励创新。“创客”的核心内涵是将想法变成现实，低成本快速制造的3D打印机往往是创客平台必备的支撑设备。创客空间的3D打印设备实行常态化开放，为学生参加各种科技竞赛提供支持。

三、3D打印在高等教育中的应用优势

从目前文献报道的案例分析可知，3D打印能在高等教育中获得广泛应用，主要原因在于3D打印具有下列优势。

1.低成本定制

3D打印是一种高度柔性的制造技术，一套设备可以制造多种材料和各种形状的零件，这种制造柔性满足了高等教育中大量的低成本定制的需求。在课堂教学中，教师需要一些个性化的复杂教具，如毛细血管分布模型、建筑物模型、地貌模型等；在开发性实验中，学生自主完成产品设计，需要制作出实物模型用于设计验证或参加竞赛。这些需求都是小批量的、非标准的和多变的，若让传统制造企业协作完成，其经济成本是不可接受的。因此，低成本定制是3D打印能在教育领域获得广泛应用的第一原因。

2.快速制造

3D打印短流程，快速制造，工艺链很短，理论上是“一步到位”的制造。借助现代的桌面3D打印机，可以在数小时内制作完成一件复杂的零件。传统制造方式受夹具、模具等工艺限制，零件生产的时间都比较长，以月为单位的交货周期对于教育应用来说是不可接受的。

3.促进创新

3D打印理论上可打印任意复杂结构，这就是所谓自由成形的概念。自由成形使三维CAD设计具备“所见即所得”的新层次特征，大大拓展了设计师的创新空间。

大学生是极富创造力的群体，3D打印技术的应用有利于挖掘学生的创造力和激发学生的创业激情。

四、展望

尽管3D打印已经在高等教育领域获得广泛应用，但是3D打印在工艺、设备和软件等方面仍存在许多不足。例如，打印材料以塑料和树脂为主，打印零件强度不高、精度较低，主要用来制作教学演示模型，而教学实践中更需要能用于装配、测试、服役的实用功能零件。不过，随着相关设备和耗材的价格持续下降，桌面式金属3D打印机可能会成为未来高校教学设备的新宠，实用功能零件将取代塑料教学模型而成为主要的打印零件。

参考文献：

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[8]贵大90后毕业生建创客空间 任何人都可以打印3D的自己[EB/OL].http：//gz.c.cn/gzyw/20150419/t20150419_518349879.shtml.

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