【正文】  摘 要: 3D打印是一种新型的快速成型技术。目前，该技术已在各个领域都得到了广泛的应用。对3D打印的技术原理、特点、发展，3D打印在教学中的应用及作用做了深层次的探讨。针对3D打印在教学中的应用，提出了需进一步思考和解决的相关问题。
  关键词:3D打印；三维模型；逐层叠加；教学创新；个性化
　　3D打印（Three Dimensions Printing）是一种新型的快速成型技术，它是以计算机三维设计模型为蓝本，用软件将其离散分解成若干层平面切片，然后由数控成型系统利用激光束、热熔喷嘴等方式将粉末状、液状或丝状金属、陶瓷、塑料、细胞组织等材料进行逐层堆积黏结，最终叠加成型，制造出实体产品的技术[1]。该技术综合了数字建模技术、信息技术、机电控制技术、材料科学与化学等诸多方面的前沿技术知识，是一种具有高科技含量的综合性应用技术。目前，该技术已广泛地应用于工业产品制造、医疗行业、建筑业、汽车制造业、航空航天、食品、军事等行业。
　　随着3D打印技术的发展，3D打印在教育领域中的应用也受到了研究者的普遍关注，一些国家和组织也开始对3D打印的教育应用进行探索。2013年版的《地平线报告》首次将3D打印的教育应用列入了“待普及”的新技术清单，并对3D打印作了较为详细的介绍，报告的编纂者认为，该技术将会在四到五年内普及。
  一、3D打印的技术原理和发展现状
  （一）3D打印的原理与特点
  1. 3D打印技术原理
　　从3D打印的制作过程出发，可分为设计与打印两个阶段。
  （1）设计阶段：3D建模
  通过扫描设备获取对象的三维数据，并且以数字化方式生成三维模型。也可以使用AutoCAD等三维建模软件从零开始建立三维数字化模型，或是直接使用其他人已做好的3D模型。
  （2）打印阶段
　　3D打印机对3D模型数据进行逐层分切，通过读取文件中的横截面信息，对分切的每一层进行构建，将这些截面逐层打印出来，再将各层截面以各种方式粘合起来从而制造出一个实体。目前，3D打印用到多种技术，最典型的有分层实体制造技术（LOM）、立体光刻技术（SL）、熔融挤出技术（FDM）和选择性激光烧结技术（SLS）四种。3D打印材料主要有尼龙材料、金属材料、石蜡材料等[2]。模型打印完成后一般都会有毛刺或是粗糙的截面。这时需要对模型进行后期加工，如固化处理、剥离、修整、上色等等，才能最终完成所需要的模型的制作。
  2.特点与不足
　　能实现设计制造一体化，大幅降低生产成本，缩短加工周期，提高原材料和能源的利用率，减少对环境的影响；可实现大规模的个性化生产；可实现首件的净型成形，大大减小后期的辅助加工量，避免委外加工的数据泄密和时间跨度。特别适合新产品的开发和单件小批量零件的生产。该技术目前也存在很多问题，比如某些行业缺乏宏观规划和引导、企业对技术研发投入不足、打印精度和打印速度不能满足需求等。
  （二）3D打印技术的历史与现状
　　第一台商用3D打印机出现在1986年，但3D打印技术的真正确立是以美国麻省理工大学的Scans E.M.和Cima M.J.等人于1991年申报的关于三维打印专利为标志的[3]。经历二十多年的探索和发展后，3D打印的精度和速率变得更高。目前，已开发出的可打印材料约为14类，可混搭出一百多种耗材。在造价方面，3D打印机的售价也正在迅速降低。3D打印的应用领域也在迅速扩张。
  二、3D打印在教学中的应用研究
  （一）3D打印在教学中的创新应用
  目前，3D打印技术已广泛地应用在了各个学科或领域的教学当中。比如，数学、物理、化学、电子、生物医学、地理、航空、烹饪、建筑设计、机电工程、动画设计、考古等等。一些国家和组织已经开始重视3D打印在教育领域中的应用，并开始探索这方面的研究。英国教育部开展了一项为期一年的试验项目（2012.10-2013.9），以21个学校为试点，将3D打印技术应用到数学、物理、计算机科学、工程和设计等课程中，探索3D打印的教学应用，推动教学创新[4]。该项目与英国物理学会、全国数学教学创优中心（NCETM）和3D打印机厂商Makerbot合作，在“人类学习可以通过制造和分享过程产生”的理念下，为使用3D技术的学校提供良好的理论指导和技术支持。参与项目的学校定期报告试验情况，分享经验。意大利理论物理国际研究中心（ICTP）利用网上的免费工具将数学中的等值曲面转化成三维模型，并打印出可用于课堂教学的实物或者很酷的装饰品[5]。3D打印可以为枯燥的数学知识增添趣味性和实用性，将数字化和时尚相结合。通过技术手段，可以使得数学与艺术并驾齐驱，通过数学模型去构造和实现艺术设计。
  （二）3D打印在教学中的作用
  1.可改善教学方式方法
　　3D打印可用来制作可视化的教具和学具。教师可以方便地自行制作和打印某些教具，以有形的三维格式展示教科书中提取的二维信息，并可设计个性化的教学模型以适应教学内容的要求并在课堂上展示。学生也可以观察、触摸和组装这些教具，这种方式显然要比原来的教学效果更好。
  2.可提高学生的动手能力和参与协作意识，激发学生的学习积极性和创造力
　　3D打印需要学生的实践操作，从设计到打印，都需要他们参与完成，这将促进学生操作能力、观察能力和制作能力的发展，全面提高学生的动手能力和参与能力。而动手能力是学生实践学习的基础，在动手能力的基础上，学生才能进一步发展其研究能力和创新能力[6]。同时，3D打印为学习活动开辟了新的空间，学生可以从设计、制作、展示、参与等角度融入到学习过程中，有效地激发了学生实践的积极性，提高了学习热情。
  3.可营造更愉快的学习体验
　　3D打印的核心应用在于它能够帮助使用者将数字化的设计快速变成实物。独特的实物模型给学生提供了切身感受，并且可以操作模型互动，从另一个角度对事物增进了了解，能够帮助他们愉快地记忆，避免遗忘。还有，对于需（下转第86页）（上接第55页）要动手设计和制作的课程来说，3D打印可以帮助学生加速设计的过程，学生可以在设计的早期就通过原型化排除错误的设计，从而帮助他们避免因为浪费时间在无用工作上，或是项目失败带来的挫败感。
  三、对3D打印教学应用的思考
　　3D打印技术虽然在当前教育领域的应用越来越多，但在未来的发展中，仍然有某些方面需要进行进一步的思考和持续探索。
  （一）3D打印的普及与推广
　　首先，软硬件环境配备代价高昂。同时，我国在3D打印技术的培训与推广方面，与其他国家相比还有差距，需要进一步推动新技术的学习，这需要教育行政部门、企业和学校共同努力。
  （二）对教师的要求
　　教师在3D打印的教学应用中起着重要作用。这将对教师提出更高的要求，教师需要从技术和教学设计等层面进行学习和提高，以做好领路人的角色。
  （三）教育与教学改革
  当前，全球教育领域正发生着革命性变化，我们需要关注并参与到最新的工业革命和教育变革中，对原有教学课程重新进行设计和再造，加强创新型人才培养，这是我们未来能够在世界竞争中保持先进地位的根本保证。
  参考文献：
  [1]维基百科.“三维打印”词条[EB/OL].[2013 -05-20]. http://zh.wikipedia.org/wiki/%E4%B8%89%E7%BB%B4%E6%89%93%E5%8D%B0. 
  [2]张桂兰.神奇的3D打印[J].数码印刷,2013,(2):54-56.
  [3]3D打印技术在英国学校试点[EB/OL]. http://www.zhizaoye.net/3D/dong/2013-01-04/20495.html.
  [4] Gaya Fior. From Math to Jewel: an Example [EB/OL]. [2013-05-20].http://sdu.ictp.it/3D/book/Low
-cost_3D_printing_screen.pdf.
  [5]郭劲秋.3D 打印走进学校专业教育[EB/OL].[2013-03-17].http://www.narkii.com/news/news_98239.shtml.
  [6] University of Huddersfield. 3D Printing Opens Educational Doors for the School of Art &Design[EB/OL]. [2013-05-22].http://www.zcorp.
com/documents/14_CaseStudy-Hudders field-FINAL.pdf.
  作者简介：牛一帆，出生年月：1982.5，性 别：女，籍 贯：山西长治，职 称：讲 师，印刷包装工程专职教师.
  本文参与课题项目：山东省济宁市技工教育和职业培训科研课题《高技能人才培养模式研究》，编号：RSJY-Z2014003。