摘 "要：3D打印是一項(xiàng)顛覆傳統(tǒng)生產(chǎn)方式的革命性技術(shù)，被譽(yù)為繼蒸汽機(jī)、電腦、互聯(lián)網(wǎng)后又一項(xiàng)偉大的發(fā)明。本文介紹了3D打印的基本概念、與傳統(tǒng)制造業(yè)相比的優(yōu)勢(shì)、在未來課堂中的應(yīng)用及國內(nèi)外一些應(yīng)用實(shí)例。3D打印技術(shù)將是未來課堂不可或缺的組成部分。

關(guān)鍵詞：3D打印;未來課堂;

中圖分類號(hào)：G623.5 " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A " " "文章編號(hào)：1674-3520（2014）-11-00-02

一、前言

教育技術(shù)與新技術(shù)的發(fā)展關(guān)系非常密切，對(duì)新技術(shù)在教育中的應(yīng)用非常敏感。課堂教學(xué)中盡可能使學(xué)生接觸最新的科學(xué)技術(shù)，增強(qiáng)學(xué)生適應(yīng)社會(huì)發(fā)展和科技進(jìn)步的要求。這就要求“現(xiàn)代教育技術(shù)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)用的設(shè)備在有效生命周期內(nèi)及時(shí)進(jìn)行更新?lián)Q代。3D打印是一項(xiàng)顛覆傳統(tǒng)生產(chǎn)方式的革命性技術(shù)，被譽(yù)為繼蒸汽機(jī)、電腦、互聯(lián)網(wǎng)后又一項(xiàng)偉大的發(fā)明。3D打印技術(shù)對(duì)于教育的重要價(jià)值之一，在于它能夠?qū)τ陔y以獲得的對(duì)象進(jìn)行更真實(shí)可靠的探索機(jī)會(huì)，而這樣的機(jī)會(huì)對(duì)學(xué)生來說可能非常難得。將3D打印技術(shù)引入課堂教學(xué)用來培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力和激勵(lì)對(duì)知識(shí)的探究，是高新技術(shù)在課堂教學(xué)應(yīng)用的探索和實(shí)踐。3D打印技術(shù)將成為未來課堂不可或缺的組成部分。

二、3D打印技術(shù)簡(jiǎn)介

3D打印技術(shù)也叫增材制造技術(shù)或激光快速成型（LRP），原理是將計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)出的三維模型分解成若干層平面切片，然后把打印材料按切片圖形逐層疊加，最終堆積成完整的物體。

堆疊薄層的形式有多種多樣。有些3D打印機(jī)使用“噴墨”的方式。使用打印機(jī)噴頭將一層極薄的液態(tài)塑料物質(zhì)噴涂在鑄模托盤上，此涂層然后被置于紫外線下進(jìn)行處理。之后鑄模托盤下降極小的距離，以供下一層堆疊上來。另外一種叫做“熔積成型”的技術(shù)，整個(gè)流程是在噴頭內(nèi)熔化塑料，然后通過沉積塑料纖維的方式才形成薄層。還有一些系統(tǒng)使用粉末微粒作為打印介質(zhì)。粉末微粒被噴撒在鑄模托盤上形成一層極薄的粉末層，然后由噴出的液態(tài)粘合劑進(jìn)行固化。如今可用于打印的介質(zhì)種類多樣，從繁多的塑料到金屬、陶瓷以及橡膠類物質(zhì)。有些打印機(jī)還能結(jié)合不同介質(zhì)，令打印出來的物體一頭堅(jiān)硬而另一頭柔軟。

三、與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比3D打印技術(shù)具有以下優(yōu)勢(shì)

優(yōu)勢(shì)1：制造復(fù)雜物品不增加成本。就傳統(tǒng)制造而言，物體形狀越復(fù)雜，制造成本越高。對(duì)3D打印機(jī)而言，制造形狀復(fù)雜的物品成本不增加，制造一個(gè)華麗的形狀復(fù)雜的物品并不比打印一個(gè)簡(jiǎn)單的方塊消耗更多的時(shí)間、技能或成本。制造復(fù)雜物品而不增加成本將打破傳統(tǒng)的定價(jià)模式，并改變我們計(jì)算制造成本的方式。

優(yōu)勢(shì)2：產(chǎn)品多樣化不增加成本。一臺(tái)3D打印機(jī)可以打印許多形狀，它可以像工匠一樣每次都做出不同形狀的物品。傳統(tǒng)的制造設(shè)備功能較少，做出的形狀種類有限。3D打印省去了培訓(xùn)機(jī)械師或購置新設(shè)備的成本，一臺(tái)3D打印機(jī)只需要不同的數(shù)字設(shè)計(jì)藍(lán)圖和一批新的原材料。

優(yōu)勢(shì)3：無須組裝。3D打印能使部件一體化成型。傳統(tǒng)的大規(guī)模生產(chǎn)建立在組裝線基礎(chǔ)上，在現(xiàn)代工廠，機(jī)器生產(chǎn)出相同的零部件，然后由機(jī)器人或工人組裝。產(chǎn)品組成部件越多，組裝耗費(fèi)的時(shí)間和成本就越多。3D打印機(jī)通過分層制造可以同時(shí)打印一扇門及上面的配套鉸鏈，不需要組裝。省略組裝就縮短了供應(yīng)鏈，節(jié)省在勞動(dòng)力和運(yùn)輸方面的花費(fèi)。供應(yīng)鏈越短，污染也越少。

優(yōu)勢(shì)4：零時(shí)間交付。3D打印機(jī)可以按需打印。即時(shí)生產(chǎn)減少了企業(yè)的實(shí)物庫存，企業(yè)可以根據(jù)客戶訂單使用3D打印機(jī)制造出特別的或定制的產(chǎn)品滿足客戶需求，所以新的商業(yè)模式將成為可能。如果人們所需的物品按需就近生產(chǎn)，零時(shí)間交付式生產(chǎn)能最大限度地減少長(zhǎng)途運(yùn)輸?shù)某杀尽?/p>

優(yōu)勢(shì)5：設(shè)計(jì)空間無限。傳統(tǒng)制造技術(shù)和工匠制造的產(chǎn)品形狀有限，制造形狀的能力受制于所使用的工具。例如，傳統(tǒng)的木制車床只能制造圓形物品，軋機(jī)只能加工用銑刀組裝的部件，制模機(jī)僅能制造模鑄形狀。3D打印機(jī)可以突破這些局限，開辟巨大的設(shè)計(jì)空間，甚至可以制作目前可能只存在于自然界的形狀。

優(yōu)勢(shì)6：零技能制造。傳統(tǒng)工匠需要當(dāng)幾年學(xué)徒才能掌握所需要的技能。批量生產(chǎn)和計(jì)算機(jī)控制的制造機(jī)器降低了對(duì)技能的要求，然而傳統(tǒng)的制造機(jī)器仍然需要熟練的專業(yè)人員進(jìn)行機(jī)器調(diào)整和校準(zhǔn)。3D打印機(jī)從設(shè)計(jì)文件里獲得各種指示，做同樣復(fù)雜的物品，3D打印機(jī)所需要的操作技能比注塑機(jī)少。非技能制造開辟了新的商業(yè)模式，并能在遠(yuǎn)程環(huán)境或極端情況下為人們提供新的生產(chǎn)方式。

優(yōu)勢(shì)7：不占空間、便攜制造。就單位生產(chǎn)空間而言，與傳統(tǒng)制造機(jī)器相比，3D打印機(jī)的制造能力更強(qiáng)。例如，注塑機(jī)只能制造比自身小很多的物品，與此相反，3D打印機(jī)可以制造和其打印臺(tái)一樣大的物品。3D打印機(jī)調(diào)試好后，打印設(shè)備可以自由移動(dòng)，打印機(jī)可以制造比自身還要大的物品。較高的單位空間生產(chǎn)能力使得3D打印機(jī)適合家用或辦公使用，因?yàn)樗鼈兯璧奈锢砜臻g小。

優(yōu)勢(shì)8：減少廢棄副產(chǎn)品。與傳統(tǒng)的金屬制造技術(shù)相比，3D打印機(jī)制造金屬時(shí)產(chǎn)生較少的副產(chǎn)品。傳統(tǒng)金屬加工的浪費(fèi)量驚人，90%的金屬原材料被丟棄在工廠車間里。3D打印制造金屬時(shí)浪費(fèi)量減少。隨著打印材料的進(jìn)步，“凈成形”制造可能成為更環(huán)保的加工方式。

優(yōu)勢(shì)9：材料無限組合。對(duì)當(dāng)今的制造機(jī)器而言，將不同原材料結(jié)合成單一產(chǎn)品是件難事，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的制造機(jī)器在切割或模具成型過程中不能輕易地將多種原材料融合在一起。隨著多材料3D打印技術(shù)的發(fā)展，我們有能力將不同原材料融合在一起。以前無法混合的原料混合后將形成新的材料，這些材料色調(diào)種類繁多，具有獨(dú)特的屬性或功能。

優(yōu)勢(shì)10：精確的實(shí)體復(fù)制。數(shù)字音樂文件可以被無休止地復(fù)制，音頻質(zhì)量并不會(huì)下降。未來，3D打印將數(shù)字精度擴(kuò)展到實(shí)體世界。掃描技術(shù)和3D打印技術(shù)將共同提高實(shí)體世界和數(shù)字世界之間形態(tài)轉(zhuǎn)換的分辨率，我們可以掃描、編輯和復(fù)制實(shí)體對(duì)象，創(chuàng)建精確的副本或優(yōu)化原件。

四、3D打印技術(shù)在未來課堂中的應(yīng)用

那么3D打印技術(shù)如何應(yīng)用到未來課堂呢，關(guān)鍵在于通過3D打印技術(shù)可以將電腦里的虛擬物品轉(zhuǎn)化成現(xiàn)實(shí)中的真實(shí)物品，并把它交給學(xué)生，讓學(xué)生可以在現(xiàn)實(shí)中更直觀的觀察、研究。因此，通過3D打印技術(shù)顯著的縮小了現(xiàn)實(shí)和虛擬之間的距離，當(dāng)你需要什么東西的時(shí)候，打開電腦，找到它的虛擬模型，然后通過打印把它變成現(xiàn)實(shí)。

（一）3D打印技術(shù)可以通過以下方式應(yīng)用到未來課堂。學(xué)習(xí)工程設(shè)計(jì)的學(xué)生可以用它打印出自己設(shè)計(jì)的原型產(chǎn)品，通過實(shí)物觀察所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品是否能滿足外觀和性能設(shè)計(jì)要求。學(xué)習(xí)建筑工程的學(xué)生可以用它方便的打印出自己設(shè)計(jì)的建筑實(shí)體模型，這種方法快速、低廉、環(huán)保，同時(shí)制作精美，既合乎設(shè)計(jì)者的要求，又能節(jié)省大量材料。學(xué)習(xí)考古學(xué)的學(xué)生可以用它來復(fù)制有考古意義的物品，方便進(jìn)一步的觀察，用3D打印替代品來保護(hù)原始作品不受環(huán)境或意外事件的傷害，同時(shí)復(fù)制品也能將藝術(shù)或文物影響更多更遠(yuǎn)的人。學(xué)習(xí)平面設(shè)計(jì)的學(xué)生可以用它來制作3D版本的藝術(shù)品。學(xué)習(xí)地理學(xué)的學(xué)生可以用它來繪制真實(shí)的地勢(shì)圖，人口分布圖。學(xué)習(xí)食品加工的學(xué)生可以用它設(shè)計(jì)食物的產(chǎn)品造型。學(xué)習(xí)車輛工程的學(xué)生可以打印各種各樣的實(shí)體汽車部件，便于測(cè)試。學(xué)習(xí)化學(xué)的學(xué)生可以把分子模型打印出來觀察。學(xué)習(xí)生物學(xué)的學(xué)生可以打印出細(xì)胞、病毒、器官，和其他重要的生物樣本。學(xué)習(xí)電路設(shè)計(jì)的學(xué)生可以將他們的電路板打印出來，并在他們自己的學(xué)習(xí)空間中尋找答案……。

（二）國內(nèi)外3D打印技術(shù)應(yīng)用實(shí)例

1、我國首家3D打印體驗(yàn)館入駐京城。3D打印技術(shù)這個(gè)被英國《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》雜志稱為“將帶來第三次工業(yè)革命”的數(shù)字化制造技術(shù)，可打印出飛機(jī)、賽車、手槍、巧克力、人體器官等。近日，在北京市科委的支持下，位于北京DRC工業(yè)設(shè)計(jì)創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)基地開業(yè)的中國首家“上拓3D打印體驗(yàn)館”則能夠“克隆”一個(gè)真實(shí)的你，無論是頭發(fā)、眉目還是膚色，都和真實(shí)的你相差無幾。在“3D打印體驗(yàn)館”里，不光是人物的三維掃描和人物模型的“打印”制作，一個(gè)易拉罐、一枚戒指、一個(gè)動(dòng)漫玩偶、手機(jī)座、3D游戲里的人物角色、個(gè)性花瓶……只要是你能夠想象到的東西或者現(xiàn)實(shí)中已經(jīng)存在的東西，都有可能被3D打印機(jī)“打印”出來。更令人嘖嘖稱奇的是，在上拓“3D打印體驗(yàn)館”里還可以自己動(dòng)手將自己的形象和其他三維形象結(jié)合，創(chuàng)造出專屬的立體模型帶走。依靠神秘的3D打印技術(shù)迪斯尼未來之家的神奇體驗(yàn)竟然得以實(shí)現(xiàn)。

2、上海市靜安區(qū)青少年活動(dòng)中心：3D打印機(jī)“打出”新創(chuàng)意。 2013年年初3D打印機(jī)“進(jìn)駐”上海市靜安區(qū)青少年活動(dòng)中心的消息引來了眾多好奇的學(xué)生，每到節(jié)假日，他們就紛紛來到活動(dòng)中心，用它打印出自己設(shè)計(jì)的齒輪、機(jī)器人部件及各種其他的有趣設(shè)計(jì)。目前靜安區(qū)青少年活動(dòng)中心已經(jīng)開始定期開設(shè)相關(guān)課程，學(xué)生可以免費(fèi)學(xué)習(xí)三維設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)輔助制造，通過打印自己設(shè)計(jì)的機(jī)械零件，培養(yǎng)自身的三維掃描能力、建模能力和打印能力?！斑@不僅能夠更好地培養(yǎng)中小學(xué)生的設(shè)計(jì)創(chuàng)意、動(dòng)手能力，而且還有助于他們更早地接受最新、最前沿的高新技術(shù)，進(jìn)而對(duì)科技產(chǎn)生深遠(yuǎn)的興趣”。

3、“3D打印將走進(jìn)浙江中小學(xué)”。通過3D打印，可以準(zhǔn)確、快速、完整地獲取實(shí)物的三維數(shù)字信息，大家平常吃的蛋糕、穿的球鞋也能用打印機(jī)打印出來?！?浙江省3D打印產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟秘書長(zhǎng)黃賢清說，早在今年年初，蕭山中學(xué)、蕭山二職、銀河小學(xué)、匯宇小學(xué)等學(xué)校就開始使用3D打印，感受這項(xiàng)高科技。目前，在北京、上海、廣州等一線城市，3D打印術(shù)已逐步開始在校園流行，不少學(xué)生還自發(fā)組成社團(tuán)、實(shí)訓(xùn)隊(duì)，涉足這一高科技領(lǐng)域。

4、在國外，邁阿密大學(xué)人類學(xué)專業(yè)的學(xué)生通過大學(xué)的3D打印實(shí)驗(yàn)室的復(fù)制品，可以觸摸和研究像古埃及的花瓶這類脆弱的文物;哈佛大學(xué)和伊利諾伊大學(xué)厄本那香檳分校最近通過3D打印制造出如沙粒大小的為極小設(shè)備提供動(dòng)力的鋰離子微電池;愛荷華州立大學(xué)地質(zhì)學(xué)專業(yè)的學(xué)生可以研究罕見的化石、水晶以及礦石的3D打印標(biāo)本，這樣不會(huì)對(duì)這些珍貴物品造成如何破壞?！?。

五、結(jié)束語

3D打印目前還處于起步階段，但它無疑已展示出了改變世界的驚人潛力。 如果你不了解3D打印，不妨想想電影《星際迷航》（Star Trek）里虛構(gòu)的復(fù)制機(jī)。你給電腦下達(dá)指令，要它做出你想要的任何東西，然后這個(gè)東西就奇跡般地出現(xiàn)了。用今天科技界的話語來講，就是從你的電腦向一臺(tái)3D打印機(jī)上傳計(jì)算機(jī)化的藍(lán)圖，接著那臺(tái)微波爐或洗衣機(jī)大小、盒子形狀的打印機(jī)就將塑料線或其他材料一點(diǎn)一點(diǎn)、一層一層地熔化，就像摞樂高（Lego）積木一樣。最終通過固化，它便成為你想要的產(chǎn)品。人們通過3D打印成功了什么呢？從簡(jiǎn)單的小雕像到管道零件，現(xiàn)在每天都有很多東西在打印。真正的限制只在于人們的想象力。3D打印技術(shù)是制造方式和手段的革命化創(chuàng)新，代表著未來制造業(yè)信息化、智能化的發(fā)展方向，同時(shí)，也會(huì)使人們的生活和學(xué)習(xí)更加豐富多彩。

參考文獻(xiàn)：

[1]國際教育信息化2013地平線報(bào)告（高等教育版）[J]北京廣播電視大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，（2）：22-25.

[2]新媒體聯(lián)盟地平線報(bào)告（2014高等教育版）[J]北京廣播電視大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，（2）：22-33.

[3]迪·利普森，梅爾芭·庫曼.3D打印：從想象到現(xiàn)實(shí)[M].，賽迪研究院專家組譯.北京：中信出版社 2013

[4]李建榮.我國首家3D打印體驗(yàn)館實(shí)現(xiàn)全“克隆”[N]. 科技日?qǐng)?bào) 2013.1.21

[5]臧鶯.靜安青少年活動(dòng)中心：3D打印機(jī)“打出”新創(chuàng)意[EB/OL].http：//www.shedunews.com/zhuanti/xinwenzhuanti/2013expo/2013expo_qxld/2013/04/13/506889.html

[6]孫寅喬、王紅梅.3D打印將走進(jìn)浙江中小學(xué) [EB/OL]. http：//fashion.hangzhou. com.cn/ltrt/content/2014-05/04/content_5267711.html

作者簡(jiǎn)介：彭亮，男，湖南衡陽人，青海廣播電視大學(xué)教務(wù)處講師，研究方向：計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用。