譚躍剛， 陳章念， 張 帆， 周祖德， 陳雅輝

(武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

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3D打印創(chuàng)新教學(xué)實(shí)驗(yàn)室及其應(yīng)用

譚躍剛， 陳章念， 張 帆， 周祖德， 陳雅輝

(武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

3D打印技術(shù)成為第三次科技革命關(guān)注的焦點(diǎn)，逐步應(yīng)用到各行各業(yè)。3D打印在教育領(lǐng)域的應(yīng)用能夠架起理論和實(shí)踐的橋梁，改變傳統(tǒng)教學(xué)模式，提高創(chuàng)新和創(chuàng)造力。但對(duì)比國(guó)外，遠(yuǎn)未發(fā)掘出3D打印技術(shù)在教學(xué)中獨(dú)有的激發(fā)創(chuàng)新應(yīng)用的能力。本文利用3D打印技術(shù)，研究構(gòu)建一種創(chuàng)新教學(xué)實(shí)驗(yàn)室，根據(jù)實(shí)際教學(xué)應(yīng)用，分析了3D打印創(chuàng)新教學(xué)實(shí)驗(yàn)室在教學(xué)中的作用，提出了全新的基于3D打印的創(chuàng)新教學(xué)模式。3D打印創(chuàng)新教學(xué)實(shí)驗(yàn)室將會(huì)成為教學(xué)創(chuàng)新不可或缺的組成部分，對(duì)教學(xué)改革具有重要意義。

3D打??； 創(chuàng)新教學(xué)； 教學(xué)實(shí)驗(yàn)室； 教學(xué)模式； 做中學(xué)

0 引 言

3D打印技術(shù)是快速成型制造的一種，又將多種高新科技集成于一體。這兩種特性結(jié)合使得3D打印技術(shù)可應(yīng)用于模型驗(yàn)證科學(xué)假設(shè)和不同學(xué)科實(shí)驗(yàn)及教學(xué)，在眾多學(xué)科中可以起到輔助作用，在教育領(lǐng)域大有所為[1-3]。國(guó)內(nèi)外教學(xué)機(jī)構(gòu)正在研究探索如何將這項(xiàng)技術(shù)更好地應(yīng)用到教學(xué)領(lǐng)域中，充分發(fā)揮3D打印技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)使得學(xué)生不僅可以在快速成型制造的幫助下更輕松地學(xué)習(xí)到專業(yè)知識(shí)，還可以激發(fā)他們的創(chuàng)新設(shè)計(jì)技能，并對(duì)他們未來(lái)的技術(shù)素養(yǎng)和職業(yè)發(fā)展都會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響[4]。

美國(guó)弗吉尼亞大學(xué)開(kāi)設(shè)3D打印課，教授學(xué)生通過(guò)3D打印技術(shù)制造出一架模型飛機(jī)并成功試飛，飛機(jī)的所有零部件都是通過(guò)3D打印制造的[5]。明尼蘇達(dá)星站(STARBASE Minnesota)是一個(gè)由美國(guó)國(guó)防部資助的、旨在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)、數(shù)學(xué)和技術(shù)興趣的非營(yíng)利教育項(xiàng)目。該項(xiàng)目始于1993 年，主要教授航天主題的短期課程，項(xiàng)目的主要活動(dòng)是讓學(xué)生以工程師的身份參與，通過(guò)3D打印為探索火星的模擬任務(wù)設(shè)計(jì)和建造模型火箭提供了豐富的技術(shù)環(huán)境，鼓勵(lì)學(xué)生自信地發(fā)展自己的技能和能力[6]。美國(guó)Fab@school(學(xué)校工廠)試點(diǎn)項(xiàng)目可以幫助教師創(chuàng)造集設(shè)計(jì)和3D打印于一體的課堂，項(xiàng)目目的是創(chuàng)造兒童工程師，迄今為止，大約有350名四五年級(jí)學(xué)生和10名教師體驗(yàn)了該課程[7]。我國(guó)3D打印研發(fā)機(jī)構(gòu)主要集中在清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、華中科技大學(xué)、西安交通大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等著名高校，部分研究成果已處于世界先進(jìn)水平[8-9]。清華大學(xué)x-lab的AOD 3D打印團(tuán)隊(duì)致力于為小學(xué)初中教育打造3D奇思妙想課堂，讓學(xué)生邊玩邊學(xué)，邊學(xué)邊做。合肥中科大阿巴賽教育是國(guó)內(nèi)首家3D打印技術(shù)培訓(xùn)機(jī)構(gòu)，專注于提供3D建模、3D掃描、3D內(nèi)雕、3D打印機(jī)組裝調(diào)試等課程培訓(xùn)內(nèi)容。杭州先臨TEACH教育課程由浙江大學(xué)創(chuàng)新中心研發(fā)，旨在將創(chuàng)新教育的思想理念和3D打印的前沿科技結(jié)合，通過(guò)線上互聯(lián)網(wǎng)和線下學(xué)校培訓(xùn)機(jī)構(gòu)的多元合作，將成功模式復(fù)制至更多科技教育領(lǐng)域，成為國(guó)內(nèi)最優(yōu)秀的科技創(chuàng)新教育品牌。

3D打印技術(shù)為教育創(chuàng)新打開(kāi)了一扇窗，目前也有在不同學(xué)科領(lǐng)域內(nèi)使用3D打印機(jī)輔助教學(xué)的例子，例如在電子學(xué)學(xué)科制作設(shè)備外殼，在化學(xué)學(xué)科制作立體分子模型，在生物醫(yī)學(xué)學(xué)科制作病毒、器官、人工關(guān)節(jié)模型等[10]。

1 3D打印創(chuàng)新教學(xué)實(shí)驗(yàn)室在教育中的作用

3D打印技術(shù)能夠滲透到各個(gè)學(xué)科之中，幫助多個(gè)學(xué)科教師和學(xué)生在知識(shí)和技能、理論和實(shí)踐之間架起橋梁，豐富教師的教學(xué)方式，極大地調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。3D打印技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用，主要有教學(xué)教具、創(chuàng)新設(shè)計(jì)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作三種模式[5]，見(jiàn)圖1。三種模式相輔相成、相互融合，3D打印技術(shù)應(yīng)用在學(xué)科基礎(chǔ)知識(shí)教學(xué)的課堂中，教師和學(xué)生可以自主為課堂制作教學(xué)

圖1 3D打印在教學(xué)中的應(yīng)用模式

教具，教具制作的過(guò)程也鍛煉學(xué)習(xí)能力，為開(kāi)設(shè)創(chuàng)新設(shè)計(jì)課堂提供條件；學(xué)生在學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)室針對(duì)性設(shè)計(jì)的創(chuàng)新課程過(guò)程中激發(fā)了創(chuàng)新能力，提高了學(xué)習(xí)興趣；同時(shí)在完成學(xué)習(xí)任務(wù)過(guò)程中，往往需要相互幫助，團(tuán)隊(duì)協(xié)作，在這一過(guò)程中也提升了交際能力和團(tuán)隊(duì)合作能力。

3D打印創(chuàng)新教學(xué)實(shí)驗(yàn)室在教學(xué)教具、創(chuàng)新設(shè)計(jì)中所體現(xiàn)的作用又可分為教學(xué)目標(biāo)及內(nèi)容、教學(xué)工具和驗(yàn)證工具三種角色[5]，教學(xué)目標(biāo)及內(nèi)容即是3D打印技術(shù)所包含的三維建模技術(shù)、機(jī)械工程、分層制造技術(shù)、傳感器技術(shù)、以及新材料技術(shù)等專業(yè)知識(shí)作為教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)3D打印技術(shù)及使用3D打印機(jī)的過(guò)程學(xué)習(xí)到與自身專業(yè)相關(guān)的知識(shí)；教學(xué)工具即是3D打印機(jī)作為快速成型工具幫助需要建模做創(chuàng)新設(shè)計(jì)的專業(yè)的教師和學(xué)生快速實(shí)現(xiàn)他們的設(shè)計(jì)作品，并隨時(shí)調(diào)整和改進(jìn)；驗(yàn)證工具是指學(xué)生建模后通過(guò)將模型快速成型來(lái)驗(yàn)證模型是否合理以及實(shí)現(xiàn)模型的最優(yōu)化，充分打造了探究式學(xué)習(xí)環(huán)境，培養(yǎng)學(xué)生的自主思考和解決問(wèn)題能力。

3D打印創(chuàng)新教學(xué)實(shí)驗(yàn)室在團(tuán)隊(duì)協(xié)作下使3D打印技術(shù)為教與學(xué)提供了新的教授學(xué)習(xí)形式，將教師與學(xué)生的從教與學(xué)的關(guān)系，轉(zhuǎn)變?yōu)閳F(tuán)結(jié)合作的關(guān)系，使學(xué)生得到更多的動(dòng)手參與機(jī)會(huì)使得課堂理論與實(shí)踐緊密結(jié)合，更利于知識(shí)的吸收與運(yùn)用。教育工作者在構(gòu)思3D打印技術(shù)課堂的課程設(shè)計(jì)時(shí)，要巧妙地融入多做、多思考、多創(chuàng)新的思維在其中，以提升學(xué)生自主解決問(wèn)題和學(xué)習(xí)能力為方向，將3D打印技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)利用到最優(yōu)，讓學(xué)生在玩中學(xué),在與其他人協(xié)作中完成學(xué)習(xí)任務(wù)。

2 3D打印創(chuàng)新教學(xué)實(shí)驗(yàn)室及其應(yīng)用模式

2.1 3D打印創(chuàng)新教學(xué)實(shí)驗(yàn)室

3D打印創(chuàng)新教學(xué)實(shí)驗(yàn)室由3D打印設(shè)備、3D打印教學(xué)平臺(tái)和專業(yè)指導(dǎo)人員構(gòu)成,見(jiàn)圖2。

圖2 3D打印創(chuàng)新教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的組成

3D打印創(chuàng)新教學(xué)實(shí)驗(yàn)室主要采用與專業(yè)課程相結(jié)合的形式，為教師和學(xué)生創(chuàng)造自由創(chuàng)新的創(chuàng)客空間。3D打印設(shè)備給學(xué)生提供大量的實(shí)踐操作機(jī)會(huì)，教學(xué)平臺(tái)課程內(nèi)容覆蓋從打印機(jī)組裝到調(diào)試，從模型設(shè)計(jì)到打印等，學(xué)生參與并在專業(yè)指導(dǎo)人員指導(dǎo)下完成，在這個(gè)過(guò)程中將極大促進(jìn)學(xué)生動(dòng)手能力、思考能力和解決問(wèn)題能力。動(dòng)手能力是學(xué)生知識(shí)掌握程度的檢驗(yàn)，思考能力是學(xué)生自主動(dòng)腦思考思維的前提，解決問(wèn)題是學(xué)生以后職業(yè)生涯所需的重要能力[11-13]。3D打印創(chuàng)新教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的目的就是讓學(xué)生在掌握知識(shí)和培養(yǎng)動(dòng)手能力的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步鍛煉其研究能力和創(chuàng)新能力。

2.2 實(shí)驗(yàn)室包含內(nèi)容

3D打印創(chuàng)新教學(xué)實(shí)驗(yàn)室秉持“觸覺(jué)教育”、“創(chuàng)客文化”和“DIY”觀念，以3D打印設(shè)備、教學(xué)平臺(tái)和專業(yè)指導(dǎo)人員配備基礎(chǔ)設(shè)備，開(kāi)展項(xiàng)目?jī)?nèi)容包含教學(xué)科研、課堂融合、工程實(shí)踐、創(chuàng)新設(shè)計(jì)，搭建基礎(chǔ)設(shè)備[14]。3D實(shí)驗(yàn)室架構(gòu)見(jiàn)圖3。

“觸覺(jué)教育”即是學(xué)生從設(shè)計(jì)、制作、展示、參與等角度融入到學(xué)習(xí)過(guò)程中，將他們的創(chuàng)新設(shè)計(jì)變成實(shí)物[15]；“創(chuàng)客文化”是鼓勵(lì)學(xué)生學(xué)習(xí)針對(duì)性設(shè)計(jì)的實(shí)踐課程，在學(xué)習(xí)中激發(fā)創(chuàng)新思維，推動(dòng)創(chuàng)新精神和創(chuàng)造能力發(fā)展；“DIY”是指設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室教學(xué)課程中融合了更多學(xué)生動(dòng)手操作的環(huán)節(jié)，三者相結(jié)合使學(xué)生的動(dòng)手能力、設(shè)計(jì)能力和思維能力等得到全面發(fā)展和提高。

圖3 3D創(chuàng)新教學(xué)實(shí)驗(yàn)室構(gòu)架圖

2.3 實(shí)驗(yàn)室組成

(1) 3D打印設(shè)備。實(shí)驗(yàn)室的3D打印硬件設(shè)備包含3D打印機(jī)和3D掃描儀。3D打印機(jī)有開(kāi)放式打印機(jī)和框架式打印機(jī)兩種，既能滿足對(duì)3D打印機(jī)本身的研究，又能滿足3D打印功能的需求。硬件打印設(shè)備構(gòu)成了3D打印與3D掃描反求的閉環(huán)應(yīng)用，見(jiàn)圖4。

(2) 3D打印教學(xué)平臺(tái)。3D打印教學(xué)平臺(tái)的核心思想是以3D打印技術(shù)教學(xué)為基礎(chǔ)，以多學(xué)科融合的實(shí)踐應(yīng)用為方法，以提高創(chuàng)新創(chuàng)造力為目標(biāo)，平臺(tái)包括教學(xué)平臺(tái)、邊學(xué)邊做、遠(yuǎn)程監(jiān)控、資源共享等功能，包含3D打印基礎(chǔ)技術(shù)、3D建模、設(shè)計(jì)、實(shí)踐、驗(yàn)證等內(nèi)容。在學(xué)習(xí)3D打印技術(shù)的過(guò)程中，還涉及到多學(xué)科交叉的實(shí)踐課程，從不同方向激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，掌握所學(xué)知識(shí)，學(xué)會(huì)分析問(wèn)題與解決問(wèn)題的方法打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。主要內(nèi)容為：①教學(xué)平臺(tái)包含3D課堂教學(xué)、自定義教學(xué)課堂、遠(yuǎn)程教學(xué)平臺(tái)、師生交流專區(qū)、答疑專區(qū)；②邊學(xué)邊做包含3D打印模擬、3D打印在線、3D打印課程實(shí)踐等；③遠(yuǎn)程監(jiān)控包含3D打印機(jī)監(jiān)控、打印任務(wù)管理分配、設(shè)備調(diào)度等；④資源共享包含STL文件、G代碼和相關(guān)軟件下載、3D打印知識(shí)庫(kù)、3D創(chuàng)意模型。資源庫(kù)均開(kāi)源共享。

(a)開(kāi)放式3D打印機(jī)(b)框架式3D打印機(jī)

(c) 3D掃描儀

(3) 專業(yè)指導(dǎo)人員。3D創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室專業(yè)指導(dǎo)人員由不同學(xué)科背景的教師和博士生組成，包括機(jī)電學(xué)科、信息學(xué)科、材料學(xué)科等。其擁有深厚的技術(shù)積累，具有軟硬件一體化解決能力，還有強(qiáng)大的專家顧問(wèn)團(tuán)指導(dǎo)。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)專業(yè)指導(dǎo)人員均對(duì)3D打印技術(shù)研究有1年以上經(jīng)驗(yàn)，對(duì)3D打印機(jī)固件、控制系統(tǒng)、切片軟件、打印機(jī)組裝、維修、調(diào)試等均達(dá)到專業(yè)水準(zhǔn)。專業(yè)指導(dǎo)人員、3D打印設(shè)備及3D打印教學(xué)平臺(tái)相結(jié)合形成完善的與教學(xué)相融合的知識(shí)體系。同時(shí)在實(shí)驗(yàn)室營(yíng)造創(chuàng)客精神，在教學(xué)過(guò)程中，營(yíng)造創(chuàng)新創(chuàng)造氛圍。

3 實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用

以“武漢理工大學(xué)—英國(guó)伯明翰大學(xué)”智能機(jī)械聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室為基礎(chǔ)建設(shè)的3D打印創(chuàng)新教學(xué)實(shí)驗(yàn)室見(jiàn)圖5。實(shí)驗(yàn)室包括20臺(tái)開(kāi)放式桌面3D打印機(jī)， 5臺(tái)框架式3D打印機(jī)和三維掃描儀，能夠每次為40名學(xué)生提供創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)，同時(shí)可為學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)客提供服務(wù)支撐。學(xué)生參與積極性高，已培訓(xùn)300余名學(xué)生。

圖5 3D打印創(chuàng)新教學(xué)實(shí)驗(yàn)室

如機(jī)械設(shè)計(jì)課程中的基礎(chǔ)知識(shí)“平面四桿機(jī)構(gòu)”，傳統(tǒng)教學(xué)只能通過(guò)課本講解和畫二維平面圖的方式來(lái)理解。3D打印創(chuàng)新教學(xué)實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)此課程按照問(wèn)題引導(dǎo)、原理分析、邊學(xué)邊做、創(chuàng)新設(shè)計(jì)的步驟，首先由教師提出任務(wù)，學(xué)生分組討論對(duì)任務(wù)進(jìn)行分解分析，根據(jù)分析結(jié)果制作草圖，在教師指導(dǎo)下建成三維模型，然后打印出模型，這個(gè)階段需判斷模型是否合理可行，若不合理或方案不可行，學(xué)生則需重復(fù)任務(wù)分析，直至建立的模型合理可用。打印出合格的模型后，教師和學(xué)生進(jìn)行模型學(xué)習(xí)交流，彼此給出評(píng)價(jià)，最后教師根據(jù)課堂任務(wù)完成情況進(jìn)行總結(jié)，課程設(shè)計(jì)流程見(jiàn)圖6。

圖6 課程設(shè)計(jì)的流程圖

3D打印創(chuàng)新教學(xué)實(shí)驗(yàn)室建立了機(jī)械機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)課程，可展示曲柄搖桿、雙曲柄及雙搖桿等機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式和工作原理，并有動(dòng)態(tài)原理分析圖和三維模型，可根據(jù)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)模型進(jìn)行3D打印，讓學(xué)生在邊學(xué)邊做中理解機(jī)構(gòu)原理，見(jiàn)圖7。

圖7 桿長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)

圖8為學(xué)生通過(guò)3D打印自主完成制作的小賤鐘，巧妙運(yùn)用課堂上學(xué)習(xí)的機(jī)構(gòu)原理、電路控制、電機(jī)伺服以及計(jì)算機(jī)編程等知識(shí)，組建起具有自動(dòng)書(shū)寫和擦除時(shí)間重新再寫功能的小賤鐘，使學(xué)生掌握理論知識(shí)更加扎實(shí)，同時(shí)鍛煉了動(dòng)手能力，真正做到了理論與實(shí)踐相結(jié)合，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和自主思考能力得到了極大的提升。

圖8 學(xué)生自主完成的小賤鐘

4 結(jié) 語(yǔ)

3D打印在教學(xué)創(chuàng)新應(yīng)用中具有重要作用，構(gòu)建了知識(shí)與技能、理論與實(shí)踐的橋梁，可較大增加學(xué)生動(dòng)手機(jī)會(huì)和豐富教師的教學(xué)方式，3D打印創(chuàng)新教學(xué)實(shí)驗(yàn)室使得3D打印的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)成功地在教學(xué)中得到應(yīng)用，效果表明學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐后能快速準(zhǔn)確地掌握專業(yè)知識(shí)，學(xué)生的創(chuàng)新思維得到鍛煉，對(duì)學(xué)生獨(dú)立思考探索能力有大的提升。對(duì)于以后3D創(chuàng)新教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)提出以下建議：

(1)3D打印創(chuàng)新教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的建立對(duì)教育者提出了新的要求。在3D打印創(chuàng)新教育應(yīng)用中教師起著引導(dǎo)作用。既要制作特制的教具還需要設(shè)計(jì)課程實(shí)踐活動(dòng)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)知識(shí)的運(yùn)用和動(dòng)手能力，巧妙地將創(chuàng)新思維植入課堂中傳輸給學(xué)生，這需要教師具備較全面的3D打印知識(shí)及豐富的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)。

(2)3D打印創(chuàng)新教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)需要加強(qiáng)理論教學(xué)的深度融合和建設(shè)?！叭魏渭夹g(shù)都傾向于創(chuàng)造一個(gè)新的人類環(huán)境”，3D打印技術(shù)的出現(xiàn)亦是如此。隨著技術(shù)的進(jìn)步發(fā)展，全球教育領(lǐng)域正在發(fā)生著革命性變化，需要更加深入分析3D打印創(chuàng)新教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)理論，有針對(duì)性地加強(qiáng)對(duì)學(xué)生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)，這是我們能夠在未來(lái)世界科技競(jìng)爭(zhēng)中實(shí)現(xiàn)制造業(yè)趕超的根本保證。

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Application of 3D Printing Innovation Lab in Education

TANYue-gang，CHENZhang-nian，ZHANGFan，ZHOUZu-de，CHENYa-hui

(School of Electrical and Mechanical Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China)

3D printing technology has become the focus of the third revolution of science and technology, and gradually are applied to all walks of life. The application of 3D printing technology in the field of education is a bridge between the theory and the practice, and can enhance the innovation and creativity and change the traditional teaching mode. But compared with foreign countries, it still has a long way to explore the unique innovative capacity in the 3D printing teaching education. Based on the teaching application of the 3D printing innovation laboratory, the composition and implementation method of the lab are studied. According to the actual teaching effect, the innovation mode of 3D printing laboratory is discussed. The 3D printing innovation laboratory will become an integral part of innovation education which has a great significance to the education process.

3D printing; innovation education; teaching laboratories; teaching model; learning by doing

2015-11-25

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金(155204001)；湖北省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BAA018)；武漢理工大學(xué)教學(xué)研究項(xiàng)目(w2014004)

譚躍剛(1959-)，男，重慶人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向：3D打印技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用。

Tel.：15308656298；E-mail：ygtan@whut.edu.cn

G 424.31

A

1006-7167(2016)09-0246-04