3D打印让课堂更精彩

摘  要：3D打印是一项颠覆传统生产方式的革命性技术，被誉为继蒸汽机、电脑、互联网后又一项伟大的发明。本文介绍了3D打印的基本概念、与传统制造业相比的优势、在未来课堂中的应用及国内外一些应用实例。3D打印技术将是未来课堂不可或缺的组成部分。

关键词：3D打印;未来课堂;

中图分类号：G623.5      文献标识码：A      文章编号：1674-3520（2014）-11-00-02

一、前言

教育技术与新技术的发展关系非常密切，对新技术在教育中的应用非常敏感。课堂教学中尽可能使学生接触最新的科学技术，增强学生适应社会发展和科技进步的要求。这就要求“现代教育技术”实验教学用的设备在有效生命周期内及时进行更新换代。3D打印是一项颠覆传统生产方式的革命性技术，被誉为继蒸汽机、电脑、互联网后又一项伟大的发明。3D打印技术对于教育的重要价值之一，在于它能够对于难以获得的对象进行更真实可靠的探索机会，而这样的机会对学生来说可能非常难得。将3D打印技术引入课堂教学用来培养学生的创造力和激励对知识的探究，是高新技术在课堂教学应用的探索和实践。3D打印技术将成为未来课堂不可或缺的组成部分。

二、3D打印技术简介

3D打印技术也叫增材制造技术或激光快速成型（LRP），原理是将计算机设计出的三维模型分解成若干层平面切片，然后把打印材料按切片图形逐层叠加，最终堆积成完整的物体。

堆叠薄层的形式有多种多样。有些3D打印机使用“喷墨”的方式。使用打印机喷头将一层极薄的液态塑料物质喷涂在铸模托盘上，此涂层然后被置于紫外线下进行处理。之后铸模托盘下降极小的距离，以供下一层堆叠上来。另外一种叫做“熔积成型”的技术，整个流程是在喷头内熔化塑料，然后通过沉积塑料纤维的方式才形成薄层。还有一些系统使用粉末微粒作为打印介质。粉末微粒被喷撒在铸模托盘上形成一层极薄的粉末层，然后由喷出的液态粘合剂进行固化。如今可用于打印的介质种类多样，从繁多的塑料到金属、陶瓷以及橡胶类物质。有些打印机还能结合不同介质，令打印出来的物体一头坚硬而另一头柔软。

三、与传统制造技术相比3D打印技术具有以下优势

优势1：制造复杂物品不增加成本。就传统制造而言，物体形状越复杂，制造成本越高。对3D打印机而言，制造形状复杂的物品成本不增加，制造一个华丽的形状复杂的物品并不比打印一个简单的方块消耗更多的时间、技能或成本。制造复杂物品而不增加成本将打破传统的定价模式，并改变我们计算制造成本的方式。

优势2：产品多样化不增加成本。一台3D打印机可以打印许多形状，它可以像工匠一样每次都做出不同形状的物品。传统的制造设备功能较少，做出的形状种类有限。3D打印省去了培训机械师或购置新设备的成本，一台3D打印机只需要不同的数字设计蓝图和一批新的原材料。

优势3：无须组装。3D打印能使部件一体化成型。传统的大规模生产建立在组装线基础上，在现代工厂，机器生产出相同的零部件，然后由机器人或工人组装。产品组成部件越多，组装耗费的时间和成本就越多。3D打印机通过分层制造可以同时打印一扇门及上面的配套铰链，不需要组装。省略组装就缩短了供应链，节省在劳动力和运输方面的花费。供应链越短，污染也越少。

优势4：零时间交付。3D打印机可以按需打印。即时生产减少了企业的实物库存，企业可以根据客户订单使用3D打印机制造出特别的或定制的产品满足客户需求，所以新的商业模式将成为可能。如果人们所需的物品按需就近生产，零时间交付式生产能最大限度地减少长途运输的成本。

优势5：设计空间无限。传统制造技术和工匠制造的产品形状有限，制造形状的能力受制于所使用的工具。例如，传统的木制车床只能制造圆形物品，轧机只能加工用铣刀组装的部件，制模机仅能制造模铸形状。3D打印机可以突破这些局限，开辟巨大的设计空间，甚至可以制作目前可能只存在于自然界的形状。

优势6：零技能制造。传统工匠需要当几年学徒才能掌握所需要的技能。批量生产和计算机控制的制造机器降低了对技能的要求，然而传统的制造机器仍然需要熟练的专业人员进行机器调整和校准。3D打印机从设计文件里获得各种指示，做同样复杂的物品，3D打印机所需要的操作技能比注塑机少。非技能制造开辟了新的商业模式，并能在远程环境或极端情况下为人们提供新的生产方式。

优势7：不占空间、便携制造。就单位生产空间而言，与传统制造机器相比，3D打印机的制造能力更强。例如，注塑机只能制造比自身小很多的物品，与此相反，3D打印机可以制造和其打印台一样大的物品。3D打印机调试好后，打印设备可以自由移动，打印机可以制造比自身还要大的物品。较高的单位空间生产能力使得3D打印机适合家用或办公使用，因为它们所需的物理空间小。

优势8：减少废弃副产品。与传统的金属制造技术相比，3D打印机制造金属时产生较少的副产品。传统金属加工的浪费量惊人，90%的金属原材料被丢弃在工厂车间里。3D打印制造金属时浪费量减少。随着打印材料的进步，“净成形”制造可能成为更环保的加工方式。

优势9：材料无限组合。对当今的制造机器而言，将不同原材料结合成单一产品是件难事，因为传统的制造机器在切割或模具成型过程中不能轻易地将多种原材料融合在一起。随着多材料3D打印技术的发展，我们有能力将不同原材料融合在一起。以前无法混合的原料混合后将形成新的材料，这些材料色调种类繁多，具有独特的属性或功能。

优势10：精确的实体复制。数字音乐文件可以被无休止地复制，音频质量并不会下降。未来，3D打印将数字精度扩展到实体世界。扫描技术和3D打印技术将共同提高实体世界和数字世界之间形态转换的分辨率，我们可以扫描、编辑和复制实体对象，创建精确的副本或优化原件。

四、3D打印技术在未来课堂中的应用

那么3D打印技术如何应用到未来课堂呢，关键在于通过3D打印技术可以将电脑里的虚拟物品转化成现实中的真实物品，并把它交给学生，让学生可以在现实中更直观的观察、研究。因此，通过3D打印技术显著的缩小了现实和虚拟之间的距离，当你需要什么东西的时候，打开电脑，找到它的虚拟模型，然后通过打印把它变成现实。

（一）3D打印技术可以通过以下方式应用到未来课堂。学习工程设计的学生可以用它打印出自己设计的原型产品，通过实物观察所设计的产品是否能满足外观和性能设计要求。学习建筑工程的学生可以用它方便的打印出自己设计的建筑实体模型，这种方法快速、低廉、环保，同时制作精美，既合乎设计者的要求，又能节省大量材料。学习考古学的学生可以用它来复制有考古意义的物品，方便进一步的观察，用3D打印替代品来保护原始作品不受环境或意外事件的伤害，同时复制品也能将艺术或文物影响更多更远的人。学习平面设计的学生可以用它来制作3D版本的艺术品。学习地理学的学生可以用它来绘制真实的地势图，人口分布图。学习食品加工的学生可以用它设计食物的产品造型。学习车辆工程的学生可以打印各种各样的实体汽车部件，便于测试。学习化学的学生可以把分子模型打印出来观察。学习生物学的学生可以打印出细胞、病毒、器官，和其他重要的生物样本。学习电路设计的学生可以将他们的电路板打印出来，并在他们自己的学习空间中寻找答案……。

（二）国内外3D打印技术应用实例

1、我国首家3D打印体验馆入驻京城。3D打印技术这个被英国《经济学人》杂志称为“将带来第三次工业革命”的数字化制造技术，可打印出飞机、赛车、手枪、巧克力、人体器官等。近日，在北京市科委的支持下，位于北京DRC工业设计创意产业基地开业的中国首家“上拓3D打印体验馆”则能够“克隆”一个真实的你，无论是头发、眉目还是肤色，都和真实的你相差无几。在“3D打印体验馆”里，不光是人物的三维扫描和人物模型的“打印”制作，一个易拉罐、一枚戒指、一个动漫玩偶、手机座、3D游戏里的人物角色、个性花瓶……只要是你能够想象到的东西或者现实中已经存在的东西，都有可能被3D打印机“打印”出来。更令人啧啧称奇的是，在上拓“3D打印体验馆”里还可以自己动手将自己的形象和其他三维形象结合，创造出专属的立体模型带走。依靠神秘的3D打印技术迪斯尼未来之家的神奇体验竟然得以实现。

2、上海市静安区青少年活动中心：3D打印机“打出”新创意。 2013年年初3D打印机“进驻”上海市静安区青少年活动中心的消息引来了众多好奇的学生，每到节假日，他们就纷纷来到活动中心，用它打印出自己设计的齿轮、机器人部件及各种其他的有趣设计。目前静安区青少年活动中心已经开始定期开设相关课程，学生可以免费学习三维设计和计算机辅助制造，通过打印自己设计的机械零件，培养自身的三维扫描能力、建模能力和打印能力。“这不仅能够更好地培养中小学生的设计创意、动手能力，而且还有助于他们更早地接受最新、最前沿的高新技术，进而对科技产生深远的兴趣”。

3、“3D打印将走进浙江中小学”。通过3D打印，可以准确、快速、完整地获取实物的三维数字信息，大家平常吃的蛋糕、穿的球鞋也能用打印机打印出来。” 浙江省3D打印产业联盟秘书长黄贤清说，早在今年年初，萧山中学、萧山二职、银河小学、汇宇小学等学校就开始使用3D打印，感受这项高科技。目前，在北京、上海、广州等一线城市，3D打印术已逐步开始在校园流行，不少学生还自发组成社团、实训队，涉足这一高科技领域。

4、在国外，迈阿密大学人类学专业的学生通过大学的3D打印实验室的复制品，可以触摸和研究像古埃及的花瓶这类脆弱的文物;哈佛大学和伊利诺伊大学厄本那香槟分校最近通过3D打印制造出如沙粒大小的为极小设备提供动力的锂离子微电池;爱荷华州立大学地质学专业的学生可以研究罕见的化石、水晶以及矿石的3D打印标本，这样不会对这些珍贵物品造成如何破坏。……。

五、结束语

3D打印目前还处于起步阶段，但它无疑已展示出了改变世界的惊人潜力。 如果你不了解3D打印，不妨想想电影《星际迷航》（Star Trek）里虚构的复制机。你给电脑下达指令，要它做出你想要的任何东西，然后这个东西就奇迹般地出现了。用今天科技界的话语来讲，就是从你的电脑向一台3D打印机上传计算机化的蓝图，接着那台微波炉或洗衣机大小、盒子形状的打印机就将塑料线或其他材料一点一点、一层一层地熔化，就像摞乐高（Lego）积木一样。最终通过固化，它便成为你想要的产品。人们通过3D打印成功了什么呢？从简单的小雕像到管道零件，现在每天都有很多东西在打印。真正的限制只在于人们的想象力。3D打印技术是制造方式和手段的革命化创新，代表着未来制造业信息化、智能化的发展方向，同时，也会使人们的生活和学习更加丰富多彩。

参考文献：

[1]国际教育信息化2013地平线报告（高等教育版）[J]北京广播电视大学学报，2013，（2）：22-25.

[2]新媒体联盟地平线报告（2014高等教育版）[J]北京广播电视大学学报，2014，（2）：22-33.

[3]迪·利普森，梅尔芭·库曼.3D打印：从想象到现实[M].，赛迪研究院专家组译.北京：中信出版社 2013

[4]李建荣.我国首家3D打印体验馆实现全“克隆”[N]. 科技日报 2013.1.21

[5]臧莺.静安青少年活动中心：3D打印机“打出”新创意[EB/OL].http：///zhuanti/xinwenzhuanti/2013expo/2013expo_qxld/2013/04/13/506889.html

[6]孙寅乔、王红梅.3D打印将走进浙江中小学 [EB/OL]. http：//fashion.hangzhou. com.cn/ltrt/content/2014-05/04/content_5267711.html

作者简介：彭亮，男，湖南衡阳人，青海广播电视大学教务处讲师，研究方向：计算机技术应用。

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