3D打印：一种新兴的学习技术.docVIP

3D打印：一种新兴的学习技术 [摘要]3D打印是最近两年开始流行的一种快速成形技术，它以数字模型文件为基础，通过逐层打印的方式来构造物体。目前，已经有学者尝试将它应用于教学中，取得了一定成果。从文献研究入手，介绍了3D打印机的原理和3D打印技术的发展现状；呈现了3D打印在各学科教学中的创造性应用，并列举了三个典型案例加以剖析；进一步分析了其在学习环境中的角色、主要应用模式和创新性用法：最后讨论了目前3D打印应用于教学的前景、优势和不足。 [关键词]3D打印；学习技术；教育创新；教学资源 一、引言 3D打印（3D printing，又称三维打印）是一种快速成形技术，它以数字化模型为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式构造物体。由于其在制造工艺方面的创新，被认为是“第三次工业革命的重要生产工具”。3D打印技术早在20世纪90年代中期就已出现，但由于价格昂贵。技术不成熟，早期并没有得到推广普及。经过20多年的发展，该技术已更加娴熟、精确，且价格有所降低。目前，3D打印技术已经应用到许多学科领域，工程师和工业设计师利用3D打印将设计方案转换为原型并测试：外科医生使用3D打印制作器官模型以协助策划复杂的手术方案：考古学家和博物馆的技师利用3D打印制作珍贵文物的复制品，并在此基础上开展研究，这样的创新应用正不断进入大众的视野。 该技术的普及也引起了教育工作者的关注。《地平线报告》是美国新媒体联盟与美国高校教育信息化协会合作发布的教育领域最有普及潜力的新技术报告。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4-5年内普及。鉴于该项技术在教育方面的创新潜力和广泛应用的前景，本文将从文献分析入手介绍3D打印的原理和来龙去脉、教育应用情况和基本模式。并结合实际案例对其创新之处进行详细分析，总结出3D打印在教学中的角色以及应用模式。 二、3D打印技术的原理和发展现状 （一）3D打印机的原理 对于大多数人来说，提到“打印”，首先想到的是能打印文稿或照片等平面内容的普通打印机，事实上二维的喷墨打印技术和某些类型的3D打印在技术上确实比较接近。3D打印使用特制的设备将材料一层层地喷涂或熔结到三维空间中。最后形成所需的对象。所用设备即3D打印机（如图1所示）。3D打印机的精确度相当高，即便是低档廉价的型号，也可以打印出模型中的大量细节，而且它比起铸造、冲压、蚀刻等传统方法能更快速地创建原型，特别是传统方法难以制作的特殊结构模型。一般来说，通过3D打印获得一件物品需要经历建模、分层、打印和后期处理四个主要阶段，具体流程如图2所示。 1.三维建模 通过goSCAN之类的专业3D扫描仪或是Kinect之类的DIY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Blender、SketchUp、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.分层切割 由于描述方式的差异，3D打印机并不能直接操作3D模型。当3D模型输入到电脑中以后，需要通过打印机配备的专业软件来进一步处理。即将模型切分成一层层的薄片，每个薄片的厚度由喷涂材料的属性和打印机的规格决定。 3.打印喷涂 由打印机将打印耗材逐层喷涂或熔结到三维空间中，根据工作原理的不同，有多种实现方式。比较流行的做法是先喷一层胶水，然后在上面撒一层粉末。如此反复：或是通过高能激光融化合金材料，一层一层地熔结成模型。整个过程根据模型大小、复杂程度、打印材质和工艺耗时几分钟到数天不等。 4.后期处理 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。 目前，3D打印领域在具体实现打印的关键技术方面处于百花齐放的状态，各种技术相互竞争，它们之间的差异主要体现在打印机分层创建部件和应用材料方式上。例如，选择性激光烧结技术（SLS）和混合沉积建模技术（FDM）可以归为一类，它们是利用熔点较低的可塑性材料作为打印的“墨水”，通过热熔的方法来制造物品的：还有一类打印技术是直接用液体材料作为打印耗材，包括立体平板印刷技术（SLA）和分层实体制造技术（LOM）。通过光敏等方法使材料固化。以上的这些技术各自都有优势和不足，其适用领域有所不同，在实际应用中应该综合考虑打印的速度、成本、打印机价格等因素选择合适的解决方案。 （二）3D打印的发展现状 第一台商用的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CimaM.J.等人于1991年申报的关于三维打印专利为标志的。目前，在3D打印领域比较著名的公司有3D Syst