增材制造技术在高职铸造教学中的应用探索与实践

第一篇：增材制造技术在高职铸造教学中的应用探索与实践

增材制造技术在高职铸造教学中的应用探索与实践

摘 要：3D打印技术（又名增材制造技术）是一项日趋成熟的数字化成型技术，许多行业积极发展3D打印技术的结合利用。本文概述了3D打印技术及其在教育教学中的应用现状，分析了铸造专业特点和3D打印技术应用于铸造教学的作用，以教学实例的方式探索了3D打印技术融入铸造实践教学的方式方法。

关键词：3D打印；铸造实训；识图；教学

《教育部党组关于教育系统学习贯彻总书记教师节重要讲话精神的通知》中指出，引导支持广大教师“善于运用新技术提高教学设计、教学实施、教学评价的专业能力”、“始终为学生提供最有效的指导和最好的教育”。笔者在高职铸造教学中进行了增材制造技术的应用探索与实践，有效解决了高职铸造学生在校学习积极性不高、教师教学效果不好的问题。

一、研究意义和背景

铸造是一门工程性很强的专业。在学习机械制图、材料成型原理等理论先修课程时，需要很多实体的教具（如机械零部件或模型）来进行演示，而实际上很多学校由于经费的原因，教具数量极为有限且更新慢，使教师在讲解知识时有无米之炊的尴尬。在进行砂型铸造生产实训、特种铸造生产实训等实践课程时，铸造实训车间工作环境较差，使铸造专业的学生产生一种失落感，学生的学习积极性受挫。通过丰富教具和教学形式，可以有效解决上述环节的困境。

3D打印技术起源于上世纪八十年代，经过三十年的发展，这项快速成形技术取得了长足的发展，能够利用多种材料打印出精度较高的产品，开始在各个行业发挥作用。近年来，3D打印已成为一项热门的技术，在全世界范围内掀起了一场3D打印的学习和应用热潮[1]。为了激发学生的学习兴趣，调动学生的积极性，增强学生的动手能力和创新思维，许多发达国家已经进行了3D打印技术应用于教育事业的探索，欧美一些学校设立了3D打印相关教育基金，购买3D打印设备开展教学试点。在我国，3D打印技术也于近几年走进了校园，部分学校开始有了3D打印相关课程[2]。随着3D打印技术的学习和应用热潮日渐升温，该技术必将得到不断提升，其设备与打印材料的价格必然呈逐渐降低的趋势，为3D打印机走进越来越多的校园，走向课堂创造了现实条件。

二、探索与实践

3D打印区别于传统的“模具―毛坯―机加工”等模式的“减材制造”技术，通过材料的逐层堆积方式来构造物体，又被称作“增材制造”技术，它以数字模型文件为基础、粉末状金属或塑料等可粘合材料为打印原料，具有节约材料、高效率和自由化设计等优点，被称作是一项革命性技术，是“第三次工业革命”到来的重要标志[3]。

目前，主流的3D打印技术有：熔融沉积造型技术（FDM）、光固化立体造型技术（SLA）、薄材叠层成型技术（LOM）、选择性激光烧结技术（SLS）、三维喷涂粘成型技术（3DP）等，其中FDM技术，操作简便，生产成本低，应用最为广泛。[4]

1.3D打印在机械制图中的应用

机械制图作为铸造专业的先修课程，目的是使学生增强识图制图能力。识图制图能力的增强依赖于多看、多想以建立空间思维，这就要求学校拥有足够数量的教具，如各类金属零部件、塑料模型等，而许多学校由于教学经费的限制，拥有的教学用模型数量有限，特别是复杂零部件模型（价格较贵）很缺乏，且很少更新。教师只能利用少量的简单模型进行讲解，大大限制了学生识图能力的提升。在工作后遇到的零部件图纸各式各样，有很多会比较复杂，铸造专业的学生往往难以很快适应。

3D打印的一大优势就是可以快速地打印出形状与结构复杂的模型，若选择合适的材料，打印成本也较低。如果将3D打印机引入课堂，可以在低成本的条件下，大大丰富教具的种类和数量，并且可以随时增补新式零部件模型，可极大提升学生的见识和空间想象力，使学生将来进入工作岗位后能够快速适应，同时也使教师讲课时有更多的、更复杂的教具辅助，事半功倍。

2.3D打印在特种铸造生产实训中的应用

无论是砂型铸造生产实训、特种铸造生产实训，为了验证学生工艺设计质量，都应该先制造出学生工艺设计的模样，然后才能进行造型、浇注。但这无论是从时间还是经济上讲都是难以实现的。以下是结合了3D打印进行的新型特种铸造生产实训流程图。

如图1所示，当学生进入铸造生产实训阶段后，首先由教师布置生产任务，向学生讲解任务大致流程，学生自由组合成立研究小组，分析任务产品特点，完成铸造工艺方案的制定。学生在教师的辅助下完成3D打印机软、硬件学习，开始产品试制，通过三维建模导出STL格式文件输入3D打印机，打印出3D模型，以三维模型的尺寸为基准对3D打印模型进行尺寸检测，若合格则进入熔模铸造后续流程，若不合格，分析尺寸超差的原因，返回上一步，对三维模型进行检查、对3D打印参数进行调整，再次打印模型。利用合格的3D打印模型进行熔模铸造生产，得到铸件，对铸件进行尺寸和缺陷检测，合格则得到铸件成品，不合格则利用检测数据对铸件结构和铸造工艺进行优化，用优化后的方案返回到三维建模步骤进行产品再试制。

以上流程中通过3D打印技术的引入免去了模样的加工周期，进行该试生产的时间可缩短为2至4周，与高职院校铸造生产实训周期较为吻合；又省去了制作模样的费用，节约了成本。

3.3D打印技术融入铸造教学的其他积极作用

3D打印技术给铸造领域注入了创新动力，各地、各院校可以利用铸造与3D打印技术相结合开展创新创业活动，如基于3D打印技术的新型铸造工艺方法设计比赛和铸造工艺品创意制作比赛等，为学生积极创造实战机会，提高学生理论联系实际及开拓创新的能力，同时通过竞赛与奖励的方式提升铸造专业学生的行业荣誉感。

三、结束语

在理论教学中引入3D打印，实现了教师教具的极大丰富，教学效果得到改善，学生识图水平显著提高；在铸造生产实训中引入3D打印，加强了学生在实训教学中的主动参与度，挖掘了学生自主分析、专研的能力和兴趣。学生成立了研究小组，进行了产品试生产，不仅使其切身体会了铸造生产的真实流程，得到了“岗前培训”，而且培养了团队协作精神。迎着3D打印技术的发展热潮，各教育机构应该积极研究并扩展3D打印在多学科教学上的应用范围，利用此类人工智能化技术为教育教学带来更多革新性的变化。

参考文献：

[1]傅骏，王泽忠，方辉.3D打印技术及其在铸造中应用现状与发展展望[J].中小企业管理与科技，2014（9）：299-300.[2]朱阁，莫蔚靖.3D打印技术在教学中的应用与探索[J].价值工程，2015（32）：178-181.[3]童宇阳.3D打印技术在中小学教学中的应用研究[J].现代教育技术，2013，23（12）：16-19.[4]王嘉.3D打印技术及其发展现状[J].包头职业技术学院学报，2015，16（2）：18-20.（作者单位：曾舟：四川工程职业技术学院，四川大学；傅骏：四川工程职业技术学院，四川大学；吴代健：四川工程职业技术学院；蔺虹宾：四川工程职业技术学院）

第二篇：逆向设计在高职“模具设计与制造”教学设计中的应用

逆向设计在高职“模具设计与制造”教学设计中的应用

摘要：对“模具设计与制造”课程，可以结合模具相关职业岗位需要，运用逆向思维进行教学设计，在具体项目的引导下，建立以典型模具设计与制造过程为导向的项目化教学体系，将项目的内容设置成任务，通过项目任务的“教学做”调动学生自主学习的积极性，培养学生的实践能力、独立分析问题和解决问题的能力，突出实践教学的重要性，并为本课程进一步的教学改革提供理论依据。

关键词：逆向设计；高职；模具设计与制造；教学设计

中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1672-5727（2014）05-0108-02

“逆向设计”（Backward Design）也叫“逆向教学设计”，指一种运用倒推思维、逆向思维来设计课程的教学活动。美国著名课程与教育专家格兰特（Grant Wiggins）提出了课程的“逆向设计”模式，其目的是使课程教学设计成为培养学生实际应用能力的工具。课程的逆向设计实质就是在明确人才培养目标的基础上，根据人才培养目标进行课程的应用技能设计。它的整个设计过程分为：确定达到的技能目标和创造能力目标，确定如何证明学生实现了预期的目标，安排各种教学实践的机会进行具体的实施。

“模具设计与制造”课程的逆向设计实质就是在明确人才培养目标的基础上进行课程的应用技能设计。应通过工学结合，建立“教学做”合一的一体化课程，构建基于工作过程的高职模具专业逆向设计，从企业实际工作任务出发，在模仿真实工作环境的实习基地的支持下，使学生循序渐进地学习各门课程的过程成为符合或接近企业工作过程的过程。

课程内容的优化

我院“模具设计与制造”课程的教学设计坚持以服务“三农”为宗旨，面向长三角经济区域，依托江苏沃得集团等大型现代加工制造业，积极开展校企合作，从企业工作岗位中提取工作任务，再转换成学习任务，最后设计成整合的工作任务作为项目课程的内容，将课堂引到车间、工厂，积极引导教师将教学与生产实践相结合，倡导职业教育在做中学，在学中做，从而让学生能多动手，多实践。

因此，课程的核心内容必须体现职业岗位的需要，应以模具相关职业岗位技能要求进行科学设计，并充分体现企业真实的工作情景。通过对模具企业的调研，高职毕业生从过去的以模具设计为主转变为只有少数人在模具设计岗位上，而更多的是在模具制造及生产一线岗位、模具管理等岗位上。结合就业岗位的需要，把“模具设计与制造”课程内容项目化。下页表1为依据的4个模具工作岗位分析得到的对应岗位主要工作任务、能力素质目标、教学项目。由于课时的限制，可以根据实际情况灵活确定具体教学项目的内容和数量。

逆向设计教学法的实施

我院“模具设计与制造”课程的教学设计研究小组以完成岗位任务应具备的综合能力作为进行课程教学设计和界定课程教学内容的依据。课程教学设计以能力培养为主线，以能力训练为轴心，将相应的实训课程部分和理论课程部分进行重新整合；建立新的岗位能力目标考核评价体系和相应支撑课程教学设计，并以岗位能力的需要作为考核内容，在总结实际教学经验的基础上重新设计了课程的教学过程。这一教学过程的特点是：首先，明确学习目标（熟悉模具结构，模具加工与设备操作）；其次，企业的专业人士和校内专任教师，在企业或实训工厂通过情境教学和独立操作，让学生现场观摩、操作，在课堂上利用现代教学手段（多媒体课件、专题录像等）进行教学，让学生了解模具的结构与基本装配关系，对模具形成深刻的感知认识；第三，在机房将学生分成几个小组，每个小组6人左右，利用教师提供的正确模具图纸，用UG等三维软件画出模具装配图，并编写主要模具零件的加工工艺，每组合作完成一套模具的制作；第四，教师补充模具设计的相关知识并辅导每组学生设计一套模具；第五，在实训基地，由教师进行以具体模具加工为目标的生产性实训教学，使专业知识学习与岗位职业技能训练一体化，学习空间与工作现场一体化。

课程团队从模具设计与制造领域高职学生的认知规律出发，让学生在具体的情境中积极主动地完成具体的学习任务。在教学方法运用上始终坚持以学生为主体，通过与课程内容紧密配合的教学活动（讨论、实际操作等），丰富教学内容，调动学生学习的兴趣，激发他们的学习热情和互动交流意识。

教学资源

本课程的教学设计研究小组成员由支持专业建设和课程改革的系部领导，具有丰富理论和实践经验的专业骨干教师，以及专业理论扎实、勇于探索的青年教师组成。教师团队年龄结构、学历结构和知识结构均合理。目前，学院已建成了能够满足本专业综合实训的真实或仿真职业环境的实训室：模具拆装实训室、数控加工实训室、机械加工实训中心、模具钳工实训车间、CAD/CAM中心。我们的模具制造实验室设备包括数控铣床、数控车床、加工中心、平面磨床、外圆磨床、摇臂钻床等普通加工机床，还包括电火花成型加工机床、电火花线切割机床等特种加工机床。

本课程拥有南京聚隆工程塑料有限公司、南京聚锋新材料有限公司、南京湘宝钛白制品有限公司、上海日之升新材料有限公司和南京金浦集团金陵塑胶有限公司等16个校外实训基地，拟建南京金城塑胶有限公司、江苏琼花集团、南京菲时特管业有限公司等3个校外实训基地。

“模具设计与制造”课程逆向设计改革，以岗位能力考核为目标，操作实施在真实的岗位上，激发学生职业意识，从而初步完成学生→学徒→职业人角色转化，为进一步实现高技能人才的培养打下基础。课程教学的改革应体现职业岗位的能力要求，课程教学的“逆向设计”理论紧密结合岗位职业群定位和岗位能力，让学生通过观察、思考去发现问题，继而产生解决问题的欲望，并通过自己的动手操作，完成任务，解决问题，从而获得成功的喜悦，树立自信心，促进学生之间相互交流，培养和增进合作能力，改进和完善专业课程设置、教学形式和专业人才培养模式，并为课程教学总体设计的进一步改革提供理论依据。

参考文献：

[1]唐田秋，张蓉.任务驱动在“模具制造工艺学”实验教学中的应用[J].中国电力教育，2012（31）：105-106.[2]肖平，肖军民，黄智.“级进模制作与设计”课程的项目化教改探索[J].机械职业教育，2013（1）：53-55.[3]黄晓燕《.模具CAD/CAM》精品课程的建设与实践[J].成都电子机械高等专科学校学报，2007（1）：31-33.（责任编辑：谢良才）

第三篇：多媒体技术在课堂教学中应用的实践探索

多媒体技术在课堂教学中应用的实践探索

龙泉中学 毛涛

现代科学技术的迅速发展，不断冲击和推动教育事业的改革，21世纪的科学技术和教育技术的发展，使人们认识到现代教育技术的应用与推广，在现代化的人才培养中起着越来越重要的作用。教育手段和方法的更新是教学改革中的一项重点工程。而多媒体的应用突破了传统教育手段和方法的束缚，整个教学活动呈现出全新的面貌。因而，能否恰当灵活的运用多媒体进行教学已成为衡量教学成败的一个重要指标，所以如何使用多媒体来提高教学效果就成了教学改革的研究热点。

我们知道，传统的教学方法是黑板、粉笔和教师不厌其烦的灌输，学生和教师之间的交流的媒体简单，学生学习起来吃力，教学活动也显得枯燥乏味。现在的电化教学打破了传统的教学模式，它采用多媒体语音设备将录音、录像、投影、DVD、教学软件播放机甚至包括计算机等多种教学媒体集中于一体，由教师根据不同课型的要求，灵活机动地运用相关的媒体进行教学实践活动。多媒体教学充分利用声像信号，使教学活动更加富有乐趣，在教学中学生们有身临其境之感，学习兴奋点得到多方面的刺激，这样既增强了他们的学习兴趣和积极性，又大大提高了教学质量。

一、多媒体的应用对我们课堂教学的意义

1、提高教学效率。

一方面，多媒体的使用可以大大提高作为重要教育资源的教师的价值。例如在英语课上，我们可使用录像、VCD等视听媒体将教师从重复讲授的环节中解脱出来，这样教师就可将宝贵的时间、精力和智慧分配到解决问题和创新研究上来。

另一方面，多媒体可以减少学生的被动等待，增加了学习机会，并可将被动学习转化为主动学习。如政治课与物理、化学等其他课程相比没有实验，因而学生直接参与教学过程的机会不多，仅有的课堂学生发言也只是少数同学的事，多数同学上课习惯于被动地听老师讲授，学生的主体作用难以发挥，而多媒体课件具有较强的人—机—人的交互作用，这种交互作用可以使学生充分地参与教学活动过程，使学生由被动变为主动，学生成为学习的主人，这样就可以大大提高学生的价值，这正是现代素质教育的要求。

2、提高教学效果

运用多媒体课件组织教学，可以优化课堂教学过程，增强课堂教学效果。例如，在数学课“平行四边形的面积”一节中，如果教师单纯用语言描述平行四边形的面积同矩形的面积相同，从而得出S平=底X高，学生可能要问为什么，而且对于这个公式也只能去死记硬背，这样达不到很好的教学效果。而运用多媒体课件来让学生观察平行四边形通过分割、添补的动画效果最终成为矩形的全过程，那么学生就很容易的理解为什么S平=S矩，这样学生对平行四边形面积的公式也会记得扎实牢固，从而提高了教学效果。

二、多媒体在教学中应用的几种形式

1、教学演示多媒体

在传统的以教为中心的教学模式中，多媒体主要用于教学内容的演示。所谓教学演示是指根据教学计划和大纲要求，采用多媒体的表现方式，将教学的主要内容、材料、数据、示例等呈现在特定的显示设备上，以辅助教师的讲解，从而达到知识的高质量的传播。在一机多人的多媒体教室里，教师通过多媒体和电子投影仪的结合，将教学内容的重点、难点以图片、活动图像或自制动画的方式表现出来，有利于学生的理解和接受，从而达到知识的有效传播。

2、交互式教学

于计算机多媒体技术及网络技术的发展和进一步融合，学生既可以通过多媒体课件进行个人自主学习，也可以借助于网络资源进行协作式自主学习。这两种学习方式具有共同的特点──都是一种双向的交互式学习方式。

多媒体和网络技术由于能够提供图文声并茂的多种感官的综合刺激机，非常有利于情境的创设和保持，界面友好、形象直观，而且还按照超文本、超链接方式组织管理学科知识和各种教学信息，提供丰富多彩的人机交互方式，学生可以得到立即反馈，了解自己学习的结果，从而调整以后的学习方法或学习程序。这种交互式学习有利于激发学生学习兴趣，发挥学生的认知主体作用。

3、现代远程教学

所谓现代远程教学主要指基于计算机网络的开放式教学系统。网络传播模式的出现，使得用于单个计算机的多媒体课件可以发布到广阔的网络空间，形成网络课程。通过网络课程的开设，学生可以不分年龄大小，不拘泥于固定的时间、空间按需进行学习，即根据自己的需要和当前水平选择不同学校、不同的教师，在自己合适的时间内进行学习。所以，基于计算机网络的传播方式，将成为教师和学生之间的更为便利、更为广阔的学习交流方式。同时，也是实现知识经济中的终身学习的一种重要方式。综上所述，我们可以看到应用多媒体进行教学是非常必要的，那么我们如何将多媒体应用到教学中呢？

由于所教学科不同，所以在多媒体的选择和应用上也有所不同，不是所有的学科都能通过运用多媒体来达到教学效果，同一门学科也不是每节课都必须用多媒体课件进行讲授。多媒体只是一种教学辅助工具，所以我们也应在适时、必要时才使用它。那么，在教学活动中如何适当应用多媒体才能取得最佳效果呢？我总结了以下几点：

1、用于导入新课，唤起学生求知方面的好奇心。

在教学中，往往所学新课的内容同上节课的知识毫无联系，这就给我们在导入新课这一环节上带来了不便。如在微机课教学中，由于每一节课的内容都是一些操作问题，而且各个操作问题之间都没有联系，这样我们就无法用上一个问题来引出下一个问题。这时我们就可以将用相关的新知识制作好的多媒体课件展示给同学们，让他们通过观察课件来发现新知识、新内容，从而引出新课。

2、用于显示过程，使抽象知识具体化、形象化。

有些学科的概念比较抽象，不易理解，而且有些知识又无法用语言叙述清楚，又不能提供真实事例展示在学生面前。例如，在高中化学第一册“原子核外电子的排布”一节中，“电子云”概念就不好理解，通过教师讲解学生只能知道它是原子核的运动特征，但究竟按规律能不能形成电子云及电子云的形状对于学生来说还是一个疑团，教师的讲解对于他们来说也没有什么说服性。这时我们就可借助电教手段，通过类比、模拟建立一个声、光、色、形于一体的形象化模型，从而使学生形成很深刻的印象。

3、用于强化重点、突破难点，使学生听懂学会，体验成功感。

一节课上得好坏、成功与否，很重要的一个方面就是看有无突出教学重点、突破教学难点。而许多学科仅借助于传统的教学手段是很难达到目的的。例如在生物课教学中，许多生命现象、生理活动往往作为一个抽象概念来讲授，学生学习时缺乏感性认识，因而枯燥无味，造成对某些知识学习的困难，但生物的生命现象及生理活动又是所学的重点和难点。这时我们就可使用多媒体课件来突破传统教学不能解决的问题，使抽象概念形象化，使枯燥内容生动化，激发学生浓厚的兴趣和想象力，既降低学习难度，又突破了重、难点。

4、用于激发学生的学习动机，增强学生学习的主动性、积极性。

有些学科在教材中有大量的概念和原理，这些内容用传统的教学方法去讲解很枯燥，甚至会逐渐削减学生的学习兴趣。如在法律课中有大量的概念和法律条文，这些法律条文学生学起来很枯燥，我们可以通过图像或动画模拟法庭的审案过程，动态地演示要求学生掌握的条文和概念，并利用课件的互动性让学生参与审案过程，这样即 达到了授课的目的，又激发了学生的学习动机，变被动接受为主动学习。

总之，通过大量的调查研究我们发现多媒体的适当使用，节省了教师的讲授时间，使学生有更多的时间用于练习和巩固，这样不仅减轻了学生的学习负担，完成了教学任务，也大大提高了课堂教学效果。但多媒体使用时受多方面因素影响，我们除了要考虑以上几方面，还要适当考虑教师素质、教学环境、教学设备等问题。如果不考虑实际情况，生搬硬套地使用，不仅不能取得良好的教学效果，还会增加教师的负担，使多媒体教学流于形式而难以取得实效。

第四篇：3D打印技术在教学中的应用与探索

3D打印技术在教学中的应用与探索

摘要：随着3D打印技术的日益成熟，以及其在各行业和领域极具潜力的革命性应用，如何普及3D打印并为社会培养专业的3D打印人才是当前学校教育的一个重要课题之一。本文分析了3D打印分别在不同教学阶段的受众特点，针对大、中、小学总结出不同的教学目标和教学方法，提出了一个全过程的3D打印教学体系和培养方针。通过具体案例，本文指出可以将3D打印融入主流课程的教学实践当中，服务和提升已有课程的教学水平。最后，本文总结了3D打印在教学实践中可能面临的问题和解决方案，为有效开展3D打印在各阶段的教学提供了理论指导和实际建议。

Abstract： With the increasingly mature of 3D printing technology，as well as its application in various industries，how to popularize 3D printing and cultivate professional 3D printing talents for the society is an important task of the current school education.This paper analyzes 3D printing audience characteristics in different stages of teaching，sums up different teaching goals and teaching methods respectively for college，middle school and primary school，and puts forward a whole process of 3D printing teaching system and cultivation guidelines.Through the specific case，this paper points out that 3D printing could be included in the mainstream curriculum teaching practice to serve and enhance the level of existing teaching.Finally，this paper summarizes the problems and solutions of 3D printing teaching practice，provides theoretical guidance and practical advice for effectively carrying out 3D printing in every stage of the teaching.关键词：3D打印；技术创新；教学方法；人才培养

Key words： 3D printing；technological innovation；teaching methods；cultivation of talents

中图分类号：G40-057 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）32-0178-04

0 引言

发达国家已经开始探索3D打印技术对教育的影响，并成立了相关的项目用以促进3D打印技术与教育的融合，从而培养出适应现代设计、制造潮流的人才，从而提高自身的竞争力。新媒体联盟（New Media Consortium，NMC）在2013年地平线报告中提出，3D打印是未来四到五年内值得关注的新技术，它将带来教学、学习和研究领域的创新[1]。英国教育部已经选取多所小学作为试点学校，设立相关的基金，为学校购买3D打印机，并对教师进行相关培训，此外，还开设3D打印的相关课程作为学生的手工课。学生可以通过电脑建模，打印自己所喜欢的模型[2]。欧洲的一些国家也进行了3D打印的相关教学调研，如“未来教育与学习”（LIFE）项目，对欧洲7国的师生进行调研，以获得3D教学对学生课堂的专心度和学习成绩的影响[3]。希腊在两所高校开始初步试验将3D打印作为学习手段的教学方法[4]。美国STEM教育中的STARBASE Minnesota是对学生提供STEM训练的教育项目。该项目通过引入3D打印的支持，使学生能通过CAD软件自行设计相应课程的模型，并进行实际的测试和分析。该课程项目能极大地调动学生的积极性，使枯燥的数学分析亦能激发学生的兴趣[1]。此外，还有一些职业学校的项目，如PlayMaker。该项目围绕着3D打印技术这一核心的课程，学生可以设计、打印和验证模型的物理理论。

较之国外而言，国内3D打印的普及和教育仍处于起步的阶段。国家当前十分重视3D打印技术和应用的发展，例如我国科技部已将3D打印技术纳入国家863计划，各地学校也开始进行有关3D打印课程的试点。3D打印发展现状以及学校教育的可行性

目前3D打印机的成本及其打印材料、质量、时间等都是制约3D 打印在学校教育中普及的因素。解决好这些瓶颈能更好地促进教学和研究的发展，为探索教学新方向提供有效的方法。

1.1 3D打印机成本 3D打印机的成本一直是制约3D打印发展的瓶颈。3D打印机的售价从几千元到几十万元不等。为了降低3D打印机的成本，许多公司已经着手相对廉价的3D打印机的研发。据报道，有些公司已经开始抢占教育行业的市场，推销千元以下的3D打印机。随着3D打印机的成本进一步降低，其普及将不再是难题。

1.2 3D打印的材料 另一个制约3D打印普及的瓶颈是耗材。目前的3D打印可以支持多种打印材料，如热塑性塑料、尼龙、合金、金属粉末、石膏、陶瓷、可食用材料、光敏树脂等。虽然3D打印支持多种类型的材料，但不同的材料需要相应打印设备的支持，此外打印材料的价格也并不便宜。目前的教学研究中使用较为普遍的是PLA（生物降解塑料聚乳酸，Polylactic Acid）材料和ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯，Acrylonitrile Butadiene Styrene Acrylonitrile Butadiene Styrene）。一千克的PLA或ABS耗材的市场价格为60元左右。随着材料的进一步改进和研发，生产技术的发展和生产厂商的增加，普通耗材的价格将慢慢降至教学可接受的范围内。

1.3 3D打印的质量 在打印模型的过程中，有时会由于机器本身或环境的问题，导致打印的质量并不理想，成品率一般在30%-50%左右，甚至更低。其中廉价的3D打印机也是使成品率降低的原因。种种原因将不利于教学实践和教学研究的使用。随着3D打印技术将不断改良和创新，打印质量会随之而提高。

1.4 打印时间 打印时间长也是一个亟待解决的问题，现在的3D打印时间普遍偏长，阻碍了教学实践以及教学研究的发展。据报道，现下最新研究的3D打印技术CLIP（Continuous Liquid Interface Production）的打印速度是旧式打印的几十倍以上，其打印出的物体表面也十分光滑，完整。这项技术若能普及，将弥补3D打印时间长的缺点。3D打印在不同教育群体中的教学分析与探讨

在3D打印的教学上，学校应该在3D打印的课程进行细致、深入地规划，推行多方向、多环节的主题学习。学生通过探索、想象、实践等环节的学习后，将激发想象力以及提高学习效率与兴趣。结合不同时期学生的学习方向，学生在各阶段的进程和方向上都有所侧重，进程如图1所示。

2.1 小学教学 以“感性认识”与“培养想象力”作为小学教学的方向。这一阶段的学生，发散思维力强，想象力丰富，活泼好动，接受新鲜事物的能力强。

结合以上的特点，每个小学单位至少配备一台以上的3D打印机。设置的3D打印课程应该“浅入浅出”。所谓的“浅入”，就是用生动活泼、浅显易懂的语言对3D打印的原理和3D打印机进行简单的介绍，让学生在感性上对3D打印有初步的认识，对打印原理、设备以及应用范围有个大致的了解。“浅出”就是通过做些有趣味性、引发联想、充分结合课程的简单小实验、小制作来加深学生对3D打印的认识和理解。此外，学校不能一味地使用强制性的考试、规范化的实验对学生进行应试教育，而应使用更自由、轻松的教学方式以提高学生的兴趣，使学生产生成就感，形成教学的良性循环[5]。3D打印课程的目的是将3D打印作为学生通往兴趣爱好的一座“桥梁”，而非仅作为一门来自于课堂又终结于课堂的课程。

在教学上，可以根据学校自身的特点、专家的研究等设计小实验、小制作。课程的核心必须是以拓展学生的思维、引导想象力为主，目的是要激发学生的想象力和兴趣、培养其思维能力。

2.2 中学教学 以“想象力和实践相结合”作为中学教学的方向。这一阶段的学生，发散性思维的能力与接受新鲜事物的能力依然很强，有一定的知识基础和逻辑思维能力。在小学阶段，学生有异想天开、天马行空的想法，在中学阶段，开设的3D打印课程应该有意识地引导学生的想象力，将想象力与实践结合。在数学、地理、生物等科目可以结合3D打印课程进行科目的交叉与融合。应该让学生在已有的认识基础上，加深对三维空间的理解，并且能简单地掌握建模软件如Auto CAD的操作，能进行简单或者相对复杂的建模。

在中学教学中，学生已经学习到地理、物理、生物、化学等学科。在现阶段的中学教学中，教学道具仍然匮乏，尤其在经济不发达的地区，更是如此。教师基本无法使用道具进行演示，只能利用课件、播动画和视频来替代。学习知识不应该和活动情景分离而独立抽象存在[5]，在情境中学习，与社会实践活动结合起来的学习将有利于学习的横向拓展和纵向深入。3D打印不受图形限制，可以打印出结构复杂的教学模型，教师将内部认知结构可视化，化抽象为具体，化复杂为简单[6]。理工科的课程中，实体化、可拆卸与装配、可运动的教学道具更能激发学生的兴趣和想象力。在制作个性化、非大批量的教学道具中，可以很好地利用3D打印的打印能力。

2.2.1 3D打印在地理课程中的应用 在地理课程的学习中，应用到大量的实体模型。实体模型能培养学生视空间能力，如教师可以打印出可运动的太阳系模型（其中包含可拆卸的太阳、水星、金星和地球等模型），在不同节气改变地球的位置；可以打印出不同时间段物体或现象的标志性状态的模型；也可以打印出可拆卸的房屋模型，用以演示地震对房屋的破坏；或者打印天气现象的运动模型，用以表现气旋、冷锋、暖锋等天气现象的运动；再比如使用模型层层分离的展示方式，展示不同地带的地形地貌、山岳的形状等。

通过打印图2的恒星系统，如太阳系（组件均来自3D打印）。教师可以结合课本介绍太阳系，并且移动地球等行星，以及对节气等知识点进行介绍。还可以从系统中拆卸地球模型，取出内部的每一层结构进行细致地讲解，让学生从宏观到局部系统地了解太阳系的结构。通过实物化的可运动太阳系系统，可以使知识生动形象，加深学生的认识。

2.2.2 3D打印在物理课程的应用 在物理的课程学习中，物理的许多电路、定律皆可由3D打印模型演示。如对自由落体、胡可、弹性碰撞等定律进行验证，或是合力的箭头模型、同步卫星模型、地球模型、实验电路模型的演示以及电阻、电容、电感等模型的类比演示等。同时，制作的3D模型可以与电子电路相结合，使模型能够完成相应的演示功能，如模型的LED发光、自行水平移动、垂直移动和旋转等。

通过打印如图3设备（含打印的无盖盒子、机械结构、排液管等，除了电压表、电源以及导线外，其他结构均由3D打印而成）的零件，可以引导学生在宏观上对电容有一个深刻的认识。在盒子里倒入导电液体，与电源、电压表连成闭合电路后，旋转可移动间距的旋钮，调整盒子的间距，或者调整排液旋钮，排出一定量液体，观察电压表的电压示数变化。随后教师可以通过联系所学知识，解释实验现象。学生能调整盒子间距、导电液体的量、以及更换“电容”介质等进一步加深对电容的重要公式及相关知识的理解。3D打印类似的实验装置可以很好地应用于教学，不仅可以验证理论的正确性，还能培养学生的动手能力，激发他们的想象力和兴趣。只要有3D模型就能随时打印并组装，快捷且方便。

2.2.3 3D打印在生物课程中的应用

在生物课程的学习中，能应用到大量的实体模型。使用3D打印的技术，可以打印出可拆卸的细胞、细菌、病毒的结构模型、可拆卸的多肽链、多糖、蛋白质、核酸等大分子的化学球形结构模型或者可运动的细胞膜的结构模型。打印理解难度较大的细胞有丝和无丝分裂等模型可以很好地解决学生的理解问题。

通过打印出细胞模型，如图4所示的半截面的植物细胞模型。3D打印出层1（细胞壁）、层2（细胞液）外壳以及各种不同的细胞器（使用不同颜色材料的打印，以增加细胞器的区分度）后，再组合起来。因为打印的难度不大，整体耗材少，所以可以打印出整班的数量。教师进行相关知识的讲解前，可以把打印好的模型分发给所有的学生。学生除了能在课堂上结合老师的讲解和课本的介绍，利用细胞的立体模型对植物细胞的知识进行深入了解外，课下还可以用模型做进一步的对照复习。通过拆卸细胞模型，可充分调动学生的视觉、触觉等感官，加深其对知识的理解。

在中学阶段，除了在课堂教学上使用结合3D打印的教学用具外，可以适度举行涉及3D打印的竞赛，竞赛可以采用外观设计、组合结构、教学用具创新等形式。考虑到中学生的3D设计能力并没有良好的基础，因此学校或比赛举办方可以提供相关的模型给学生参考。如在机器人DIY竞赛中，比赛举办方提供种类繁多的3D模型包，学生可以自行设计机器人的结构图，并从模型包中取出相应的3D模型并打印，最后根据结构图组装起来。

2.3 大学教学 在目前的大学教学中，3D打印技术使用比较广泛。涉及到实物的外观、结构、机械、电路等的课程，皆可使用3D打印技术。除了在高等数学、大学物理、机械原理与设计、材料力学等基础课或专业课程的教学中使用3D打印的教学模型外，也能在实验、课程设计中使用3D打印。

随着各专业学科的交叉与融合，以及3D打印技术的日益成熟，它与各相关学科的结合会越加紧密，其作为“桥梁”性质的实现方式会越来越重要。各高校的专业设置虽涉及到3D打印，但并没有开设3D打印技术的相关课程，因此学生建模水平不高，设计出的成品与实际需求相距甚远。

3D打印本科专业建设的核心是“创新、设计、建模”。由于3D打印的接口面广，因此专业课设置要在不同方向上有所侧重。要学习的课程分为公共基础课、专业基础课、专业课以及课程设计。公共基础课包括高等数学、大学英语、大学物理、工程制图、线性代数、机械原理及设计、电工电子技术等。鉴于目前缺少适用于大学教学的3D打印教材，在此仅提供基础专业课的教学课程有：3D打印导论、3D打印原理、常规3D打印机的结构及组装、3D打印基础设计、3D建模基础与提高（使用目前流行的3DMAX、MAYA、Rhino等软件进行学习与应用）等。

学生自行选择不同行业方向的专业课，如动漫、机械、建筑、汽车、首饰等。以首饰专业课为例，它涉及到首饰设计、加工工艺、创意设计以及结构美学等课程。在选择相应的方向后，应增加该行业的相关知识的课程，以提高学生的基础。公共基础课、专业基础课作为学习基础，专业课则作为所学知识的综合运用。课程由浅至深，逐层递进和深入，最终促使学生掌握创新、应用的技能。教师在教授专业课时应注重引导学生的创新思维能力、发散思维能力，在实验、课程设计上应设计弹性大的题目。

至此，可以通过表1总结出小、中、大学不同学习阶段学生特点、教学基础、教学目标和教学内容。教学实践中的问题与建议

3D打印在本质上是多媒体技术的延伸，是虚拟现实技术的延伸，它拓展了人的感觉和知觉，促进了人的思维能力的进一步发展，它与教学的融合势在必行[7]。

目前，3D打印在教学实践中存在诸多问题或空白，拓宽教学实践的各环节将促使3D打印与教学实践进一步的融合与发展。以下提出相关的建议。

3.1 学校安装相关配套的3D打印机 目前大多数学校没有配备相关配套的3D打印机，而3D打印机是进行教学、研究的基础设备。如果教学条件允许，还可以配备相关的外围设备，如3D Camega、KinectDIY等专业3D扫描仪。此外政府可以出台相关的政策，为大中小学配备3D打印机及相关设备。据了解，我国政府计划将在两年内为全国四十万所小学安装3D打印机，用于学校的教学和研究。未来可能会在大、中学推行进一步的相关政策。

3.2 编撰规范化的教材 3D打印技术虽然不是一门新兴的技术，发展的时间也相应的比较长，但目前的教学中仍然缺少内容丰富、案例经典的教材作为教学的参考。因此可编写适合大中小学使用的3D打印技术的书籍作为教学的材料。但不强制要求各学校必须采用，学校也可以自行编写符合自身教学要求的教材。规范化教材编写的主要出发点是用于规范化的教学。

3.3 对教师进行培训 3D打印教师应该在技术和教学设计等层面进行学习和提高，做好领路人的角色。课程设计应该围绕“切合实际、拓展思维和激发想象力”的目的。在中小学教师的培训上，培训人员除了教授相应的3D打印原理、机械结构、耗材等知识外，应该将重点放在培训教师对学生的思维与想象力进行引导的方法和技巧上。培训大学和职校教师，应该使其“各习所长”，即在他们的专业方面，针对性地教授不同专业的结构、建模、耗材、支撑等方面的知识和经验，辅以典例为佳。

3.4 相关竞赛设计 在各类大中小学竞赛中，学生往往只能使用举办方所提供的配套组件进行组装和二次开发，这在很大的程度上阻碍和限制了学生想法的表达，不利于学生在实践中自由发挥和拓展。3D打印能很好地提供解决方案，学生可以根据自己的想法设计并打印出相应的模型，并组装在自己的参赛作品中。此外，为了使3D打印能更好地与教学、实践等融合，可以举行不同主题的比赛。竞技类型，如机器人足球、机器人篮球、机器人搏击比赛、竞速、花样飞行、抢夺比赛等；解决任务型，如智能辅助；开拓思维型，如组合联动结构。也可以举行开拓参赛团队思维的比赛，设计并打印出新颖、独特、具有创造性的机器人零部件、外壳、骨架等。鼓励比赛优秀的作品进行进一步的研发。这样的比赛除了能促进3D打印的技术更新和发展外，还能拓展学生对控制芯片的编程、机械结构、模拟电路的认识。

3.5 成立相关委员会 目前的3D打印并没有很好地纳入规范化的组织和管理中，成立相关的委员会是行之有效的方法。通过成立相关委员会，创立评选制度，可以支持大中小学的学生对感兴趣的方向进行创新。可以通过评选项目提供必要的资金，并配给相应的指导老师。再者，如果学生能够靠自身的能力切实改进了3D打印的技术，并有相应的展示方式，通过委员会的审核后，可报销其费用，并给予相应的奖励。

3.6 其他 授课老师引领学生发挥想象力，记录下他们对3D打印的想法（学习方法、技术的改进）等，将想法在大中小学校的网络共享平台上进行汇总，让不同的想法互相“碰撞”。也可以邀请相关方面的专家来校演讲，或是组织学生到政府、公司等开设的3D打印展区进行参观，使学生能接触到3D打印行业的新方向，了解3D打印的最新进展。总结

重视3D打印，就是要发挥一切积极的因素，使3D打印的课程和实践在学校教学中进行交叉与融合，不断循环发展。在3D打印教学的创新中，可以结合现在的在线教育、大数据等新技术，不断挖掘3D打印在课程教学的潜能和优势。在建设3D打印课程的体系中，需要多方协调和政策的支持，才能形成良好的教学和研究的氛围。

未来3D打印在教学、研究、设计、制造等方向的应用和实践将会进一步的深入和发展，它将以其独特的方式影响着人们生活的方方面面。

参考文献：

[1]王萍.3D打印及其教育应用初探[J].中国远程教育（综合版），2013（8）.[2]刘翠.3D打印技术及其在职业教育领域中的应用[J].电子制作，2014（6）.[3]王娟.3D技术教育应用创新透视[J].现代远程教育研究，2015（1）.[4]Vasilis Kostakis.Open source 3D printing as a means of learning： An educational experiment in two high schools in Greece [J].Telematics and Informatics，2015（32）.[5]黄敏.3D打印向基础教育走来――访南京市秦淮区校园3D研究社团[J].中小学信息技术教育，2014（10）.[6]杨洁.3D打印在教育中的创新应用[J].中国医学教育技术，2014（1）.[7]童宇阳.3D打印技术在中小学教学中的应用研究[J].现代教育技术，2013（12）.

第五篇：快速成型技术在铸造中的应用

快速成型技术在铸造中的应用

快速成形制造技术是目前国际上成型工艺中备受关注的焦点。铸造作为一项传统的工艺，制造成本低、工艺灵活性大，可以获得复杂形状和大型的铸件。充分发挥两者的特点和优势，可以在新产品试制中取得客观的经济效益。

快速成形制造技术又称为快速原型制造技术(Rapid Prototyping Manufacturing，简称RPM)，是一项高科技成果。它包括SLS、SLA、SLM等成型方法,集成了CAD技术、数控技术、激光技术和材料技术等现代科技成果，是先进制造技术的重要组成部分。与传统制造方法不同，快速成型从零件的CAD几何模型出发，通过软件分层离散和数控成型系统，用激光束或其他方法将材料堆积而形成实体零件，所以又称为材料添加制造法(Material Additive Manufacturing 或 Material Increase Manufacturing)。由于它把复杂的三维制造转化为一系列二维制造的叠加，因而可以在不用模具和工具的条件下几乎能够生成任意复杂形状的零部件，极大地提高了生产效率和制造柔性。与数控加工、铸造、金属冷喷涂、硅胶模等制造手段一起，快速自动成型已成为现代模型、模具和零件制造的强有力手段，是目前适合我国国情的实现金属零件的单件或小批量敏捷制造的有效方法，在航空航天、汽车摩托车、家电等领域得到了广泛应用。

快速成型技术能够快捷地提供精密铸造所需的蜡模或可消失熔模以及用于砂型铸造的木模或砂模，解决了传统铸造中蜡模或木模等制备周期长、投入大和难以制作曲面等复杂构件的难题。而精密铸造技术（包括石膏型铸造）和砂型铸造技术，在我国是非常成熟的技术，这两种技术的有机结合，实现了生产的低成本和高效益，达到了快速制造的目的。

RPM技术的特点

快速成型的过程是首先生成一个产品的三维CAD实体模型或曲面模型文件，将其转换成特定的文件格式，再用相应的软件从文件中“切” 出设定厚度的一系列片层，或者直接从CAD文件切出一系列的片层。这些片层按次序累积起来仍是所设计零件的形状。然后，将上述每一片层的资料传到快速自动成型机中去，用材料添加法并以激光为加热源，依次将每一层烧结或熔结并同时连结各层，直到完成整个零件。成型材料为各种可烧结粉末，如石蜡、塑料、低熔点金属粉末或它们的混合粉末。

快速成型技术与传统方法相比具有独特的优越性，其特点如下：

1.方便了设计过程和制造过程的集成，整个生产过程数字化，与CAD模型具有直接的关联性，零件所见即所得，可随时修改、随时制造，缓解了复杂结构零件CAD/CAM过程中CAPP的瓶颈问题。

2.可加工传统方法难以制造的零件材质，如梯度材质零件、多材质零件等，有利于新材料的设计。

3.制造复杂零件毛坯模具的周期和成本大大降低，用工程材料直接成形机械零件时，不再需要设计制造毛坯成形模具。

4.实现了毛坯的近净型成形，机械加工余量大大减小，避免了材料的浪费，降低了能

源的消耗，有利于环保和可持续发展。

5.由于工艺准备的时间和费用大大减少，使得单件试制、小批量生产的周期和成本大大降低，特别适用于新产品的开发和单件小批量零件的生产。

6.与传统方法相结合，可实现快速铸造、快速模具制造、小批量零件生产等功能，为传统制造方法注入新的活力。

RPM技术在铸造中的应用

（1）精密铸造

精密铸造是所有铸造方法中最精确的一种，精度一般优于0.5％，且可重复性好，铸件只需少量的机加工就可以投入使用。由于铸模是一次性使用，使得制造内部结构复杂的零件成为了可能，能生产锻造或机加工不能生产的零件。尽管精密铸造有着很多的优越性，但其生产过程复杂且冗长。压制蜡模的铝模制作，视其复杂程度和尺寸大小，一般要花几周到几个月时间。得到铝模后，还要几周时间才能得到铸件。这几周主要是用于制作型壳。除了耗时外，精密铸造还很费工，50％～80％的费用都出自于人工。此外，小批量生产中的模具费用分摊至使单价昂贵。快速成型和精密铸造是互补的，这两种方法都适用于复杂形状零件的制造。如果没有快速自动成型，铸模的生产就是精密铸造的瓶颈过程；然而没有精密铸造，快速自动成型的应用也会存在很大的局限性。快速成型技术在精密铸造中的应用，可以分为三种：一是消失成型件（模）过程，用于小批量件生产；二是直接型壳法，用于小量生产；三是快速蜡模模具制造，用于大批量生产。

图1 快速蜡模模具制造流程图

（2）快速铸造

在制造业特别是航空、航天、国防、汽车等重点行业，其基础的核心部件一般均为金属零件，而且相当多的金属零件是非对称性的、有着不规则曲面或结构复杂而内部又含有精细结构的零件。这些零件的生产常采用铸造或解体加工的方法，快速铸造是所有采用快速成型件做母模或过渡模来复制金属件的方法中最具吸引力的一种。这是因为铸造工艺能生产复杂形状的零件。

在铸造生产中，模板、芯盒、压蜡型、压铸模的制造往往是用机加工的方法来完成的，有时还需要钳工进行修整，周期长、耗资大，从模具设计到加工制造是一个多环节的复杂过程，略有失误就可能会导致全部返工。特别是对一些形状复杂的铸件，如叶片、叶轮、发动机缸体和缸盖等，模具的制造更是一个难度非常大的过程，即使使用数控加工中心等昂贵的设备，在加工技术与工艺可行性方面仍存在很大困难。

RPM 技术与传统工艺相结合，可以扬长避短，收到事半功倍的效果。利用快速成型技术直接制作蜡模，快速铸造过程无需开模具，因而大大节省了制造周期和费用。图2为采用快速铸造方法生产的四缸发动机的蜡模及铸件，按传统金属铸件方法制造，模具制造周期约需半年，费用几十万；用快速铸造方法，快速成型铸造熔模3天，铸造10天，使整个试制任务比原计划提前了5个月。

（3）石膏型铸造

精密铸造通常被用来从快速成型件制造钢铁件。但对低熔点金属件，如铝镁合金件、石膏型铸造，效率更高。同时铸件质量能得到有效的保证，铸造成功率较高。在石膏型铸造过程中，快速成型件仍然是可消失模型，然后由此得到石膏模进而得到所需要的金属零件。

石膏型铸造的第一步是用快速成型件制作可消失模，然后再将快速成型消失模埋在石膏浆体中得到石膏模，再将石膏模放进培烧炉内培烧。这样将快速成型消失模通过高温分解，最终完全消失干净，同时石膏模干燥硬化，这个过程一般要两天左右。最后在专门的真空浇铸设备内将熔溶的金属铝合金注入石膏模，冷却后，破碎石膏模就得到金属件了。这种生产金属件的方法成本很低，一般只有压铸模生产的2％～5％。生产周期很短，一般只需2～3周。石膏型铸件的性能也可与精铸件相比，由于是在真空环境完成浇注，所以性能甚至更优于普通精密铸造。