摘 要

有些国家将3D打印技术作为第三次工业革命的重要标志之一，使其受到了广泛关注。发展3D打印产业，可以提高工业设计能力，提升我国工业领域的产品开发水平；可以促进复杂、特殊、个性化产品的生产，有助于攻克技术难关；可以形成新的经济增长点，促进就业。面对新的生产方式变革和发达国家大力推进的“再工业化战略”，人才的培养至关重要。工培中心作为工科教学的实践基地，承担着人才培养的重要任务。工科学生对于3D打印技术的学习和了解有着重要的作用和意义，通过对该课题的研究，使我们的教学在数字化革命和智能制造的“机会窗口”前取得 3D 打印产业发展的主动权。3D打印技术作为一种先进的快速成型技术，为工科教学提供了新的教学方法和教学理念。3D打印将抽象概念和设计引入现实世界，有利于学习者立体化的获取和理解知识，拓展创造性思维，增强学习兴趣，从而提高学习效率。

本文研究了将3D打印应用在工科教学的方式相较于传统的工科教学单一枯燥的教学方式为教学带来的一些突破，主要表现在教学主体（老师——学生）、教学方法（灌输——引导）和教学载体（书本——实物）的改变，并强调了3D打印的引入对培养社会所需的综合性高素质人才的重要性。同时3D打印技术的学习也为将来增材制造代替传统制造方式奠定了基础。

关键词：3D打印、工科教学、创新、改革

Abstract

3D printing technique in some countries as an important symbol of the third industrial revolution, which attracted wide attention. Development of the 3D printing industry can boost the level of China's industrial products in the field of development, industrial design capability; Can produce complex, special, personalized products, helps to overcome technical difficulties; To the formation of new economic growth points, to promote employment. Face new of production change and developed vigorously advance of "again industrialization strategy", talent of training vital, workers Culture Center as engineering teaching of practice base, bear with talent training of important task, engineering students for 3D print technology of learning and understanding has important of role and meaning, through the subject of research, efforts makes we of teaching in digital revolution and smart manufacturing of "opportunities window" QIAN made 3D print industry development initiative. As an advanced rapid prototyping 3D printing technology, the engineering provides a new teaching idea and method of teaching. The abstract concept of 3D printing and design into the real world is beneficial to learners ' access to and understanding of knowledge of stereoscopic and expand creative thinking, enhance learning, so as to improve the efficiency of learning.

In this paper, the application of 3D printing in teaching engineering phase, compared with the traditional engineering teaching single and boring teaching methods teaching breakthrough, mainly in teaching the subject teacher - student), teaching methods (instill guidance) and teaching carrier (books -- real) change, and emphasized the 3D printing the introduction of the importance of social comprehensive high-quality talent cultivation. At the same time, the study of 3D printing technology also lays the foundation for the future reduction of the material manufacture instead of the traditional manufacture method.

Keywords：3D printing ;The teaching of Engineering ; Innovation ; Reform

目录

摘 要 - 2 -

Abstract - 3 -

引 言 - 1 -

第一章 绪论 - 2 -

1.1 3D打印的历史发展 - 2 -

1.2种类及原理 - 3 -

1.2.1熔融沉积制造法（Fused Deposition Modeling，FDM） - 3 -

1.2.2直接金属激光烧结（Direct Metal Laser-Sintering，DMLS） - 3 -

1.2.3选择性激光熔化成型(Selective Laser Melting，SLM) - 4 -

1.2.4选择性激光烧结法（Selective Laser Sintering，SLS） - 5 -

1.2.5分层实体制造法（laminated object manufacturing，LOM） - 6 -

1.2.6光固化成型法（Stereo lithography Appearance，SLA） - 6 -

1.3在其他领域的应用 - 7 -

1.3.1工业领域 - 7 -

1.3.2医学领域 - 8 -

1.3.3建筑工程领域 - 9 -

1.3.4影视领域 - 9 -

1.3.5文物保护领域 - 10 -

1.3.6个性化消费领域 - 10 -

第二章 当前主要的教学手段 - 11 -

2.1板书教学 - 11 -

2.1.1板书的类型与应用 - 11 -

2.1.2板书教学的优缺点 - 11 -

2.2多媒体教学 - 12 -

2.2.1多媒体教学的优势 - 12 -

2.2.2多媒体教学的不足 - 14 -

2.3语言实验室 - 14 -

2.4实验教学 - 15 -

2.5现场教学 - 17 -

2.6实物教学 - 17 -

第三章 3D打印技术对传统教学的突破 - 18 -

3.1 3D打印应用于教学的现状 - 18 -

3.2 3D打印技术对传统教学的冲击 - 19 -

3.2.1对教学方式的冲击 - 19 -

3.2.2对学生学习方式的冲击 - 20 -

3.2.3学生毕业后社会能力的冲击 - 20 -

3.3 3D打印应用于工科教学的优势 - 20 -

3.3.1推动STEM教育 - 20 -

3.3.2激发学习积极性，提高课堂效率 - 21 -

3.3.3提高学生动手能力，培养学生创造力 - 22 -

3.3.4教学模型可随时打印且携带方便 - 22 -

3.3.5方便不同专业的学生直观地解决学习中遇到的问题 - 23 -

第四章 调查问卷及其分析 - 25 -

第五章 3D打印应用于工科教学的局限性 - 30 -

5.1耗材价格昂贵 - 30 -

5.2高分辨率打印设备的价格高昂 - 30 -

5.3低价格设备的打印分精度低、速度慢 - 30 -

5.4只能打印简单材料的物品 - 30 -

结论 - 31 -

致谢 - 31 -

参考文献 - 32 -

引 言

2012年4月，英国著名杂志《经济学人》在专题报告中指出，全球产业正在经历第三次工业革命，与以往不同的是，本次革命将对制造业的发展产生巨大影响，其中一项具有代表性的技术就是三维打印(3D printing) 技术^［1］。3D打印技术，又称为“添加制造”(additive manufacturing) 技术，也称增量制造或增材制造。美国材料与试验协会(ASTM) 2009年成立的3D打印技术委员会(F42委员会) 公布将3D打印定义为一种与传统的材料加工方法相反，基于三维CAD模型数据，通过增加材料逐层制造的方式。美国《时代》周刊也将3D打印列为“美国十大增长最快的工业”。自2013年以来，国内金融界、学术界、媒体界也掀起了关注3D打印技术的热潮，各级政府部门开始关注并制订3D打印技术的发展规划。在西方的一些中学、普通高校和军事院校，3D打印机已经被用于教学和科研。目前，国内很多高校也开始将3D打印技术纳入日常教学。

第一章 绪论

1.1 3D打印的历史发展

3D打印的核心思想最早起源于19世纪末的美国，照相雕塑和地貌成形技术是它的来源，在上世纪80年代已有雏形。1984年，查尔斯•赫尔开发明了光固化技术即用数字化信息生成三维立体物体，这就是最早的3D打印机。两年后，他开发了第一台被称为立体平板印刷仪的商业3D印刷机并申请了专利。随后他又成立了 3D Systems公司，致力于将SLA技术商业化。1988年，了熔融沉积成型技术被斯科特•克伦普发明出来，他创建的Stratasys公司在1992年售出了第一台3D建模机器^［2］。1993年，麻省理工学院获得三维打印技术专利，它类似于2D打印机的喷墨技术。同年，Solidscape公司成立，开始开发使用喷墨技术的打印机。这种打印机能以相对缓慢的速度打印出表面光洁的小部件。1994年，德国公司EOS推出了EOSINT选择性激光烧结设备。1995年，美国的Z Corporation公司获得麻省理工学院独家授权，开始开发3D打印机。1996年，3D Systems公司使用喷墨打印技术制造出其第一台3D打印机——Actua 2100，并首次冠以“3D打印机”的称谓。2005年，Z Corporation推出市场上第一台高精度彩色3D打印机“SpectrumZ510”。2006年，RepRap开放源码项目启动，旨在开发能进行自我复制的3D打印机。2008年，Objet Geometries公司推出有史以来第一个能够同时使用几种不同材料的3D打印机“Connex500”快速成型系统，公司于2007年发布了 Polyjet矩阵技术。其技术原理是喷射超薄层的光固化物，最薄层只有16 µm，并且其喷射材料有多种。

随着3D打印技术不断的完善，这种新型制造技术在越来越多的领域得到应用。2009年，生物打印创新者Organovo，依靠Gabor Forgacs博士的技术，用3D生物打印机首次打印出了血管。2010年11月，世界上第一辆由3D打印机打印而成的汽车Urbee问世。　2011年7月，英国研究人员开发出世界上第一台3D巧克力打印机。2011年8月，南安普敦大学工程师开发出世界上第一架3D打印的飞机。2012年荷兰医生和工程师们使用LayerWise制造的3D打印机，打印出一个定制的下颚假体。然后移植到一位83岁的老太太身上。这位老太太患有慢性骨感染。目前，该技术被用于促进新的骨组织生长。2012年11月，苏格兰科学家利用人体细胞首次用3D打印机打印出人造肝脏组织。2013年6月，美国“太空制造”公司宣布，将于明年为国际空间站提供一台3D打印机，供宇航员在轨生产零部件，无需再从地球运输零部件。

1.2种类及原理

3D打印技术是首先通过软件完成三维实体建模、数字切片，把这些切片的信息传送到3D打印机上，然后3D打印机会把原材料转变成连续性的薄层逐层堆叠起来，形成一个固态物体^［3］。3D打印使用不同的方法和不同的成型技术有多种打印工艺，如熔融沉积式 (FDM）、直接金属激光烧结（DMLS）、选择性激光熔化成型(SLM)、选择性激光烧结（SLS）、石膏3D打印 (PP)、分层实体制造（LOM）、光固化成型法（SLA）、数字光处理 (DLP)等，下面具体介绍这几种3D打印的工艺方法：

1.2.1熔融沉积制造法（Fused Deposition Modeling，FDM）

熔融沉积又叫熔丝沉积，其工作原理是将丝状的热熔性材料加热熔化，通过一个带有微细喷嘴的喷头挤喷出来。如果热熔性材料的温度始终稍高于固化温度，而成型部分的温度稍低于固化温度，就能保证热熔性材料挤喷出来随即与前一层面熔结在一起。一个层面沉积完成后，工作台按预定的增量下降一层，再继续熔喷沉积，直至完成整个实体造型。