三维打印技术的发展对教育的启迪

三维打印技术的发展对教育的启迪 ??理论探索与实践 三维打印技术的发展对教育的启迪 ,,黎加厚杨晓哲杨高云 ,200234上海师范大学教育技术系上海 【】: ,摘要在介绍三维打印技术现状及其未来发展趋势的基础上进一步具体介绍了在上海市和 3D 。田路小学开展运用 打印机培养学生创新思维的实验和田路小学开展利用三维打印技术的校 ,、、,本课程实践 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明让学生从小就接触体验掌握新兴的三维打印技术让学生体验未来工业生产的 ,。新模式有利于提升学生的想象力和创造力 【】: ; ; 关键词三维打印技术教育第三次工业革命 【】: G40-057 【】: A 【】: 1004-5287( 2013) 01-0001-05 中图分类号文献标志码文章编号 Implication of the development of 3D printing technology for education Li Jiahou,Yang Xiaozhe,Yang Gaoyun Department of Educational Technology,Shanghai Normal University,Shanghai 200234,China Abstact: The paper frst ntroduces the actuaty of 3D prntng technoogy and ts future 【r】iiliiilideveopment trend,and then further n troduces the expermenta use of 3D prnter to cutvate the liililinnovatve thnkng of students in Shangha Hetan Road Prmary Schoo, The practce of schoo-based iiiiiiililclass of using 3D printing technology in Hetian Road Primary School shows thatl etting students cnotact, experience and grasp the emerging 3D printing technology and experience the new model of future industrial production at young age will help improve students, imagination and creativity, 【Key words】: 3D printing technology; education; the Third Industrial Revolution 。,将逐步失去意义随着制造业的数字化新材料的1 第三次工业革命对时代变化的影响 3D 、、、应用以及诸如 打印机器人网络协作生产个性 《》2012 ,,年经济学人杂志发表社论描述了正在 进,化服务等全新工序将导致小批量生产变得更加划 ,、 行的第三次工业革命实质就是以数字制造技术互,,。算生产也为更灵活所需劳动力的投入也更少 联网技术和再生性能源技术的重大创新与融合为 代,18 ,众所周知第一次工业革命始于 世纪后期英 国,、, 表从而导致工业产业乃至社会发生重大变革这。纺织业的机械化是第一次工业革命的标志此前 需,一过程将推动一批新兴产业的诞生与发展将会 替,要数以百计的织布作坊里的工人手工完成的任 务 ,代自从第一次和第二次工业革命所形成的传统产 业,被汇集在一个纱厂中规模化生产工厂机器生产 取代 、还将导致社会生产方式制造模式甚至生产组织 方。20 了作坊手工制作第二次工业革命开始于 世纪 ,、 式等方面的重要变革最终使人类进入生态和谐绿,, ?初期亨利福特使用了可移动的流水生产线并开,1,,2,、。色低碳可持续发展的社会 。21 ,创了规模化生产的时代人类社会进入 世纪后 《长期关注制造业技术和数字制造发展的经济学 ,、现正进行历史上的第三次工业革命由于信 息技术 ( Markillie) 》,?家资深编辑保罗麦基里认为第三次工 ,新能源技术等的飞速发展全球制造业正走 向数字 ,业革命将带来制造模式的重大变革人们可以完全 。、、、化这意味着智能软件新材料灵敏机器 人新的 ,按照自己的意愿来设计和个性化定制产品自第二 ,制造方法及一系列基于网络的商业服务将形 成合力 次工业革命以来的大规模生产流水线和标准化制造 。成为改变经济社会进程的巨大力量 -10-26: 2012收稿日期 : ( 1949-) ,,,: 。作者简介黎加厚男教授主要研究方向教育技术理论 2 27 1 中 国 医 学教 育 技 术第 卷第 期 、。,,,在欧美发达国家人们已经看到了工业机器人首先在电脑上设计出三维立体模型然原理类似 ,3D 自动化 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 器械以及由计算机辅助完成的各种设 后将计算机三维设计模型的数据传送到 打印 ,、,,计许多公司正在开发出更多更智慧的计算机软 机打印材料的液态塑料送至打印头利用打印头在 。,件利用三维设计软件工程师可以将物品设计转 ,一个托盘上喷出超薄的液体塑料层并经过紫外线 ,化为三维模型可以轻松地在电脑上从多个角度检 。照射而凝固另一种三维打印塑料制品的方式是熔 、,查设计物品的结构外形和功效发现任何缺点都可 ( fused deposition modeling,FDM) ,融沉积成型即通过 。,以在第一时间方便地进行修改如果有需要可以 ,,高温的打印头将塑料融化然后喷出丝状材料从而 、,,再次构造检查和修改设计重复这个迭代过程直 ,构成一层层薄层最后累积成为一个三维的立体物 ,4,。,至设计出最好的模型设计师可以通过互联网将 ( 1 ) 。体如图 所示 、、,3D 设计图纸模型样品上传给制造商还可以利用 ,,打印机打印出少量产品检验市场的接受度再决定 。是否进行产品的大批量生产 三维打印技术有可能将取代大规模定制化的生 ,产方式这种基于三维打印技术的定制制造的好处 : ,。是第一完全适合消费者的个性化需求可根据每 ,一个客户的不同需求随时在电脑上设计并打印生 ,; ,。产充分满足消费者的个性化偏好第二节约成本 1 图 熔融沉积成型 3D 、、打印没有铸造裁剪车钳铣磨等传统加工过程 3D 粉剂 打印机是通过使用粉剂材料和添加剂 。,造成的边角料浪费由于是个性化定制生产不会 ,,来创建对象的连续层并以叠加工艺的方式一层一 层,产生产品库存从而可以在减少原材料消耗和碳排 : 。地构建实体每一层的打印过程分为两步首先 在,; ,3D 放的前提下保持更高的生产效率第三打印的 ,需要成型的区域喷洒一层特殊胶水胶水液滴本 身。,运用还将改变人们的商业交易方式从前消费者 ,; , 很小且不易扩散然后是喷洒一层均匀的粉末粉、。都是在店里挑选购买已经生产好的商品现在则 ,末遇到胶水后会迅速固化黏结而没有胶水的区 域,,,“可以根据各自的需求在线预约远程设计打印 。仍保持松散状态这样在一层胶水一层粉末的交 替”、、,,店定制甚至边生产边体验边修改及时获得让 ,“”,下实体模型将会被打印成型打印完毕后只 要扫。每一个用户喜欢的产品 “”,除松散的粉末即可刨出模型而剩余粉末还 可循 ,3,2 三维打印技术的原理和功能 。环利用 3D 生物 打印机是迄今最具想象力和实用性的三 三维打印技术是从快速成型技术发展起来的一 ,, 维打印技术可以用来复制一些简单的生物体组织( rapd prototypng,RP) 。ii种新兴技术快速成型技术 、、、,如肌肉皮肤血管等甚至打印制造人体的膀胱肾 20 80 是 世纪 年代后期发展起来的一种先进的制造 ,3,。脏等器官为了防止生物体对非自身移植器官的排 。3D ( 3D printer) 技术打印机又叫三维立体打印 ,斥需要使用患者自己的干细胞进行打印材料的培 ,3D 机能够实现从计算机上设计虚拟 模型到打印 ,,育在进行器官移植后其身体就不会对打印出来的 器,、、出实物的功能具有打印精度高生产速度快高易 。官产生排斥 。用性等特点 三维打印技术研发的初期主要用于制作一次性样 3D ,,打印机所使用的材料不是喷墨打印机的墨粉 ( ) ,品例如工业生产的模具的一种方式可以大大节 。而是一些可以发生固化反应的材料现在可以作为 。省模具的设计和制造成本但随着三维打印技术的 3D ,、、打印材料的原材料多种多样包括树脂塑料陶 ,5,,。发展更多的东西被作为成品直接打印出来随 、,。瓷金属等甚至包括人体细胞培养液 ,3D 着新材料的出现以及技术的革新打印正在更多 3D ,打印机的种类丰富根据目前的应用可分为喷 。的领域展现其非凡的潜力 3D 、3D 3D 。塑 打印机粉剂 打印机和生物 打印机而 ,。 且打印机的种类越来越多甚至食物也可以被打印3 三维打印技术的发展与未来 : 。例如康奈尔大学的研究人员已经成功打印出蛋糕 、、三维打印技术已经在交通医疗保健军事以及 3D 喷塑 打印机的工作原理同喷墨打印机的工作 。教育等这些机构得到充分利用用途包括打印概念 、、( ) ,模型功能原型工厂设备如模具和机器手装置 , 27 1 3第 卷第 期黎加厚等三维打印技术的发展对教育的启迪 ( 、) 。,甚至是打印制成品如汽车飞机的结构组件目的操作使用技术简便易学即使中小学学生都可以 ,、。前发达国家在航空医疗这两个行业已经开发出先 通过培训掌握三维立体模型的设计 。进的三维打印技术应用设备 4 三维打印技术在中小学教学中的应用 2010 2 ,Organovo 3D 年 月医学公司生产出首台 生 基础教育是为了培养孩子们未来的生存和工作 ,,物打印机能够打印出人体的组织和器官误差控制 在 ,,的基本能力素养需要具有一定的前瞻性培养孩子 20 2010 5 ,。微米之内年 月意大利发明家恩里科 成功 。们能够更好地适应时代的发展面对第三次工业革 3D ,研制出大型 打印机能够打印出整个立体建 筑 ,、命浪潮教育需要更多地让孩子们接触感知和体验 。2010 11 ,物年 月全球首辆利用三维打印技术制 造 ,。未来的新兴技术培养学生的创造性思维能力三 Urbee 。2010 12 ,的 双座汽车诞生年 月美国康奈 尔 维打印技术的普及为学校的创新教育提供了新的视 3D ,大学研制出 食物打印机能够打印出个性化 外 。角和技术支持 。2011 7 ,形的食物年 月美国明尼苏达州厂商开 发 ,从今年秋季开始上海师范大学教育技术黎加厚 Stratasys Fortus25 0mc 3D 。出 打印机支持多种颜 色 ,团队与上海市闸北区和田路小学共同合作在小学 ,0, 007 、0, 01 0, 0013 3 注入支持 英寸英寸和英寸 种厚 ,一线教学中做了大胆的尝试开发了面向小学生的 。2011 8 ,度的单层材料输出年 月英国南安普 顿大 3D —《》,2012 打印校本课程虚实创造课程并在 年 3D ,学的工程师设计并用 打印机制造出世界 上第 9 5 。月份对该校 年级的小学生开始授课 。2012 ,一架无人驾驶飞机年两院院士评出中 国十 《》,在小学阶段开设虚实创造课程旨在让小学 ,大科技进展华中科技大学教授史玉升团队研 发的 ,生接触三维打印技术在学校教育中运用这一新兴 。, 世界最大激光快速制造装备入选专家介绍通过 ,、、, 技术促进学生的空间思维计算思维设计思维和 激光快速制造装备可以造出任何想得到的实物该装 ,6,,、创造性思维的发展促进学生虚拟世界实体世界和 3D “”。备也因此被形象地称为工业用打印机该 技术 ,。内心世界的联通激发学生的想象力 、,远远超过德国美国等公司同类产品使得我国 在快 。根据维果茨基的最近发展区学习理论和建构主 速制造领域达到世界领先水平 ,《》, 义学习理论虚实创造课程采取循序渐进的原则,三维打印技术经过十多年的探索与发展目前能 ( 1 ) ,600 dpi , 01 mm,将课程教学分为五个阶段如表 所示逐步构建 ,0够实现 分辨率每层厚度只有 即 使 ,7,、,起学生的虚拟实体和想象的联通最终实现融通与 。3D 模型表面有文字或图片也能够清晰打印打印 。,创造在课程的开发过程中逐步从教师主导转变 、,,尺寸技术及速度日新月异应用领域也在不断 扩展 ,。 为师生共建课程资源形成合理的内在良性循环3D ,3D 随着 打印机本身精度的不断提高打印 材料逐 ,,在课程实施的五个阶段中师生产生的各种成果如 源,,步丰富多样价格将会不断下降并以人们难 以想象的 、、,文件效果图操作视频等都将被整理出来作为 宝。Solidworks World 2012 速度普及到日常生活领域在美国 。,3D 贵的资源与其他师生分享 展览会上桌面级的塑料 打印机的市 场标价仅为 1699 ( http: / ww/w, up3dusa, com / ) 。 美元今年在北1 表 课程实施五个阶段 、,京上海等地举办的国际展览会上均有 3D ( http: / /www, pp3dp, com / ) 。3D 打印机商家参展 ,打印民用化普及趋势明显其设计平台正从专业设 。,计软件转向简单设计应用发展其中比较成熟的 实施阶段内容安排内容描述虚实维度 Web 3D —3D Tin。,平台有基于 的 设计平台另外微 第一阶段案例学习虚拟模仿通过例子掌握软件工具,、软谷歌以及其他软件业巨头也相继推出了基于各种 。初步形成空间思维构建3D ,3D 开放平台的 打印应用软件平台大大降低了 第二阶段拍照创建通过拍摄实物照片,创建)从实体( 二维,设计的技术门槛可以让普通用户通过类似玩乐高 。虚拟模型到虚拟 3D 。: Google Sketchup( 积木的方式设计 模型例如谷 第三阶段实物构建通过观察小型实物,构建)从实体( 三维) ,歌草图软件就是一款注重设计创作过程的软件操 。到虚拟虚拟模型 ,Sketchup ,作简洁用户操作 软件能够直接在电脑 第四阶段想象搭建主题引导,学生搭建内心从想象到虚拟 ,。上进行十分直观的构思和设计然后将最终形成的 所想的物体3D 。Sketchup模型支持用 打印机直接打印出来成品 第五阶段虚实创造通过 想 象,虚 拟 搭 建,3D、虚拟到从想象 ,。打印机创造心中所想实体创建 《》基于三维打印技术的虚实创造课程分为五个 :学习阶段 4 27 1 中 国 医 学教 育 技 术第 卷第 期 。、: ,,,第一阶段案例学习课前教师选取案例录制实物构建和内心想象作其他四个阶段是虚拟构建 。。 ,。成视频课中分为共同学习时间和自主学习时间不断深化的过程但又是一个相互交融的过程 ,,《》在共同学习时间教师对部分案例分步讲解学生模 实验学校专门为虚实创造课程建设了一个网 。,、 ,,仿教师为学生提供了多样的帮助资源如效果图络学习平台用来支撑课程教学活动为学生提供一 。,、、,源文件和视频以保证学生能跟上课堂节奏在自主 个展示交流创新的环境突破课堂时间和空间的 ,,,《学习时间学生可以挑选自己感兴趣的例子进行模 局限性将课堂内外结合帮助学生在虚实创造课 ,ooge 。Gl》,,仿创造教师巡视并进行个别指导学生使用 程中充分交流共享思想培养学生的思维品质让 Sketchup ,。草图软件进行虚拟三维建模该软件界面简 创造成为学生的一种习惯 ,,。单操作也比较容易小学生非常容易上手在案例 学,《》目前虚实创造课程正在上海市和田路小学 ,习中学生能够轻松而愉快地掌握软件主要功能 的,。五年级实施课程已经进展到第二阶段的学习学 ,。使用为后期学生的想象创造打下了牢固的基础 Google Sketchup 生们能够较为熟练地掌握 三维建 : ,。第二阶段拍照创建学生收集自己生活中感兴 模软件的基本功能能够在软件上构建出简单的三 ,,Googe Sketchup l。、、、趣的物品或主题拍成照片运用 草 图维模型学生拍摄家里的台灯电风扇电冰箱洗衣 ,、、,软件尝试构图并对其中不合理的地方进行再设 机 书 关于书的成语关于读书的排比句社区图书漂流公约怎么写关于读书的小报汉书pdf 桌卧室等生活中的照片然后在软件中进行三 。,。计学生可以将自己的构图或再设计图以及相应 维建模不少学生在建模的基础上又提出了自己有 ,。: ; 的视频介绍上传到虚实创造学习平台与其他学生 创意的改进想法例如台灯的灯罩可以随意变形、。; ; ,分享交流对该设计有不同见解的学生可以进行 电风扇没有叶片洗衣机没有按钮用遥控器控制 。, ,再修改并附上自己的设计和想法通过深层互动厨房的抽油烟机用的时候是悬挂的不用的时候可 Google Sketchup ……。,学生依托 草图软件在实践中不断 以折叠收起来这些五彩缤纷的创意想法不 ,。,,地求证自己的设想最终达到更为合理的设计 仅涌现在学生的头脑中学生们能够亲自动手在计 。《: 。算机上将自己的想法设计成为三维模型在虚实 第三阶段三维实物构建教师为学生提供丰富 》,3D 。创造课程的第五阶段学生将学会使用 打印机 的实物模型或者是学生自带生活中的小物品在 。“”,来完成真实作品的打印 学习观察单的指导下学生感知三维实体的设计 ,五个阶段的设计还需要在实施中不断地修改完 细节并在软件操作中不断地检验或证实自己的设 ,,,。善从目前实施情况来看第一阶段采用基于案例的 教想完整地搭建起虚拟模型学生将实践中遇到的 ,,,学方式在保证教学质量的同时也大大提高了教 学效问题和解决的方法进行整理成为一份宝贵的学习 。,1 ,。率在有限的课堂时间里学生学习案例的数 量由 材料供其他学生学习 3 、4 ,个上升到 个个所涉及的工具使用也更 加丰: 。、第四阶段想象搭建在经历过拍照创建实物 。,富教师拥有更自由的时间关注学生的个性化 发展,构建两个阶段的充分体验后需要让学生去尝试创 。,。“” 进行个别辅导但同时我们也发现自主学习 环节的建自己的奇思妙想学生可以按照学习观察单 。,帮助功能还需要完善一方面需要教师有 意识地: 提供的成长路线来完成自己的想象搭建?我想象 ; ,( ) ; ( ) ;引导学生利用提供的资源另一方面需要对 提供的的东西是图画?看看我捏的陶泥陶泥图片 ,, 资源进行再设计加强资源自身的帮助功能以引导( ) 。?瞧瞧我做的虚拟模型虚拟模型图也可以根 。学生解决自主学习时遇到的困难第二阶段 教师以据自己的能力挑选其中的一种或几种来呈现自己的 ,,( ) 主题活动的方式由易到难由浅入深地加强 学生的设。, 想象构建虚拟模型是必须要经历的环节这样 、、。,计想象创造能力 在满足学生个性需求的同时又能保证学生体验从 。,,我们在教学中发现通过几周主题式的学习学 生想象到虚拟的全过程 、、的观察能力设计能力空间思维能力有了明显的 变: 。3D ,第五阶段虚实创造学生使用 打印机将自 。,, 化他们的作品由简单的布局到具体实物设计再Google Sketchup 己在 软件中虚拟搭建的模型打印出 ,,。到修改设计最后是细节加工处理一步一步地深 入,、,实体从而融通起想象虚拟与实体的世界将自己 《》,通过阶段观察也验证了虚实创造课程最初 的设头脑中的想象与计算机中的三维设计模型和真实世 ,,。想每个阶段都涉及到内心的想象除了第一阶 段案例界的具体三维物品联系起来 ,。: “学习外其他四个阶段是相互交融比如主 题生活: 这五个阶段是一个循序渐进的过程第一阶段是 ,,”,,一角的设计这是第二阶段的内容让学 基础通过案例的学习帮助学生掌握软件的基本操 , 27 1 5第 卷第 期黎加厚等三维打印技术的发展对教育的启迪 ,Google Sketchup 。,3D 生拍摄照片再运用 软件进行模型我们的可能被未来机器取代被 打印机取代 。、、,, 搭建学生拍摄了非常丰富的图片有卧室的一角教育需要培养具备想象能力设计能力创造能力的 ,。,有客厅的一角也有卫生间的一角通过对现实生 人才这是我们下一代面临第三次工业革命必须具 ,。活中这些真实场景的使用学生提出了许多修改意 备的基本能力 ,,见并运用软件对自己所选的场景进行再设计还构 建参考文献 ,出自己想象中的可能设计最终学生呈现出来的 作,1,, ,, ,、,N芮明杰第三次工业革命的起源实质与启发文汇 报 。品都是非常有创意的 2012-09-17 ,在实践研究中我们感受到了孩子们对未来新兴 ,2,Jeremy Rifkin) , : ( ?杰里米里夫金第三次工业革命新经 济 ,技术的浓厚兴趣对自己能够创建三维模型并且能 ,M,, ,,, : 模式如何改变世界张体伟孙豫宁译北京中 信出 。够打印出实体的兴奋之情 ,2012: 6版社 ,3,, 3D ,J,, ,古丽萍蓄势待发的 打印机及其发展数码印刷 5 小结 2011,( 10) : 65-67 。 三维打印技术是第三次工业革命的关键技术,4,, 3D ,J,, ,2012,( 7) : 19赵春雷打印机种类世界科学 、、 ,教育要与时俱进应尽可能让孩子们去接触体验,5,, 3D ,D,, :赵辰打印机分层软件的设计与实现南京东南 大,掌握这样一门新兴的技术从而发展学生的空间思 ,2009: 1学 ,维能力和创新思维能力这将会对孩子的未来产生 ,6,, “3D ”N,, ,,朱建华武汉造世界最大打印机入选长江日 报。, 重要的影响在学习掌握三维打印技术的过程中2012-01-18 : ,我们的教育理念也会发生转变未来的教育不再是 ,7,The third industrial revolution, The Economist,N,, 2012-04- ,为了培养流水线上高效的劳动者这些劳动者极有 21( 5) 檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼殥 檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼殥 《》中国医学教育技术杂志主要栏目简介 ; ; ; 理论探索与实践 教育技术理论及其研究进展教育技术研究方法体系构建教育技术的学科建设教育信 ; ; 息化理论及其实践研究信息时代教师专业发展理论与实践研究信息技术教育发展过程中关键问题的理论研 ; 。究国外医学教育技术的研究和应用现状等 ; 、、资源开发与应用 新技术新理念教学资源建设理论方法及其实践研究高校精品课程资源开发与有效应用; ; ; 、研究医学视频资源与数字教育电视节目设计管理与应用的创新研究教育资源评价及其标准化研究数字化学 。习资源的设计与有效应用等 ; 、、、 网络与远程教育 国内外网络与远程教育理论及其实践的最新进展医学远程诊断远程会诊远程教育远 ; 、; ; 程信息服务实践与经验介绍远程职业教育继续教育理论及其实践研究网络与远程教育质量保证体系研究教 。育虚拟社区以及学习型社会理论及其实践研究 : 、 技术与教育 教育技术在医学教育教学中的应用与实践分析虚拟现实技术数字化模拟设备在医学生临床 ; ; 技能培训中的应用与效果校园网与专科学习网站在医学生教育教学中的应用与实践新 技术支持与新理论指导 ; ; 下的课堂教学实践研究信息技术在医学不同学科中的特色应用研究信息技术环境下的新型教学模式与方法研 ; ; 。究新技术介绍及其设备维护管理信息技术课程实施中的关键问题研究 ; 、、、医院信息化 信息技术数字化技术在临床医疗护理及医院管理中的应用与实践信息化对提高医疗质量 ; ; 、防范医疗风险的重大影响和作用相关信息化数字产品及设备在临床中的应用和效果探讨为保障医院信息化 、; 。环境正常运行的相关技术开发应用与实践研究医院信息化建设的实践与经验探讨等 、、、; 教与学研究 关于医学领域最新教育教学理论研究教学方法研究教学改革教学评价等医学教育理论与; ,。实践国内外医学教育发展动态多种教学方法优势互补研究等 ,; ; 摄影与美术 最新摄影理论探讨医学摄影技术与实践医学插画的美学处理与教学摄影技术在医学教育 。及相关领域中的应用等 《》中国医学教育技术编辑部檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼殥