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浅析3D打印技术在《地球与空间科学》课程中的应用

[摘要]  3D打印技术在高等院校教育改革中的应用，给学生提供了真实形象的立体模型，使学生能够直观的认识到专业知识和计算机技术相结合的实用性，对培养和提高学生创新意识与实践动手能力具有重要的支撑作用，可见，将3D打印技术应用于高校专业课程实践教学中是必然趋势。但目前3D打印技术在科学教育专业教学实践课程中的应用研究较少。因而本文从3D打印技术的步骤及过程、开展3D实践教学的必要性与可行性、3D打印在《地球与空间科学》课程中的优势方面进行论述3D打印在高校《地球与空间科学》课程中的应用，通过实践教学注重教学的实效性，提高学生的实践能力，促进创新型人才的培养，为高校3D打印技术在其他专业课程实践活动中的应用提供参考依据。

[关键词]  3D打印技术；地球与空间科学；应用

The Application of 3D Printing Technology in The Course of Earth and Space Science

Wang qi,Li mengyao

Guiyang University,Guiyang of Guizhou 550001,China

Abstract:The application of 3D printing technology in the educational reform of colleges and universities provides students with three-dimensional models of real images, enabling them to realize intuitively the practicality of combining professional knowledge with computer technology, therefore, it is an inevitable trend to apply 3D printing technology to the practice teaching of professional courses in colleges and universities. But at present, there is little research on the application of 3D printing technology in the teaching practice course of science education. Therefore, this paper discusses the application of 3D printing in the course of earth and space science from the aspects of the steps and process of 3D printing technology, the necessity and feasibility of developing 3d practical teaching, and the advantages of 3D printing in the course of earth and space science, the practice teaching emphasizes the actual effect of teaching, improves the practical ability of students, promotes the cultivation of creative talents, and provides reference for the application of 3D printing technology in other professional courses.

Key words:3D printing technology; Earth and Space Science; Applications.

科技进步和社会发展推动着教育的发展和变化。随着人类进入互联网时代后，丰富的互联网与计算机技术的广泛应用，为教育提供了更宽广的空间，为教学增添了更多活力，其中3D打印技术因其广泛的适用性和多学科的通用性，被大部分的学者引入到学校教育教学过程当中中。3D打印的思想最早出现在19世纪末的美国，在上世纪八十年代取得了技术上的突破，并得到发展和推广,作为一种新兴的可视化的技术和工具，能够更好地帮助学生将抽象事物形象化，被广泛引入到教育教学中[1]。2013年，美国制定并且实施MEN-TOR项目，将3D打印推广普及至高中教学中，在引起学生对工程设计类课程的兴趣的同时提升其综合知识与能力

[2]。随后，美国总统奥巴马宣布全美引进3D打印产业，并强调利用3D打印推动中小学的教育变革，从而全面推动3D 打印在教育教学中的应用[3]。英国也探索了3D打印技术在教学中的应用，教育部为在教育教学中推广和普及3D打印并探索其创新教学方式，开展了一年的实验探究，发现利用3D打印提升了教学效果，培养了学生创新思维和能力[4]。国外的教育教学更加注重学生自主学习、自主探究能力的提高，3D打印技术对于实施这一教学理念起到了支撑与保障作用。

我国3D打印技术开始于上世纪90年代，清华大学等高校在3D打印耗材的材料研究以及3D打印技术的运用方面取得了很多研究成果[5-6]。北京、上海等发达城市的中小学已经将3D打印机引入校园，开展了3D打印技术在教学中的应用研究。随着党中央和国务院先后发布科技、人才和教育三个规划纲要，实施科教兴国、人才强国成为21世纪势在必行的重要举措，3D打印技术在高校培养创新型人才发挥了重要作用。河北工业大学构建了适用于3D打印实验室的开放教学体系，以提高学生的创新能力和实践动手能力，辽宁工业大学也将3D 打印技术引入到大学生的创新实验中，培养学生的创新能力[7]。对此，近年来许多学者将其应用于高校课程教学、毕业设计等环节中，涌现了许多研究成果[8-12]。

为了响应《国务院关于深化教育改革，全面提升素质教育的决定》中要求[13]，加强对学生社会责任感、创新精神和实践动手能力的培养，在理论讲授的同时增加适当的实践教学是必要的。3D打印技术属于一种快速成型技术，以计算机为主要基础构建三维立体模型并且把三维立体模型打印成实物为学生直接展现出来，可以让学生更加清晰了解专业知识和技能的实际应用，强化学生动手能力以及逻辑思维能力[13]。该技术在高等院校教育改革中的应用，给学生提供了真实形象的立体模型，使学生能够直观的认识到专业知识和计算机技术相结合的实用性。但目前，3D打印技术在高校更多是应用于工业设计、动漫教学、机械制造、医学、航天航空等专业领域，对其他课程领域的应用较少，尤其在高校科学教育相关专业教学实践课程中。因而本文从3D打印技术的步骤及过程、开展3D实践教学的必要性与可行性、3D打印在《地球与空间科学》课程中的优势方面进行论述其在高校《地球与空间科学》课程中的应用，通过3D实践教学，注重教学的实效性，提高学生的实践能力，促进创新型人才的培养。为高校3D打印技术在其他专业课程实践活动中的应用提供参考依据。

一、3D打印技术的步骤及过程

根据成型技术的基本思想可将3D打印分为两大类别——选择性沉积型与黏合凝固型。其中选择性沉积型主要有两种：①熔融挤压式，②层叠法成型；黏合凝固型也主要包括两类：①喷墨粘粉式，②选择性激光烧结。无论采用那种3D打印技术，他们都具有一定的共同特点：首先需要建立数字化模型；然后根据预先设定的厚度大小进行分层切片处理，生成二维面的信息；再根据各层面的图形进行打印，逐层叠加最终形成三位实体。具体步骤如下。

第一步：在3Done中进行三维建模；

第二部：导出格式stl；

第三步：设置参数；

第四步：机器建造；

第五步：将打印好的物品移出；

第六步：后期加工，如抛光、上色等；

第七步：模型运用。

这就是一个3D模型的基本加工过程，目前的3D打印也可进行直接的扫描成像。

二、开展3D打印实践教学的必要性与可行性

（一）开展3D打印实践教学的必要性

当学生遇到所学课程理论性很强时，只能死记硬背，一段时间之后就完全忘记了，尤其是在“地球与空间科学”这样需要丰富的空间想象力和强大的理解能力的课程上，3D打印是一种同时拥有视觉和触觉的学习方法，学生不仅仅是在黑板上简单的看图像或文字，而是通过他们的视觉结合触觉去理解核心的三维模型，这样能使学生牢固所学知识内容。因而在高校专业课程中开展3D打印实践教学环节具有重要的意义，主要可体现在以下几个方面：①创新了教学方法。结合专业课程教学内容开设集3D打印技术于一体的实践教学环节，让学生边学边做，将所学到的和所理解到的内容放映于实物，将抽象化的概念转化为具体化的模型，理论讲授结合实践教学，体现了教学的实效性。②实现了角色转变。传统的理论教学模式通常以教师讲授为主，学生更多体现在被动接受环节，而3D打印在课程中的应用刚好可以弥补这一局限，注重学生自主学习与探究能力的培养，提高学生实践动手能力，实现以“教师为主”向以“学生为主”的转变。③体现了教学评价的多样化。理论教学教师对学生的评价更多倾向于关注学生考勤、作业、学生回答问题的积极性与准确性、理论考试成绩等，而3D实践教学环节让学生将所学到的和所理解到的内容通过借助计算机进行模型设计并打印放映于实物，学生通过作品提交方式进行相互交流与分享，在此过程中教师可以全面客观的了解到学生的参与积极性和对知识点的掌握程度，学生也可以在交流中发现自己缺失的和不足之处，进而使评价指标更加科学合理。

（二）开展3D实践教学的可行性

3D打印技术属于一种快速成型技术，以计算机为主要基础构建三维立体模型并且把三维立体模型打印成实物为学生直接展现出来，可以让学生更加清晰了解专业知识和技能的实际应用，强化学生动手能力以及逻辑思维能力[14]。其中Sketch Up作为3D建模常用的三维设计软件，操作简单，出图快的同时具有很好的三维表现力，对于科学教育非专业模型设计和操作基础的学生来说具有可行性。而“地球与空间科学”课程中所蕴含的诸多知识内容如天体结构中的天球仪、太阳系、地月系等，人类探索宇宙历史所涉及的火箭、天眼、月球车以及关于地球整体的圈层结构，地球岩石圈中的地形地貌、岩层结构、矿物组成结构等，大气圈中冷锋暖锋演示图、气旋反气旋演示图等，水圈与生物圈中的水循环和食物链等示意图，都可以基于Sketch Up三维设计软件将3D打印技术应用其中，学生结合所学课程内容，使模型设计突出专业性特点，使教学过程遵循教师循序引导、学生自主思考，促进师生共同发展的原则，体现了教学的实效性，使学生在“学中做、做中学”的教学过程中，提高学生的实践能力，促进创新型人才的培养。同时，随着教育部对高校大学生实践能力的要求，多数高校都设有大学科技园、博雅众创空间和3D打印创客实验室和金工实习环等，技术储备健全，在高校专业课程中开展3D打印实践环节提供了保障。此外，高校大学生具有一定的计算机知识基础，例如以Sketch Up作为3D建模常用的三维设计软件，操作简单，出图快的同时具有很好的三维表现力，对于科学教育等非专业模型设计和操作基础的学生来说具有可行性。

三、3D打印在对《地球与空间科学》课程中的优势

《地球与空间科学》课程是一门以地球本体、海洋、大气及近地太空所构成的地球系统作为研究对象的科学、承担着向学生传授地球科学和空间探索两方面知识的任务[15]。学习该课程要求学生需要丰富的空间想象力和强大的逻辑思维理解能力，因而将3D打印技术应用在该课程的实践教学环节中的具有显著的优势。

（一）模型优势

首先，3D打印可加工复杂的物品，对于地球的结构和形状、岩石圈、大气圈、水圈、生物圈以及星系等，均可运用3D打印制作沙盘模型，直观的导入。其次，它的设计空间可以突破局限，如传统的木制车床只能制造圆形物件，制模机仅能制造模型有的物品，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，这为《地球与空间科学》课程中地学元素的模型可视化提供了可能。而模型的设计与应用对教师与学生活动也具有极大的促进作用，在教师方面，它可以扩展学生感知从而增强其在触觉上的体验感，弥补教师对地球与空间科学相关教学经验不足的劣势；同时将隐性知识和认知结构显性化，使学习资料由抽象化转变成为具体化，具体化转变成为形象化，视觉复杂化转变成为认知简单化。在对学生而言，首先，3D打印实践教学可以让学生的想象更容易变成现实，培养学生的创新精神，鼓励学生的创新实践；其次，学生通过学习运用简单的计算机建模软件，从而发展学生立体空间思维，并在3D打印实践教学过程中，使学生建立一种新型的学习通道。此外，3D打印机能够直接创建结构复杂、尺寸精细、性能特殊的产品模型和零部件等，通过模型进行喷砂处理和上漆工艺，让模型更生动，由此可见，3D打印技术具有的模型优势是显而易见的。

（二）安全性和稳定性优势

大多数高校购买的3D打印机都是FDM系列的，它是一体式结构，金属型材主机身，集成化排线设计无缠绕线隐患，安装简单，使用方便，轻松应对教学应用；新式泰坦挤出机搭配火山头喷嘴，全铜耐高温喷嘴，打印速度快、模型效果好；配置保护电源装置，断电续打功能；快速加热，自带过流、过压、过温、短路保护等安全设计，教学过程更安全放心；拥有超静音系统，机器保持低分贝运行，营造安静舒适的教学环境，寓教于乐，乐于学习。

（三）成本优势

无需组装，3D打印可实现一体化成型，无需组装，缩短供应链，节约劳动力和资金支出；零时刻交付，按需打印，最大程度上避免了耗材过量导致的过期无法使用的浪费。

四、结语

可见，从3D打印技术的操作步骤及过程、以及开展3D实践教学的必要性与可行性分析并结合其在《地球与空间科学》课程中的优势方面来看，将3D打印技术引入教育领域并进行推广应用具有明显的优势，是高校课程教学改革的重要环节和必然趋势，将其应用到高校科学教育专业《地球与空间科学》这种需要丰富的空间想象力和强大的逻辑思维理解能力的课程实践教学中也是未来的发展方向和必然选择。

参考文献

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[3]KRAFT C.White House Maker Faire Fact Sheet Has Been Re-leased[EB/OL].(2014-06-18)

[2015-11-12].

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