h t t p ://d e j.z j t v u .e d u .c n木盒制作
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[1]，但由于价
柿子去皮机
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[2]，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[3]。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[4]，具体流程如图2所⽰。
图1ORDbot Quantum 三维打印机
*基⾦项⽬：本⽂为国家科技重⼤专项课题“基于Web 的⽆线泛在业务环境体系架构、关键技术研究与演⽰验证”（课题编号：2012ZX03005008）的中期研究成
果之⼀。
3D 打印：⼀种新兴的学习技术*
李青
王
青
（北京邮电⼤学⽹络教育学院，北京100088）
［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［中图分类号］G434
［⽂献标识码］A
[⽂章编号]1672—0008（2013）04—0029—07
2013年第4期总
第217期
图2
3D 打印的设计和制作流程
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[5]
。
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Cima
M.J.等⼈于1991年申报的关于三维打印专利为标志的[6]。⽬
前，在3D 打印领域⽐较著名的公司有3D System 、Z-Corpo -
ration 、Object Geometries 等。
经历⼗多年的探索和发展后，3D 打印⽆论在技术、造
价，还是应⽤领域⽅⾯都有了长⾜的进步。在打印技术⽅⾯，⽬前，主流打印机能够在0.01mm 的单层厚度上实现600dpi 分辨率的打印精度，较先进的产品已经具备每⼩时1英⼨以上的垂直打印速率，并可实现24位⾊彩的彩⾊打印[7]。⽤于打印的材料涵盖从⽯料、⾦属到⽬前占主流地位的⾼分⼦材料，甚⾄是⾯粉、蛋⽩粉等⾷品原料。⽬前，已经开发出的可打印材料约为14类，可混搭出⼀百多种耗材。在造价⽅⾯，
3D 打印机的售价正在迅速降低，MakerBot 公司新推出的低
端打印机Replicator 2的售价已经下降到2199美元，⾼端的
Replicator 2X 也仅售2799美元，预计⼏年后家⽤型的3D 打
印机会降价到100美元以内[8]。
3D 打印的应⽤领域正在迅速扩张。在消费电⼦、航空和
汽车制造等⾏业，3D 打印可以以较低的成本和较⾼的效率⽣产⼩批量的定制部件，完成复杂⽽精细的造型。位于纽约的创意消费品公司Quirky ⽀持设计师在线提交设计⽅案，通过3D 打印制成实物，并通过电商⽹站销售，每年推出六⼗多种创新产品[9]。在医疗领域，3D 打印被⽤于制作⼈体器官的替换材料。2013年初，欧洲的医⽣和⼯程师利⽤3D 打印定制出⼀个⼈造下颚以替换病⼈的受损⾻骼，
成功地使病⼈得以康复。同时，德国的研究⼈员正在采⽤3D 打印技术制造具有⽣物相容性的⼈造⾎管[10]。在建筑领域，意⼤利发明家恩⾥科·迪尼发明了⼀台可以⽤沙⼦直接打印⽴体建筑的巨型
3D 打印机。此外，全球第⼀家3D 打印照相馆也于2013年初
在⽇本开业，⽤户经过拍照、建模、打印三个阶段，就可以为⾃⼰制作⼀个三维头像[11]。
⾃上世纪90年代起，我国的科研机构也已经开始研发⾃主知识产权的3D 打印机，清华⼤学、北京航空航天⼤学、华中科技⼤学、西安交通⼤学等⾼校都取得了不俗成绩，基本与西⽅发达国家处于同⼀⽔平，研制出了多种类型的3D 打印装备和材料[12]。其中，北京航空航天⼤学率先研发出飞机钛合⾦⼤型复杂整体构件激光成型技术，这是国际上3D 打印领域内的重⼤突破。华中科技⼤学研发的⼤型3D 打印机，可通过激光将原材料制造成复杂的⼯业零部件或⽣活⽤品[13]。2012年底，⼯信部宣布加强顶层设计和统筹规划，以推动3D 打印产业化，并组织制定发展路线和中长期发展战略，完善3D 打印的技术规范与标准[14]。
三、
3D 打印的教育应⽤（⼀）在各学科教学中的创新应⽤
3D 打印也为教育⾏业打开了⼀扇新窗⼝，⼀些教育机推拉活动护栏
构和组织正在研究、探索如何将该技术应⽤到教学和学习中。学⽣不仅可以享受到这种最新潮技术辅助教学的便利以及各种创新⽤法，还可以此作为促进他们学习设计技能的推动⼒，更会对他们的技术素养和未来的职业发展产⽣深远的影响。以下是⽬前3D 打印的⼀些典型的教学应⽤情况：
玛丽·华盛顿⼤学的教师在2012年的设计⼊门课程中使⽤3D 打印机作为学习环境。由学⽣扫描实物或⾃⼰设计出物品，打印
出原型，并在此基础上试验和改进[15]。在Full
Sail ⼤学，学⽣们使⽤该技术制作3D 漫画⼈物，他们利⽤三
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维软件设计⼈偶并打印出塑料模型[16]。美国弗吉尼亚⼤学的学⽣通过3D 打印技术制造出⼀架模型飞机并成功试飞，飞机的所有零部件都是通过3D 打印制造的。美国国家科学基⾦会（NSF ）的数字图书馆项⽬提供了很多3D 动物和器官结构模型，包括⽆脊椎和脊椎⽣物，很多是已灭绝⽣物。该项⽬的参与者正在扫描并打印复制古⼈类化⽯[17]。哈佛⼤学博物馆的研究⼈员也在利⽤计算机为收集到的残缺古代器具、化⽯等建⽴模型，然后⽤3D 打印出复制品。
根据对美国/doc/8e09c0485acfa1c7aa00cc7a.html ⽹站、2013年版《地平线报
告》等⽂献以及其他⼀些资料和案例的整理和筛选，笔者⼀共搜集了数⼗个在不同学科领域内使⽤3D 打印机辅助教学的例⼦，详见表1。
（⼆）典型案例分析
正如上⽂所述，3D 打印在教学⽅⾯的探索性应⽤已经展开。作为⼀种通⽤的技术，它可以应⽤到⼤部分的学科中去，涵盖正式学习、⾮正式学习和培训等类型的教育，尤其适⽤于设计、⼯程相关领域或是需要快速制作模型的领域。下⾯，我们借助三个案例详细分析3D 打印技术在教学过程中的创造性应⽤。
1.“明尼苏达星站”项⽬
明尼苏达星站（STARBASE Minnesota ）是⼀个由美国国防部资助的、旨在培养学⽣的科学、数学和技术兴趣的⾮营利教育项⽬。该项⽬始于1993年，主要教授航天主题的短期课程，提供了丰富的技术环境，⿎励学⽣⾃信地发展⾃⼰的技能和能⼒[18]。
项⽬的主要活动是让学⽣以⼯程师的⾝份参与，为探索⽕星的模拟任务设计和建造模型⽕箭。该项⽬⾃启动以来，不断在学习活动中引进新的技术和设备，以构造丰富逼真的
探究学习环境。为了让学⽣能够更真实地体验⼯程师的⼯作，该项⽬引⼊了3D 打印机。在掌握关于
自动折边机⽕箭的基础知识以后，学⽣会花⼀个星期左右的时间学习如何在计算机上设计⽕箭模型，然后通过3D 打印制作出⽕箭模型的组件，以测试不同的⽕箭设计（见图3）。模型⽕箭完成后，学⽣还要试飞并收集相关数据，将⽕箭的飞⾏路线在⾕歌地图中标注出来。此后，他们会尝试分析结果，并与负责项⽬指
导
的⼯程师讨论设计⽅案对飞⾏路径的影响。整个学习活动的流程如图4所⽰。
图3学⽣测试⽕箭鳍①
图4⽕箭课程的教学流程
3D 打印在构建学习⽕箭设计知识的探究情境⽅⾯发挥
了很⼤的作⽤，具体表现在以下两个⽅⾯：
（1）提供了模型快速⽣成能⼒。原来的活动设计⽅案中，由于成本和技术问题，学⽣仅在电脑上完成设计⽅案，不制
表1
3D 打印在各学科教学中的应⽤案例
学科/领域
电磁⽤法/案例
1电⼦制作替代部件、模型夹具和设备外壳等2化学制作3D ⽴体分⼦模型等
羟基氧化钴3⽣物、医学打印出分⼦、病毒、器官、⼈⼯关节或其他模型4数学可根据数学⽅程打印出模型，⽤于解决⼏何曲⾯问题、城市布局设计等
5航空打印出飞机模型，作为空⽓动⼒学的试验模型6地理制作⽴体的地形图、⼈⼝统计图等直观模型
7
烹饪
制作出菜品展⽰模型，打印出巧克⼒造型，甚⾄是⼈造⾷品
8机电⼯程根据设计作品快速制作出原型，或是可直接使⽤的齿轮、连杆等部件
9建筑设计打印出设计作品的微缩3D 模型
10历史、考古⽤于复原历史上的⼯艺品、古董，⽤于复制易碎物品11动画设计打印出作品的3D 模型，如⼈物、动画⾓⾊模型12天⽂根据观测数据，打印天体模型
13
⼒学
根据设计制作桥梁等模型，进⾏⼒学实验
①本图⽚来源于/doc/8e09c0485acfa1c7aa00cc7a.html
/slideshow/8424878ff37345cf9683b89749c0fdd8/aerospace_field_trips.html.
