时间：2023-10-25 11:00:40
关键词 职业教育;3D打印技术产业;应用型人才;培养模式
中图分类号 G710 文献标识码 A 文章编号 1008-3219（2015）29-0020-04
作者简介
高群（1981- ），女，福州大学经济与管理学院副教授（福州，350108）;郑家霖（1990- ），男，福州大学经济与管理学院硕士研究生
基金项目
福建省社科规划基金项目“基于技术路线图思维的福建省3D产业联盟协同创新机制的研究”（2014A036），主持人：高群;国家自然科学基金青年项目“产学研合作成效影响机理及提升策略研究”（71403054），主持人：欧忠辉;福建教育科学“十二五”规划课题“研究生职业培养主动行为研究――基于福建省16所高校的实证观察”（FJJKCGZ14-039），主持人：高群
一、引言
3D打印技术又称增材制造，是以数字模型为基础，将材料逐层堆积制造出实体物品的新兴制造技术[1]，体现了信息网络技术与先进材料技术、数字制造技术的密切结合，是先进制造业的重要组成部分。经过多年发展，这一技术在我国航空航天、汽车、生物医疗、文化创意等领域得到初步应用，涌现出一批具备一定竞争力的骨干企业。但是，3D打印技术产业化仍处于起步阶段，与先进国家相比存在较大差距。目前国内3D产业在核心技术及工艺材料与设备操作上还存在技术瓶颈。国内部分3D打印机的激光器、振头等关键器件以及相关的工艺技术、材料技术均落后于发达国家，这部分的研发需要多学科协同创新推进。此外，对3D设备的操作者也提出了不同于普通加工设备使用的技能要求，要求操作者不但要会使用较为复杂的3D设备，还要掌握三维数据处理软件、工业建模软件等，目前存在巨大的行业人才缺口。
二、3D打印技术产业人才需求分析
（一）技术型人才
这种人才位于产业链上游，主要从事与3D打印技术相关的开发和研究，用于工艺上的提升、打印材料的研究以及打印设备的开发。3D打印技术是机械工程、计算机技术、数控技术、材料科学、生物工程等多学科技术的集成。目前，我国的3D打印技术研究力量主要集中在几所高校，其中，华中科技大学研究重点主要在激光粉末烧结技术，清华大学侧重塑料堆积技术和生物医学领域，北京航空航天大学和西北工业大学主要集中在金属3D打印设备的开发，而西安交通大学的优势在于光固化领域。各高校间多学科协同创新缺乏、交叉学科的科研课题匮乏，这些都限制了3D打印复合型技术人才的培养。
（二）应用型人才
应用型人才作为技术和市场的中介，位于产业链的上游和中游。这种人才具有某一学科坚实的专业基础，又能将这一学科的专业基础与3D打印技术充分融合，主要侧重于机械制造、机械控制、软件算法以及材料配方等与市场客户需求紧密相关的技术应用层面。现有国内的大学、大中专院校还未开设有关3D打印技术的专业课程，学生所掌握的3D打印技术较少，对3D打印的理论体系、机械架构、制作过程缺乏深入的了解，从而造成了应用型人才紧缺的现状。
（三）商业型人才
商业型人才作为技术与市场的汇总者，位于3D打印技术产业链的下游部分。作为3D打印技术产业的商业型这种人才需要对3D打印技术及其产业链运作有着深刻的了解，拥有丰富的市场和商业的知识与实践能力，能从3D打印技术的应用入手，结合自身企业的实际情况和优势，与市场需求有机结合，准确定位自身的发展方式方法，整合创新出适合于本企业发展的商业模式。
技术型、应用型、商业型人才归纳，如表1所示。
三、3D打印技术产业应用型人才培养困境
随着3D打印技术产业的不断发展，3D打印技术在传统教学中的应用已经悄然兴起。例如，工程设计系的学生用来制造原型产品，历史系的学生用来还原文物，车辆工程的学生可以用来打印汽车零部件用于观察，地理系的学生可以通过这一技术绘制真实的地势图和人口分布图，生物系的学生可以打印出细胞、器官等生物标本。然而，3D打印技术在发展过程中，有许多现实困境不容忽视。
一是缺乏教学平台。教学平台建设是学科发展的基础。国内职业院校由于实验设备长期落后，教学经费紧张，而3D打印设备又较为昂贵，许多学校无力引进相关3D打印设备，建立3D打印技术教学平台。3D打印技术属新兴产业，学校对此认识不足，存在教学盲点，无法整合3D打印技术相关教学资源。传统制造业企业对于3D打印也存在误解，缺乏实际应用，更无法提供实践指导。因此，3D打印技术经过多年的发展，仍未有效引入教学实践。
二是师资力量薄弱。国内职业院校的师资队伍多为专职教师，缺少企业实践经验。此外，3D打印技术缺乏普及，且无专门学科专业培养3D打印技术教学人才，而本身产业中又存在着技术人才、应用人才以及商业人才的巨大缺口。因此，建立强大的、高水平的师资力量是打破3D打印技术产业应用型人才培养困境的必由之路。
三是创新成果转化机制不健全。国内职业院校的创新意识薄弱且缺乏有效的创新成果转化机制。3D打印技术的应用需要职业院校提高积极性，激发学生的创新意识与创新思维。
四是人才培养机制匮乏。职业院校与高等院校尚未与企业实际需求对接，没有制定出3D打印技术专业人才培养机制，致使这方面人才匮乏。
四、国外3D打印人才培养经验
经过一个多世纪的发展，美国与德国的职业教育体系已是十分成熟，本文借鉴美国社区学院为主导的职业教育模式，以及德国的二元制职业教育体系，为我国3D行业的职教人才培养提供思路。德国、美国职业教育经验整理归纳，如表2所示。
五、3D打印技术产业人才“五位一体”人才培养模式
基于3D打印技术产业的发展现状，遵循需求导向、产教融合的原则，本文提出“五位一体”的3D打印职教平台模式，实现职业教育与3D产业人才需求的高度契合。3D打印技术产业“五位一体”职教模式，即通过3D打印技术产业联盟及其成员企业，与职业院校共建教学平台，联盟参与高校3D打印技术教育师资培训，共同进行科研活动，促进科技成果高效转化，建立横向协同创新机制，举办校园科技活动，推动3D打印技术相关知识普及，并开展就业促进工程，帮助毕业生就业，建立纵向人才培养机制，以培养3D打印技术产业应用型人才。
（一）“五位一体”培养模式的运行机制
1.教学平台共建
首先，企业以优惠的价格与优质的服务提供3D打印设备，以建立3D打印实验室。在实验室的基础上，向高校提供教科研所需的3D打印软件以及必要的技术支持，解决高校3D打印实验软硬件缺乏的问题，建立3D打印人才培养基地。其次，在职业院校建立教学实习基地，联盟中的企业为职业院校提供实习基地，学生根据自身专业选择相应的3D打印课程，学校据此安排学生在选修课程过程中前往联盟中不同企业进行实习，以实现理论与实践相结合。最后，建立网络教学平台，除了职业院校中面对面现实授课外，联盟企业将搭建国内先进的3D打印网络学习及远程教学平台，整合国内外3D打印教学资源，为校内师生提供支持。
2.高校师资培训
为支持高校3D打印教学师资队伍建设，联盟企业将每年定期举办3D打印技术教师培训班，开设3D打印软件入门学习课程。联合高校不定期举办与3D打印相关的高级研讨班、研究班，邀请高校教师参与，相互交流，讨论教学心得、沟通教学课程、探讨课程设置与人才培养，共同促进3D打印技术学科在高校的发展。
3.科技成果转化
联盟企业与高校开展联合科研，成立联合项目研究小组，为参与高校申请国家重大科研项目、应用项目，并提供资金、技术和人才支持。借助产业联盟的优势，将科研项目成果效益进行扩散，协助研究单位通过深入挖掘市场价值，促进成果转化吸收，着力构建完善以企业为主体，高校为有益补充，产学研协同创新3D打印技术研发创新体系。
4.校园科技活动
联盟企业积极与合作职业院校协调，定期组织高级讲师与资深技术专家前往院校作系列3D打印技术讲座，涉及3D打印行业发展趋势、软件开发、行业动态、3D打印相关专业大学生职业生涯规划等，帮助高校师生更好地了解行业动态。同时，通过建立校3D打印社团，举办3D技能比赛、支持学生参与全国职业院校技能大赛等措施激发学生对3D打印技术的热情。
5.就业促进工程
联盟企业在举办大规模校园招聘的同时，联合各个企业建立大学生实习就业基地，联盟向盟员企业推荐3D打印相关专业毕业生，并对全国职业技能大赛、全国三维数字化创新设计大赛中发现的具有独创性及市场前景的3D打印开发项目提供一定的软件及项目基金支持。
6.打造一个高端联盟
一个高端联盟为3D打印技术产业联盟，3D打印技术产业联盟定期举办“高等院校及企业3D打印论坛”，邀请政府领导、知名学者、高校学科带头人、一线教师、企业代表、学生代表共同探讨3D打印教育发展，并评选出当届的“高校十大3D打印学科带头人”“高校3D打印新秀”“优秀3D打印实验室”等权威奖项。通过联盟的号召力与影响力，推动校企深度合作办学，使盟员企业贯穿于教学平台共建、高校师资培训、科技成果转化、校园科技活动、就业促进工程五位之中。“五位一体”3D打印技术产业应用型人才培养模式，如图1所示。
（二）“五位一体”人才培养合作模式分析
1.校企多层次深度合作
表层校企合作。以建立教学平台为目的，3D打印技术产业联盟及其盟员企业以优惠的价格提供3D打印设备，筹建3D打印实验室，以实验室为基础进行教学平台的建设，建设过程中提供软件与技术的支持。通过软件和硬件的支持，实现校企共建教学平台。
中层校企合作。主要在于充分利用校企教学平台为企业提供优秀的3D打印技术应用型人才，发挥教学平台的作用。一方面，进行师资队伍的打造与持续培训交流，对于3D打印教育中课程设置方面进行交流;另一方面，在培养模式中为学生提供实习与实训基地，优先进行项目外包，以项目的形式为学生提供实践的机会，并为优秀毕业生提供工作岗位。
深层校企合作。以基础的校园科技活动为出发点，举办3D打印科普讲座以及3D打印相关技能竞赛，普及与促进3D打印技术与专业的融合与扩散。同时，以科技成果的转化为落脚点，企业为学校与3D打印技术相关课题立项提供资金、技术与人才支持，为竞赛中有潜在市场价值的项目提供支持。
2.企业需求与人才培养模式相结合
企业需求与师资队伍建设相结合。3D打印技术产业联盟及盟员企业配合学校进行师资队伍的建设，聘请从事3D打印行业一线工作的专家以及技术人员对学校相关教师进行定期培训。
企业需求与协同创新机制相结合。以企业为主体、学校为补充，3D打印技术产业联盟盟员企业根据自身需求与学校相关专业进行对接，为特定科研项目、竞赛成果提供资金、技术、人才支持。
企业需求与人才培养机制相结合。邀请教师、专家举办研修班，定期交流教学心得、课程设置。在校园活动组织方面，建立教师与企业、学生与企业的长效联系，帮助院校师生及时了解行业动态。同时，在就业促进工程中，以项目的形式为学生提供实践的机会，盟员企业为符合自身所需毕业生提供岗位。由此，从课程、活动、就业实现3D打印企业需求与职业院校3D打印技术教育的无缝对接。
参 考 文 献
[1]罗军. 中国3D打印的未来 [M].北京：东方出版社，2014：2
[2]刘伟彦，刘斌.产学研合作教育培养高素质应用型人才―以江苏城市职业学院为例[J].石家庄职业技术学院学报，2014（1）：32-35.
[3]蔡伟.德国“双元制”职业教育考察之思考[J].统计与管理，2013（1）：89-90.
[4]高明.德国职业教育对我国技能型人才培养的启示[J].高等农业教育，2014（1）：124-127.
[5]徐国庆.多关注美国职业教育[J].职教论坛，2014（15）：1.
[6]吴昊.多维交叉的美国职业教育[J].职教论坛，2001（11）：59-60.
[7]吴金顺.美国职业教育的合作教育模式对我国高职院校的启示[J].当代继续教育，2015（1）：84-86.
[8]李立新.美国职业教育发展特点及启示[J].中国成人教育，2014（5）：100-102.
On the Cultivation Mode of Application-oriented Talents for 3D Printing Technology Industry
Gao Qun， Zheng Jialin
Abstract The article clarifies the relationship between industrialization problems through summarizing the domestic 3D printing technology industry industrialization problems，explores the specific role and requirement of the technical talents， applied talents and the commercial talents in the industry chain of 3D printing technology. And in terms of the vocational education article analyses the dilemma of application talent demand in the current 3D printing technology industry. Drawing on the experience of American and German vocational education experience， it promotes the“five-in-one”3D printing technology industry application-oriented talents cultivation mode which contains teaching platform construction， university teachers training， commercialization of research findings， campus science and technology activities， employment promotion projects and the 3D printing industrial technology alliance.
关键词：断路器；3D模型；仿真
作者简介：刘况（1986-），男，山东济南人，国网山东省电力公司检修公司，助理工程师；李龙（1964-），男，山东淄博人，国网山东省电力公司检修公司，高级工程师。（山东 济南 250000）
中图分类号：TM56 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）09-0257-02
对于电力系统尤其是目前大力发展的智能电网、智能化变电站而言，断路器是开断故障电流、切除故障的核心设备，因此，对其开展3D仿真模型的研制工作十分必要。而在目前的电力系统设备3D模型中，对500kV断路器的设计开发工作一直都是空白，从而给相关检修和培训工作带来了较大困难。针对这种状况，本文从500kV断路器3D模型的设计研制出发，系统阐述了模型研究工作的各个方面，创新了模型构建方式，将各个组成部件、工作原理、装配展示加上教学考核有机整合在一起，实现了500kV断路器模型的3D全方位展现。
一、断路器模型总体设计思路
断路器3D模型的初始设计是源于现场断路器设备的真实比例、真实外观等，通过计算机3D技术，将模型栩栩如生的展示出来。对于断路器模型整体的设计，本文将其合理的分解为三个部分，分别是断路器本体模型设计、断路器机构箱模型设计、断路器灭弧室模型设计。在此基础上，辅以设备支架模型、断口电容模型等配件模型共同组成了整个断路器模型。
1.断路器本体模型设计
在有了断路器整体设计思路之后，接下来便是对整个断路器模型的每一个细节进行认真制作和雕琢。断路器本体模型为仿照真实断路器设计，棕红色的瓷瓶、两节瓷瓶法兰对接，下部连于设备支架，模型上配有压力表、充气阀门等更为精致的设计，整个断路器本体模型便以3D模型的形式展示在电脑屏幕上。
2.断路器机构箱模型设计
通过Maya、3dsMax、MultiGen Creator等程序建立的3D模型，能准确反映出现实世界真实般存在的事物，包括断路器内部的基本结构和组成部件，如断路器机构箱模型的设计就是采用了这一点，先利用实物正确制作出诸如分合闸挚子、凸轮盘、操动拐臂、拉杆、分合闸弹簧、分合闸线圈等细小而重要的部件模型，再将各种部件拼接起来形成统一的机构箱模型，在需要拆分时依然可以按部件进行拆分，方便快捷、易于查看，把复杂的断路器机构箱如抽丝剥茧般的将每个部件及其位置阐述出来。这样使受训员工深入了解每个部分，学到现实中无法接触的东西。虚拟现实技术为受训员工创造出一种“真实”的学习和工作环境，既增加了受训员工的学习兴趣与效率，也避免了新手的操作失误，同时大大降低了培训成本。
3.断路器灭弧室模型设计
断路器灭弧室模型主要分为外部的瓷瓶，以及内部的动触头、静触头等部件。由于需要对灭弧室的模拟设计进行更形象、更深层次的渲染，所以该模型运用了3D动态技术将3D模型进行动态处理，将分合闸状态下动、静触头、电弧、六氟化硫气体等每一时刻发生的变化展示在计算机屏幕上，让所有学员都能更加顺利和从容的认知灭弧室的灭弧原理与设计构造。
3D仿真实训平台中的教学环节是按照电力公司规范的操作手册设计出来的，可以创建一个完全标准化的虚拟教学系统，在这个虚拟教学系统里，无论是对设备结构、工作原理的学习，还是进行虚拟拆解、组装和故障诊断、检修，对于所有参训学员而言，其培训内容都是统一的、标准化的。
4.断路器装配模型设计
在3D仿真实训平台中还设计了3D装配模型，装配模型是按照真实的断路器设备拆装过程，在计算机中机型模拟，实现模型的拆装功能。该设计旨在提高学员对断路器设备的组装、拆解能力。这些创造性的设计都能大幅度提高培训效果，从而提高学员的实际工作技能。
二、断路器3D仿真模型的具体实现
1.3D断路器模型的选择
本文设计的《500kV变断路器设备3D仿真实训平台》，是根据变电站实际情况，结合设备动态，让学员充分了解电气设备的仿真平台。该平台设计了一所变电站实景，视觉效果采用计算机成像，可以生成高质量的三维立体的断路器设备的实际样貌，并能将设备拆解成各部件，包括外部构成和内部构建，以尽量真实的设备及配件样貌展现出来。模拟范围可实现从设备360度的全方位自由观察。断路器的选择为在500kV变电站中常见的HPL550B2/4000-63型断路器。
在模型中，断路器相关的3D模型的尺寸都十分精确，外观大致相同。相关的3D模型组件间的连接精细，表现出实际的各组件间的连接原理。另外，断路器模型需满足以下条件：一是该系统设计为单机版，可适用集中培训，也可异地分散培训；二是可以进行设备的3D展示，同时可让学员虚拟操作；三是软件系统本地加载，运行效率高，运行速度不低于30帧/秒；四是设计提示系统对员工训练进行导引，使学习训练易于上手，无须配备讲师；五是设计评价系统（考核系统），对参训员工每个实训环节进行成绩评定。
2.断路器3D仿真设计
为了使断路器3D仿真平台可以流畅、无误的运行，就需要按照仿真的功能和实训的目标搭建合理的架构。对于功能方面而言，不仅包括断路器的外观展示、各部件的样貌展示、灭弧室工作原理教学，还包括知识考核功能；对于培训涉及的广度而言，不仅包括断路器的内部结构认识、各部件的作用及其构成，还包括断路器的安装和灭弧的动态展示。而这些所有的展示及功能都构建了一个系统性的整体架构。
3D仿真的关键不仅在于搭建了一个合理的架构体系，更体现在其规范性。由于真实的断路器设备非常复杂，为保证3D仿真的规范性，就必须填充大量的资料和数据，从设备的比例、各部件的具体形态到模仿设备动作的准确性、设备安装的步骤，都需要精雕细琢，从而达到在3D平台准确反映出设备的外形、内部结构、工作原理等功能的目的。
（1）断路器设备的3D设计。本文设计的断路器以HPL550B2/4000-63型断路器为蓝本，着重设计、描述了其三大部分的具体样貌，分别是断路器本体外观、机构箱内部结构及灭弧室内的构造。
在断路器本体外观中，以断路器本体各部件连接入手，将机构箱、瓷瓶、断口电容、六氟化硫压力表、充气阀门及灭弧室等部件反映于仿真平台上；断路器机构箱内部结构则充分展示箱内各部件的组成以及各部件的具体样貌，包括操作盘、分合闸挚子、分合闸线圈、凸轮盘、操动拐臂、分合闸弹簧等，并将这些部件一一连接入机构箱，使之成为一个整体；灭弧室的内部结构的复杂程度与机构箱类似，有很多部件，包括静触头、动触头、静弧触头、动弧触头、动触头气压仓等。[1]
（2）断路器装配的3D设计。本文设计的3D仿真系统将设备吊装的位置、组装的方法、装配的流程、环节及操作程序清晰直观的辅以3D动画展示出来，且通过3D技术实现多角度观看组装动画的演示，从而实现学习和提高断路器的装配技能的目标。
（3）断路器工作原理的3D设计。由于断路器的运行和工作原理在实际工作中很难直观了解，本文设计的3D仿真系统将通过3D画面的优势，模拟出实际的设备及部件，多角度、全视角动态展现出断路器的运行原理，包括机构箱内分闸、合闸工作原理以及灭弧室灭弧原理，并配有运行原理的详细解说，能够全面清晰地展示出断路器的运行和工作原理。
（4）断路器巡检的3D设计。断路器的巡检在实际工作中非常重要，是保障电力系统正常运行的关键。[2]本文实际的3D仿真系统将断路器的巡检方法和流程通过3D画面展现出来，并对检查瓷瓶破损等巡视要点加以说明和分析。
（5）断路器的3D考核系统设计。本文设计的3D仿真平台不仅针对开放性的培训与学习，还设计了考核系统，分别包括理论考核、部件认知考核以及装配考核，其中理论考核是对断路器平时应知应会的理论知识进行考核，系统设有海量题库，每次考核都会从题库中随机选择定量考题，以考量学习人员知识掌握的全面性；部件认知考核是将断路器的主要部件通过3D模型在系统中用动画展示出来，让学习人员进行辨认，并正确作答，从而考核学员对设备部件的辨识能力；装配考核是要求学习人员自行按规程装配，考察学员装配的顺序是否出错，从而考查学员的设备组装的理论能力。
三、断路器3D仿真的技术特点
断路器3D仿真的功能强大，具体包括以下几个方面：
第一，在仿真3D场景和设备中，用户如身临其境，立体感强。系统通过3D建模，将变电站相关场景和设备完全仿真搭建出来，学员在学习和训练时，就像在现实工作环境中一样，立体感强，具有强烈的视觉冲击，如身临其境，体验真实。
第二，突破传统教学模式，将3D仿真与实际工作相结合，提高了培训效率。传统培训模式大都是单向灌输式的，而且往往通过教材或讲座的形式进行教学，形式单调，学员兴趣低，遗忘率高，效果一般。该系统将3D仿真与培训完美结合起来，让学员在仿真环境中对相关设备和部件认知、操作、拆装、维护，通过动画学习工作原理，形式新颖，内容丰富，学员兴趣高，明显提高了培训效率。
第三，一次性投资，可多人反复使用，显著降低了培训成本。系统安装简单，操作方便，可安装到任意一台电脑上供员工操作训练，无需将员工集中起来培训，可以节约大笔培训经费。系统实现了电力设备仿真模型，员工培训时无需将实际的贵重设备用于训练，可以节约大笔设备采购经费。
第四，设有考核功能，可以评价员工的成绩，便于检验培训效果。系统中的考核功能可以将员工的考评成绩汇总，人事部门可以根据每个员工的考评成绩评估培训效果。
第五，系统预留升级端口，升级方便。系统预留升级端口和空间，可以较为方便的进行系统更新和新功能板块的拓展，今后可随时添加相关设备进行进一步的完善。
四、结束语
本文详细阐述了500kV断路器模型研究工作的各个方面，从3D模型的互动教学和互动考核环节两个方面，对断路器的各个组成部件、工作原理及装配展示进行全方位展现。不仅让学员全面清晰地学习、了解了断路器的运行和工作原理，而且提高了他们的断路器装配技能。随着检修培训工作的逐步深化，3D模型还要做到与之同步完善，不断适应发展的要求。
参考文献：
梁启超曾说：“少年智则国智、少年强则国强、少年进步则国进步”。青少年作为国家的后备军，他的发展关系着国家的未来和民族能否屹立于世界先进民族之林。如今，以机器人、大数据、3D打印为代表的新一代信息技术创新异常活跃，技术融合步伐不断加快，催生出一系列新产品、新应用和新模式，极大推动了新兴产业的发展壮大，进而加快了产业结构调整，促进了产业转型升级，改变了传统经济发展方式。
传授3D打印技术？助推3D技术普及
3D打印技术作为新一轮产业革命的重要标志之一，体现了信息技术与先进材料技术、数字制造技术之间的密切结合，未来，还将在的智能制造产业中与各种新兴的高科技一起创造出更大的价值。如何让这一新兴技术走进校园，让青少年学生能够以低成本进行创意、设计和制造，激发他们的创新意识和创意能力，让他们更加具体、简单明了地学习3D打印技术、感受新兴科技呢？这是我们一直在思考的问题。
为更好让这项新兴技术在贵州大地上落地生根、开花结果，贵州省第二届（贵安杯）青少年3D打印创意设计大赛组委会采取通过对教师的培训，让教师再去带动学生学习的方式对全省青少年进行推广和普及3D打印技术，从而达到一传十、十传百、百传千千万万的普及效果。
在大赛初赛前期，一场全省青少年3D打印大赛骨干教师培班在美丽的花溪河畔开班，在为期两天的培训课程里，来自全省九个地州市及贵安新区的大、中、小学以及各类职业院校共有330多名教师接受培训。培训中，讲师就3D打印的价值与意义、3D打印机实际操作、3D打印软件的学习与操作等方面内容进行了讲解。
此次骨干教师培训旨在让参加培训的老师返校后，能够独立传授3D打印技术，正确指导学生进行模型的绘制、建模、打印以及提交参赛作品。
参大赛？舌战群雄夺大奖
2017年6月17日，连续多天的阴雨天气在这天终于有了阳光，雨后的气温也随着阳光一路高歌猛进。然而这样的天气并没能阻止来自全省九市州及贵安新区的大、中、小学以及各类职业院校的1500余名参赛师生的热情，他们齐聚贵州贵安新区高端装备制造产业园参加贵州省第二届（贵安杯）青少年3D打印创意设计大赛省总决赛，在这里，他们将持续释放着他们的创意设计热情。
本次大得到了全省各大中小学的积极响应和热情参与，在比赛中，共有来自全省176所学校的2000余名师生围绕着“航空航天器”主题，通过3D设计软件设计出2600多件作品。经专家评审，最终有753名大、中、小学学生从全省参赛选手中脱颖而出进入省总决赛。
为保证本届大赛的专业性，组委会共邀请了21位长期在3D打印技术领域研究的高校博士和相关的业内专家担任评委，根据参赛人数设置了7个答辩室，每个答辩室由1位主评委和2位评委共3人组成的评审团对参赛学生的现场演讲与实体展示进行点评，评审结果由各答辩室的主评委、评委、参赛学生、记分员在比赛现场审核签字确认后生效。
在决赛答辩现场，各种造型奇异的未来航空飞行器纷纷亮相，如：蜻蜓3008、太空飞行船、大黄蜂飞行器、未来战斗机、太空母舰、微银光战机、未来飞行器、太空车、外星飞船、银河战斗机……这些外形新颖、设计奇特、构思巧妙、理念创新、充满未来感风格的作品充分展现了广大青少年学生们的想象力和创造力，赢得了现场评委的点赞。
6月18日上午，颁奖仪式在贵安新区高端装备制造产业园区厂房内举行，现场人头攒动，乐声飞扬，热闹非凡，备受瞩目的省总决赛获奖名单也在一阵阵热烈、持久的掌声中陆续揭晓。从初赛阶段的全省共有176所学校提交了2600多件作品到入围省总决赛的700多件作品中，共有731件优秀作品获奖，其中一等奖116名，二等奖274名，三等奖341名。
3D打印？照亮梦想
在常人的世界里，梦想是人生旅途的指南针，它指引着我们走向黎明；在常人的世界里，梦想是奋斗的源泉，在我们疲惫不堪的时候给予我们前进的动力；在常人的世界里，梦想理所当然的要壮志凌云。有关梦想，早已不是一个新鲜的话题，然而，能想象吗？当我们再次去诠释这个话题之时，我们所面对的却是一个特殊群体――特殊学校的学生，以及他们心中的那个“大梦想”。
一群身着红色校服的学生站在人群中，看起来他们和同龄人并没有什么不同，和每一个参加领奖的学生一样，眼里满是期待和好奇。直到走上主席台发言的那一刻，才发现他们与同龄的学生又有那么一点不一样，她微笑着用无声的手势通过翻译老师向现场的人们述说参赛的心路历程以及梦想的实现。这一刻，我们所能感受到的仅仅只是他们在无声世界里克服自身的种种弱点和困难，以顽强拼搏的精神去实现自己的梦想；这一刻，虽然他们所处的是无声的世界，梦想在他们的心中却掷地有声。
关键词：虚拟拆装；3D交互系统；船舶分油机；设计与制作
引言
随着虚拟现实技术的发展，在互联网+教育的不断融合下，为改善高校实训教学条件、改革教学方法、更新实训教学内容、提高实训教学水平，把3D虚拟仿真技术引入实训教学已成为一种趋势。船舶分油机虚拟拆装3D交互系统突破了原有课程实训的界限，不仅节约了教学成本，还增加了教学设计性、趣味性及创新性，同时也激发了学生的创新思维与兴趣。虚拟仿真的3D交互系统为学生独立自主地进行学习分油机的拆装创造了良好的条件，也有利于培养学生的实际应用能力和综合素质。
1 现状分析
（1）国外研究现状：虚拟现实技术最早是由美国VPL公司Jaron Lanier提出，并逐渐被用于各领域研究。美国对虚拟现实的研究主要集中在感知，应用软件和硬件等方面。美国宇航局（NASA）利用虚拟现实技术实现对空间站的实时仿真，并且建立了卫星维护训练系统和空间站训练系统。目前他们正在打造数百颗虚拟行星，代表在遥远的星系内围绕恒星运行的天体，到太阳系外寻找类似地球的行星。这些虚拟行星将被用软件“播下”生命的种子，历经千万年演绎进化后，研究生命的发展轨迹。北卡罗来纳大学（UNC）在分子建模、航空驾驶、外科手术仿真、建筑仿真等方面取得较大成就，并且开发出帮助用户在复杂视景中建立实时动态显示的并行处理系统，叫做像素飞机（Pixel planes）。美国布法罗大学虚拟现实实验室研制成功青蛙解剖软件，只需点击鼠标，实验员就可“拿起手术刀”剖开青蛙的皮肤看到其内部器官，随时通过内视镜观察青蛙的消化道，或细致的研究神经和血管。英国、法国、日本等国家大学在虚拟现实技术的实用性研究与开发中也取得了很大的成果。（2）国内研究现状：21世纪初期，我国航海类高等高校大学生也开始了对虚拟现实技术进行研究并且取得了成果，但是仍然跟欧美国家有一定的差距。目前，我国航海类高等学校的大学生根据自身特点和条件，在一系列相关的虚拟现实方面主要取得了以下方面的成就：大连海事大学、上海海事大学、集美大学等航海类高等院校都根据自身优势，将虚拟现实技术应用到轮机模拟器研究中去，实现了学员通过电脑虚拟环境对机舱的设备进行操作，大大提高了学习效率，但以上研究大多是在2D环境下进行。综上，目前国内外关于船舶仿真系统的研究较多，但大多局限于设备原理和操作过程的演示，比较缺乏拆装交互性研究。因此，通过船舶分油机虚拟拆装3D交互系统的设计与制作，将有助于高职航海类学生交互和泛在学习，进而提高学习效果。
2 研究意义
本项目主要突出应用研究，良好交互和真实的用户视觉体验，能够使学习者具有沉浸感、有助于启发参与构思，是对学习方法与学习手段更新的一种尝试。该系统不仅能充分展示船舶分油机复杂的拆装过程，又能够节省教学资源，满互性、实时性和实用性，提高学习效率。具体体现在以下几个方面：（1）实效性：该交互系统克服了传统的实操受到时间和空间上的制约，学生可以在课后随时随地进行实操训练。（2）安全性：使用船舶分油机虚拟拆装的3D交互系统，可以安全地进行实际操作中无法进行的故障和突发事件的训练，而不会对设备造成损坏，也不会对人员构成危险。（3）实时性：随着船舶分油机的更新换代，利用该交互系统只需要更改模型或者重新编写代码即可，节约了设备更新的费用。（4）趣味性：船舶分油机虚拟拆装3D交互系统的学习环境，很多时候更像是在玩游戏，具有一定的趣味性，提高了学习的兴趣，促进了学生创新能力的培养。（5）新颖性：船舶分油机虚拟拆装的3D交互系统改变了传统的实操课的学习模式，推动了学习模式向着信息化的方向发展。
3 研究内容及过程
以当前船舶主流分油机类型为研究对象，根据船舶实际操作，开发可用于实际学习的船舶分油机虚拟拆装的3D交互系统。其主要研究内容如下：（1）数据采集：分油机的模型要以用户视觉体验的沉浸感为目标，包括模型的材质、贴图等方面，都必须基于真实的物体，才能达到预期目标。由于课题组成员无法去船上参观具体设备，因此必须采集相关的影像或者图片资料。数据采集也是课题研究的基础所在。（2）虚拟场景搭建：本课题中的研究对象是船用分油机，按照实际资料搭建出模型，先进行区域划分，再以各区域为单位进行建模，最后再将各部分模型进行整合。在最接近真实物体的前提下，研究出面数最优的建模方法，以减少系统的消耗。（3）贴图及场景优化：贴图处理的目标是用最小的贴图尺寸显示最多的内容，本课题采用最小化贴图尺寸、提高贴图重用度和光影烘焙的方式进行贴图优化，在控制贴图尺寸的同时保证了贴图表现内容的视觉效果。（4）虚拟3D交互功能：虚拟交互功能是本课题研究的一个重要部分。在完成搭建虚拟场景的基础上，实现了虚拟场景中的多视角漫游和碰撞检测功能。基于界面的交互，不仅完成了现实世界中的人对系统的控制，也将虚拟世界中的相关信息准确地反映出来，实现了人机界面的交互。通过键盘按键控制虚拟角色的运动和摄像机视点的转换使得对虚拟世界的观察更为自由。（5）使用效果评价：在具体的教学过程中进行试用，对系统进行评价，并对发现的问题进行改进。
主要研究过程如图1所示：
4 结束语
通过对“船舶分油机虚拟拆装的3D交互系统”的设计与开发，加入了交互环节，并且以三维立体的形式全方位展示设备，最大程度上真实地模拟了分油机。良好交互和真实的用户视觉体验，能够使学习者具有沉浸感、有助于启发参与构思，是对学习方法与学习手段创新的一种尝试，不仅能够解决以往理论学习和实践学习脱节的问题，改善学习中许多难以到位或根本学不到位的弊端。而且节省教学资源，满互性、实用性和趣味性，提高学习效能。
参考文献
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关键词:3D打印技术;开放实验;教学模式
开放式实验教学是高校实验教学改革创新的重要途径,也是传统授课和自主学习的巧妙结合.随着个体行为的增加和流动性的增强,学生想自由地安排学习方式的意愿愈发强烈,开放式实验教学应运而生[1G3].依托学生天马行空的思维与新鲜奇特的想法,充分发挥其主观能动性,聚焦于想尝试的实验内容,按需选择仪器设备,独立思考设计实验方案,自由展开实验,在这个过程中,主动权交付于学生之手,教师只起到从旁指导的作用[4G5].与传统模式下固定时间、固定实验内容的实验教学相比,开放式实验教学更能突出学生的个性发展,有利于充分地激发学生创新创造的热情.我校地面机动装备实验教学中心发挥国家级实验教学示范中心的辐射作用,以培养学生创新设计能力为出发点,整合实验室现有教学资源创造开放实验条件,构建出柔性开放的实验环境.以3D打印技术实验教学为例,探索开放课程体系及运行机制,在教学大纲内课程实验、课外实验选修课、科技创新活动几类模式下展开实践,卓有成效.
1开放课程体系
课程体系是实现培养目标的载体,是保障和提高教学质量的关键[6].3D打印技术实验开放的对象是全校本科生,覆盖机类、近机类、非机类学生,各学生群体专业不同、兴趣不同,教师须因材施教.3D打印开放课程体系建立在3D打印技术创新训练教学资源库基础之上,资源库储备一系列典型、实用、难度阶梯化的3D打印教学案例.教学案例适当地多学科交叉,多层次实验项目结合,明确设计方案、技术要点、创新点等,落实到具体实验项目上,综合考虑不同年级、不同专业实验对象的特点,设计模块化、梯度化内容,满足不同层次或要求的教学环节,并编制实验大纲、实验指导书、实验报告等教学文档.目前3D打印的实验项目类型分为:(1)演示型实验.此类实验依赖教师课前准备,将已建好的模型导入切片软件中,为学生讲解切片原理,介绍切片相关参数,实验过程中学生直观观察打印制作过程,获得基本认知.(2)综合型实验.此类实验要求学生学习三维造型,在熟悉切片基础上,需要分析高/标准/低精度的切片参数设置对于打印效果的影响,探索优化打印质量的技巧,完成实物制作并进行误差分析,进而反馈改进建模.从实验内容上,分为一体件和组合件.一体件通常指单一零件的作品,覆盖范围较广,如卡通玩偶、指环等.组合件由2个或2个以上零件装配而成,如工业领域的发动机、减速器、轴承等,个性化玩具礼品中钥匙链、眼镜等.组合件要求在三维造型软件中仿真运动,分析结构设计的合理性.多数组合件是零件分开制作,再经后处理手工装配完成,而3D打印在制作工艺方面有其独特的优越性,某些装配体由于结构上的特点,3D打印技术可整体实现一次成型,因此三维模型须针对性地制订合理的实验方案.(3)创新型实验.此类实验注重综合能力的提升,要求学生围绕趣味主题展开设计与制作.经过前几个阶段的训练,学生理解增材制造理念,对3D打印工艺特点有了深入认识,结合三维造型将天马行空的想法变成真实的实物.考核环节是课程体系的重要一项,贯穿于整个教学活动中,调控着教学活动.3D打印开放实验考核采取三合一模式,实验设计方案占25％,实验过程表现占35％,实验总结报告占40％.根据开放模式比例略有调整,兼顾作品难度系数、个人或团队完成情况,以学生自评、互评、教师评价多形式结合,纳入实验过程表现考核中,使课程体系更具系统性、互动性.一门实验课程的结束并不意味着学习行为的终止,开放模式培养了学生自主学习的习惯,后续在交流平台中继续分享经验和资源.3D开放课程体系突出以学生为中心培养创新人才的理念,采取多样化教学方法和手段,灵活建构、动态生成知识,使学生融会贯通所学,激发出潜力和创造性.
2开放运行机制
3D打印实验实现时间、场地、实验内容3个维度的开放:时间上,工作日固定课程定时开放,周末提前预约,灵活开放;场地上,各类型实验室及仪器设备整体开放,最大限度受益于学生;内容上,以教学实验个性化定制为主,不局限于教学大纲[7G8].实验对象可以是班级集体、感兴趣的个人或志趣相投的小团队.对感兴趣的个人注重个性化培养,强调主动参与及自我启发、多元化理解;对团体参与的学生则鼓励交流合作,促进互动,能力全面提升.目前的开放模式有课程实验、实验选修课、科技创新活动几类,实现了理论课程结合实验课程、课内课外的联动.课程实验定位于教学大纲要求的实验,班级集中参与实验,注重培养观察能力,建立专业认知关注学习感受;实验选修课鼓励探究知识,激发学生的兴趣,适合学生的需求,一般课内要求完成32学时的课程,个人或团队提交实物作业及总结报告[9];科技创新活动则更关注应用,面向备战竞赛或创新活动的团队,开展定制化的课程训练,激发个性特长,体现学生参与实验教学的主体性[10G11].几类开放模式有着交叉融合的学习目标,从认知感知、综合应用到创新提高,内容、层次逐步上升,培养学生对知识的灵活驾驭能力.实验中心按需开发了网上预约管理平台,将实验项目介绍、约课方式、考核评价等功能全方位纳入,使开展实验的对象、时间、场地等要素线上线下有机统一.然而面对实验要素的不确定、学生个性化的教学要求,教师管理难度加大,重复劳动增多,引起教学工作量大增,因而还需要进一步探索更有效的开放实验长效运行机制.
3开放实验教学成效
3．1课程实验
机械与车辆学院将3D打印实验推广到机械类专业学生中,例如“精密制造工学基础”课程实验以制造工艺为主线,介绍机械领域前沿发展趋势,拓宽学生对物体成型方式的认知,系统地了解减材、受压、增材等成型方式,熟悉制造工艺特点,拓宽眼界.学期中,机械类专业各班级理论授课进度不尽相同,加之学生个性化的学习需求,刚刚接触了专业课的学生处于摩拳擦掌却又相对懵懂的阶段,实验热情较高.过去,一般教师会在实验前把实验细节以实验指导书、课件等形式直接塞给学生,客观上使很多学生做实验时会习惯性地依赖教师.而开放模式下,实验指导教师改变传统的“教师说学生做”的形式,采用激发学生兴趣的实验项目,实验过程互动交流,更容易获得良好的实验教学效果.在3D打印实验中,三维模型切片处理是一个很重要的环节,造型软件创建的模型经过切片处理,才能将数据输入到打印机中.指导教师针对多样化的模型,指导学生自主调节如切片的层高、熔融温度、放置角度、喷嘴移动速度等参数,在虚拟环境下预览输出结果,对喷嘴的行走轨迹、模型结构特点一目了然,从而综合评价设计,及时反馈改进建模方案.实验过程更多地以学生为中心开展,操作主动权回归学生手中,潜移默化下促进其主动探索,优化模型,实现有效学习,为其在专业领域的产品设计奠定基础.
3．2实验选修课
为了拓宽开放领域,利用3D打印技术开设了“实用艺术品创意设计与制作”校级选修课,进行开放式学习.本课程涵盖了艺术品创新设计基础理论及加工手段简述、基础三维造型设计实验、加工工艺分析、实用艺术品创意设计综合实验等阶段.在第一节课中,教师集中讲授理论内容及相关事项,之后的每次实验采取预约机制,学生可以充分利用零散的课后时间走进实验室,充分调动其自主性和积极性.终极考核阶段,教师设定多实验课题给学生,学生可就其感兴趣的内容选择,完成方案设计、实验实施、结果分析、撰写报告等环节,教师就方案可行性与学生探讨并从旁引导,通过阶段性的信息反馈,了解不同环节学生工作进展、工作方法及存在问题,呈现出开放实验所带来的“另类”课堂效果,切实获得高品质的学习效果,谋求创新思想、方法教育与动手实践相结合,学生不光有知识层面的收获,执行力及交流合作能力也提高不少.图2(a)是由大二学生根据“机械原理”课程中学到的差动运动机构,自主实现三维造型装配和动画仿真,最终完成实物制作,可直观地观察上下齿轮和卫星齿轮的运动状态,加深了对差动机构的理解;图2(b)是学生为了表达对母校的美好祝愿,设计并建模的“IBIT”摩天轮,包括底座、旋转轮、旋转轴、销子以及字母等,“I”“”“B”“I”“T”5个LOGO悬挂在旋转轮切面的五角星的5个角处.第一次制作模型时,学生对旋转轮与底座的配合没考虑周全,旋转轮安装到支架上后,圆周运动使得5枚字母LOGO与底座形成干涉.学生意识到作为一个设计师应有严谨的工作态度,于是分析设计方案,从源头入手修改支架原始模型、创建装配体,通过运动仿真完善干涉检查,在二次制作完工后,学生原设计思路得以以实物完整地呈现,摩天轮“活”了过来.基于实验选修课的开放模式突出个性化教学,以兴趣为导向,学生利用可视化三维软件进行造型设计、3D打印机实现加工制作,有效地解决产品制作过程出现的问题,在不断地优化成品的摸索中也提高了分析问题及解决问题的能力,最大限度地发挥学生实践主体作用和自主学习性.
3．3科技创新
科技创新能力的训练是对学生综合能力的锻炼.科技创新活动多以竞赛形式开展,以学生所在学科为背景,通过开展自主式学习与头脑风暴,使其完成作品设计制作的任务.结合国际大学生3D打印机设计大赛、机械产品数字化设计大赛、北京市“实培计划”暑期集训等科技创新活动,实践开放模式.3D打印技术有按需定制的优点,使复杂结构的产品快速成型成为可能,使产品结构设计制造的一体化趋势显现[12G13].将3D打印技术引入科技创新训练实战中,针对科技创新多样化特点,整合实验教学内容,为学生定制模块化训练项目,阶段性考核合格后,再完成科技作品的方案设计、制作与调试.实验室开放加大力度,集中备赛期间全天候开放,学生在开放环境中有更大的自由度,跳跃的思维更容易迸发出创造性的想法.以项目训练为基石、科技创新活动为导向的开放模式培养了大学生的创新设计思维及实践动手能力,顺应了产业界对人才培养的要求.3D打印机设计大赛的作品,学生通过查阅大量资料,设计3D打印机结构方案,确定各零件的选材及功用.铝合金型材连接件是一个难点,学生在详细了解传统机加工、铸造等工艺与增材制造的特点后,制订了3D打印的制作方案.连接件结构较为复杂,在制作过程中一旦发现问题及时调理设计方案,几经改进后,最后的实物成品既满足了功能性需求,也保证了强度要求.3D打印技术大大缩短了参赛作品整体的研制周期及制作成本.2016年北京市“双培计划”中“大学生机电综合实践与创新项目———北京学院”暑期集训活动作品,来自北京工业大学和北方工业大学的学生在我实验教学中心,根据柔性制造系统的理念设计并制作物料装箱与运载系统,包含物料传送、装车、转运等过程.学生运用3D打印技术制作传动齿轮、伺服电机输出头、机械手爪等,组装好的机械臂转动一定角度夹取物料送至运货小车,完成拾取和转运动作.
4结语
以3D打印技术作为基石,构建了开放式实验课程体系、运行机制,试点个性化教育,针对不同对象探索了基于课程实验、选修课、科技创新活动的开放模式,鼓励学生体验并融入到实验教学活动中,激发了学生主动学习的意识,培养了创新精神,提高了实践能力,同时也推动了实验教学的改革与创新.
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《创意世界》：2010年热映的《阿凡达》掀起了3D电影的热潮，您能我们介绍一下目前3D电影是怎么拍摄制作的吗？
鲁君尚：目前影院上映的很多电影都称作“3D电影”，但实际上拍摄、制作方式是有根本区别的，可以分为真3D和伪3D。
实景拍摄是用3D摄像机模仿人类双眼进行双镜同步拍摄，并经过后期合成制作，进行存放与传播；在放映时，由两个放映机把经处理的两路图像同步放映，让两帧有差别的图像按一定规则重叠在一起，再通过3D眼镜还原使画面出现景深，产生立体感，使人感觉身临其境。
虚拟拍摄则是通过3D技术进行数字化建模、渲染、动画、交互等，形成3D虚拟场景、人物、动作、情节等，“克隆”真实世界，或者呈现虚拟世界。然后再由3D技术模拟虚拟空间内置3D摄像机进行拍摄、后期合成。
无论实景3D拍摄/3D播放，数字虚拟3D拍摄/3D播放，都是根据人眼成像原理，对人类视觉的“欺骗”，以达到在大脑中形成更加立体、逼真的视觉效果。2010年上映的《阿凡达》，整部影片实景拍摄只有短短几分钟，90%以上都是通过3D技术实现的3D数字虚拟拍摄。
伪3D则是利用图像合成技术实现2D转3D，经典重现。代表作就是最近上映的3D版《泰坦尼克号》。
《创意世界》：除了电影，3D还包括哪些含义？目前主流的技术是什么？
鲁君尚： 目前人们对3D的理解大多在3D影视等，而对之实现的“幕后英雄”——3D设计普遍了解不多。3D已经成为工业界与文化创意产业广泛应用的基础性、战略性工具技术，嵌入到了现代工业与文化创意产业的整个流程，对于创意、创新、创造的支持和推进，对于科学技术与文化艺术的跨界融合、对于用户的逼真体验与互动，已经变得越来越不可或缺。
在3D成型方面，有3D打印。这种3D数字化制造最具标志性的新生产工具是“3D打印机”, 又称为“堆砌加工机”。它像打印机一样，一层层地把新型合成材料直接“印”出，或说是”堆砌”出一个产品来。这种模式将会取代传统的车、钳、鉋、铣，颠覆性地改变制造业的生产方式。据说，波音公司的飞机中有2万多个零件就是通过这项技术生产出来的。它无需用传统的流水线大规模生产，只要通过电脑给出一个设计，3D打印机就可以按照指令“印”出产品来，成本还不高，被称作第三次工业革命。
《创意世界》：3D经历了一个怎样的发展历程？
鲁君尚：说到3D的发展历程，也要分别来讲。基于人眼成像原理，利用拍摄角度叠加来实现立体效果的3D电影，早在19世纪90年代就已经出现，美国人威廉·弗里斯·格林提出了关于3D电影的设想并进行了实验。1922年，美国出现了第一部3D电影《The power of love》。
真正意义上通过三维数字化虚拟手段来实现3D效果，则是从1946年计算机问世才开始的。开始3D技术只作为高精尖科技应用在军事等小范围领域，随着技术的不断完善，逐步应用到工业、文化艺术等领域，普及程度越来越高。2010年，电影《阿凡达》的热映，将3D带到了一个高速大众化的时代。
《创意世界》：3D对社会新兴产业发展有什么意义？
鲁君尚： 首先，3D技术的广泛而深入应用，将大大推动传统产业的转型升级。三维数字化技术嵌入到了现代工业与文化创意产业的整个流程，已成为产品设计、制造、管理、市场、服务、消费等各环节的创新基础，是各国争夺行业制高点的竞争焦点。
其次，3D技术的广泛而深入应用，将大大催生和培育基于3D的战略新兴产业与新型现代服务业发展。3D展览馆、3D互联网、3D城市、3D虚拟世界等都已经在迅速地进入社会生活。一个围绕3D的全球新兴战略产业正在快速兴起，并已成为各国新一轮产业与技术竞争焦点。
第三，3D作为现代数字化技术，同时具有形象化视觉表现与文化体验，成为科技与文化跨界融合、深度互动的新的重要内容与载体。3D一旦实现大众化，“全民创新”将成必然趋势，必将有助于推动全社会的创新、创意、创造。
《创意世界》：3D在移动终端的使用前景如何？
鲁君尚：目前，移动互联网用户在互联网用户中所占比例越来越高；同样，移动终端也将会成为3D最重要、最普及的应用方式，例如3D手机、3DPad。
《创意世界》：如何看待我国3D发展现状和未来？
鲁君尚：3D在我国的发展速度是非常快的，可以用“突飞猛进”来形容。举个例子来说，由国家科技部、教育部等部门指导，面向全社会举办的全国三维数字化创新设计大赛，自2008年举办以来，参赛高校连续每届超过600所、参赛企业超过1000家，初赛参赛人数连续突破100万人。可见，在我国，3D的发展潜移默化而又日新月异。但是，不可回避的是，与西方发达国家相比，我们在3D软件技术、产品研发与生产制造方面的信息化水平还存在较大差距。
总体来看，相对于其他产业，3D作为新兴的技术和产业，我们和发达国家应该说是站在一个起跑线上的。中国有着及其广阔的3D市场，资源丰富，历史悠久，这是其他国家无法比拟的，此外，中国人民的还有着很强的创造精神。这些都是我们的竞争优势。
《创意世界》：3D的普及将会使我们的生活带来什么变化？
鲁君尚：在人类漫长的历史进程中，局于技术的限制，只能在沙土、羊皮、纸张的二维平面上表达和传递对这个世界的认识和创造，人们发明了平面投影方法，并基于纸张平面形成了抽象的平面视图体系。
【关键词】CAD 机械设计 应用
人在现实生活中看到的3D实体，是有颜色、材料、硬度、外形、尺寸、位置等概念的实体，甚至是带有相当复杂的运动关系的3D实体。由于以前的表达手段有限，在机械制图中人们不得不共同约定了与第一象限平行正投影的规则，用几个相关联的2D投影图表达自己的3D设计。这种信息表达是不完整的，而且绘图、读图要经过专门练习，假如能直接从3D概念开始设计，这样的3D模型就能表达出设计构思所需的全部几何参数。只有从三维开始设计，CAD软件对设计的辅助作用就会很轻易扩展和贯穿到产品开发全过程。
从3D开始的设计，仍然需要2D工程图的表达，而且要遵守传统设计的规范，因此作为CAD基础软件，必须具备从3D白动生成2D的工程图。并且具有双向关联的能力。以此为基础，进一步进行应力应变分析、零件质量属性分析、空间运动分析、装配千涉分析、数字控制可加工性分析、准确的2D工程图生成、外观色彩和造型效果评价、装配产品爆炸图、产品设计数据治理等一系列的需求都应能充分予以满足，这才是CAD技术对设计全过程的有效的辅助，而且是有明确技术效益和经济效益的CAD.因此，传统的以2D工程图为主的图形设计的资料治理将变成3D设计数据的保存和治理，从而使高职院校的机械制图课就可以大幅度删减，尽量保留学生的3D原始概念，随之而来的是2D工程图的画法也应随之大幅度简化。
美国Autodesk公司的产品INVENTOR是目前很好用的软件之一。它是建立在AutoCAD的基础上，具有AutoCAD的全部2D图形处理功能，并且增加了大量针对机械设计的支持功能。它对于3D造型，是基于特征、基于尺寸约束和儿何约束的参数化造型方法，有较好的3D与2D双向关联的能力。对于3D曲面，有良好的造型、修整功能。INVENTOR的另一大特色是为其他公司的应用软件集成到特定的用户环境下提供了相当方便的二次开发接口，这也是对传统AutoCAD开放结构的有效继续和发展。对于复杂的投影线生成，漏标尺寸，漏画图线的问题，在INVENTOR中是很轻易解决的、在INVENTOR中，并不直接生成2D工程图，而是首先绘制草图，仅对某些标注尺寸而要人为作些修改和补充。
对于部件机构的空间运动和动力学的分析讨论，在完成了3D设计的概念后，在INVENTOR中加载相关的专业应用软件就可以进行，其操作和结果都和我们很熟悉的AutoCAD用户界面相似。对于应力应变分析，我们同时结合有限元分析软件如（Dynamic Designer ， Visual Nastran FEA），可以对复杂的机械系统进行完整的运动学和动力学仿真。能够计算出机械系统零件的运动情况，包括位移、速度、加速度和作用力及反作用力，还可以作零件的强度和结构分析。
由于INVENTOR是以参数化三维特征建模为设计数据的表达，所以对于数控加工的分析处理提供了得天独厚的条件。目前基于INVENTOR开发的多种CAM软件也有许多，如从2D到3D粗加工、半精加工到最后的精加工，从刀位轨迹生成到数控（NC）代码转换，都是十分顺利的：处理速度也相当快。对于设计的更新与修改，INVENTOR也有独到之处，NIVENTOR中的三维建模模块本来就是3D参数化造型系统。例如尺寸修改，可以在3D造型上修改，也可以在与之相关2D工程图上修改，然后重新生成3D模型和2D相关图纸。对于设计下程治理，这只能由中国人自己完成，因为我们的设计习惯和治理要求与国外有所不同。目前国内已有一些优秀的软件和解决方案，如（Morrowsoft，CAXA）协同治理解决方案，通过应用OA，ERP等现代信息化治理工具，将极大地提高企业资源配置和生产流程治理能力。
对于三维CAD技术的应用有以下几点思考
一、把握和运用3D设计软件是有难度的
据笔者的经验，高职学生年轻，学得快但用得不好；面向企业经验丰富的工程师，大多数已不适应按3D概念进行设计构思，他们用平行正投影表达3D实体的思考方法已根深蒂固了。在学习3D设计软件之前，针对高职学生就是首先要解决基础知识和技术预备的问题。
二、任课教师本身的水平和经验不够，这可能是教学中最致命的问题
比起2D图形处理来说，3D设计更需要进行培训，不少学生用AutoCAD画2D图相当熟练，但在进入3D设计时，无论从概念还是造型技巧上，都感到相当生疏。高职院校应该加大资金投入，对任课教师培训，使他们尽早成为“双师型”。
三、学校实训设备问题
特约撰稿 支海波
近年来，随着网络化、数字化、数据库、云平台等信息化技术的发展，3D打印（增材制造）这一数字化智能制造技术在全球范围内得到了迅猛的发展，它将信息、材料、生物控制等技术融合渗透并集成应用，将对未来的制造业生产模式与人类生活方式产生重要影响，目前，3D打印（增材制造）已在航空航天、生物医疗、消费电子产品、汽车、军工、装备制造、文化创意设计等域被大量应用。
工业革命的历史进程表明：技术进步是工业革命的源泉和驱动力，工业革命会引起整个社会的巨大变革。如同蒸汽机、自动化流水线引起的工业革命。3D打印（增材制造）是‘—项将要改变世界的技术’，已引起全球关注。美国《时代周刊》将3D打印（增材制造）列为‘美国十大增长最快的工业’，英国《经济学人》杂志认为它将‘与其他数字化生产模式一起，推动并实现第三次工业革命’。美国政府2012年提出振兴美国制造业计划中的首个启动项目就是3D打印（增材制造）。3D打印（增材制造）的发展象征着个性化制造模式的出现，人类将以新的方式合作进行生产制造，制造过程和管理模式也将发生深刻变革，现有制造业格局必将被打破，随着人们对3D打印技术的认识程度不断深入，技术瓶颈的逐步突破，其应用也会越来越广泛，新的工业革命也将伴随着技术创新悄然来临。
在新的工业革命的大背景以及南京战略新兴产业转型升级的需求背景下，南京紫金（江宁）科技创业特别社区在江苏省、南京市和江宁区各级政府的大力支持下，联合西安交通大学，西北工业大学、上海交通大学、航空625所，中国航天科技集团、中国航天科工集团等一批高校和科研院所，大型企业，以国内3D打印技术学科带头人、中国工程院院士卢秉恒教授为总牵头人，以西北工业大学长江学者黄卫东教授、西安交通大学长江学者李豫尘教授、清华大学孙伟教授、上海交通大学王成焘教授等国内3D打印行业知名专家为技术核心，以南京紫金（江宁）科技创业特别社区的设施资源、专项扶持政策资源等为基础，汇聚社会各方资源，成立了国内最高水平、人才最集聚的“南京增材制造(3D打印)研究院”，同时汇聚了-批3D打印领域的企业，南京紫金（江宁）科技创业特别社区旨在以研究院为行业发展推动的引擎，参照‘德国弗劳恩霍夫应用技术研究院。模式运作，官、产，学、研相结合，集’科技创新、技术服务、产业孵化、人才培养。四位于一体，以市场需求为导向，以提升国家制造业尤其是提升南京市的制造业的核心竞争力为根本目标，汇聚吸纳国内外最优秀创新人才，积极开展“3D打印技术、装备及应用”的科学研究并进行相关产业化毖栩院，力争将南京紫金（江宁）科技创业特别社区建设成为中国3D打印（增材制造）领域最强的研究基地，打造国内比较完整的3D打印（增材制造）产业链，成为中国3D打印（增材制造）技术创新的摇篮、研究成果产业转化的平台，国内最具水平的独特的3D打印（增材制造）技术孵化器、国内最完整的产业化示范基地以及高质量的3D打印（增材制造）人才培训基地。
《改革与开放》杂志作为一家立足南京，面向江苏，影B向全国的杂志，在新的产业革命和技术进步的浪潮中，紧紧围绕为地方经济发展、产业转型升级、企业技术进步的主导方向，结合南京市的实际情况，特别推出本期‘发展3D打印技术助推产业转型升级’专题策划，目的就是希望能将符合南京市地方经济发展、产业转型升级需要的新兴技术进行宣传，为南京市的政府部门抉策、企业的发展做一些微薄的贡献。
摘 要 运用文献资料法、问卷调查法、专家访谈法，对3D影像技术在体育教学训练现状进行分析，论证制约3D体育教学的因素，提出3D影像技术在体育教学中应用的可行性建议。
关键词 3D影像 体育教学 3D课件 可行性方案
体育教学的重点和难点在于体育教师能够运用多种教学方法和手段使学生形成正确的动作概念和运动表象。将3D影像技术应用到体育教学，不仅对学生自主学习、培养体育兴趣等有促进作用，而且，能更好使学生形成鲜明、正确的运动表象，高效率地掌握运动技术动作。因此，分析3D影像技术应用于体育教学的可行性具有现实意义。
一、3D影像技术概述
（一）3D影像技术的概念
3D就是three-dimensional的缩写，意思就是三维图形。3D影像技术就是利用眼睛的视觉位移产生立体感效应原理，运用摄影机、放映机等设备拍摄和放映“三维影像”的技术总和。目前，3D影像技术主要分为两大类，一是裸眼3D技术，二是眼镜3D技术。目前3D电视常用的是眼镜3D技术。
（二）3D影像技术的发展趋势
电影《阿凡达》让全球兴起了影像3D热，3D影像技术也随着消费者需求的增加趋于成熟。3D电影、电视走入人们的生活中，改变着人们的生活和学习方式。DLP 3D投影机的研发使得3D投影机以低成本进入教学领域，使得学校建立3D教室、3D实训中心变为现实。例如，上海某大学2011年将阶梯教室改造成3D实训中心。3D影像技术也被应用于体育赛事的直、转播。2010年CCTV直播了中国第一场3D体育比赛，2012年奥运会规模空前的3D传播浪潮给3D技术带来了美好前景。第62届中国教育装备展示会在新会展中心举行，首次亮相的3D交互式未来教室的身临其境的教学方式吸引了不少观众。3D影像技术的应用从军事、电影、游戏逐渐转向科研、教学。
二、3D影像技术在体育教学训练应用现状
3D影像技术虽然日趋成熟，应用在教学中却发展缓慢。在我国3D教学仍处于萌芽阶段，没有形成规模。3D教学相关网站在网上零星存在，可用资源不足，试点学校太少，3D教学成功案例也不多，鲜有涉及体育教学训练。学校和俱乐部在3D影像教学投资甚少，迄今只有北京、上海、广州等几个发达城市拥有自己的3D影像教学设备。随着第62届中国教育装备展示会在成都开幕，3D教学也在成都试验。然而，在英国等7个国家和地区的15所学校已开展3D教学试验项目，DLP 3D教学在欧美课堂也成功实施。伦敦艺术大学教授安妮班福德在《3D教育白皮书》报告中写道：运用3D资源的班级测试成绩平均提高17%，普通方式教学班级成绩平均提高8%。英国教育技术展也讨论了3D教学的必要性。
3D影像技术应用及发展的研究众多，但是3D影像应用于体育教学训练的研究甚少。3D影像在体育教学中的应用主要面临着3D软件少，3D课件少，体育教师对3D技术陌生等问题。
三、可行性分析
（一）3D技术日趋成熟
3D教学已经在世界各地开始实施，尤其是DLP 3D教学在成都已经成功开展。在现今全球教育创新的改革中，3D教学已成为一个发展趋势。将好莱坞电影般的3D效果带入教室，创造性地使学校可以通过平价单机3D投影机实现沉浸式教学，从而为学生带来更真实而动态的学习环境。数字光处理3D投影技术已在目前所售的50%以上的投影仪中投入使用。由此看出，日趋成熟的3D影像技术带动了3D教学的迅速发展，有了日益完善的3D影像技术支持，将3D影像技术引入体育教学中指日可待。
（二）3D影像技术在体育领域应用迅速发展
3D影像技术在体育领域的应用最成功的莫过于体育赛事的直、转播。足球世界杯、奥运会让观众体验了身临其境的赛事体验，体会到了体育比赛的魅力。3D版24式太极拳视频从不同角度进行了演示，使初学者能够全方位的学习太极。著名舞蹈家刘真现在致力于3D舞蹈教学，她已经出版了大量的3D体育舞蹈视频。某位专家曾说过：3D影像技术在体育领域的应用将会是3D影像技术迅速发展的动力。3D影像技术在体育领域的应用为3D体育教学做了铺垫。
（三）良好的政府政策和教育理论支持
《体育与健康课程标准》中指出增强体能，掌握和应用基本的体育知识和运动技能，培养运动兴趣和发展良好的心理品质；在内容标准上，文件中指出要具有积极参与体育活动的态度和行为以及用科学方法参与体育活动，在教学方法上，文件强调以学生发展为中心。教学设备是提升教育质量的关键因素，也是推进素质教育必不可少的一环。通过各种创新技术提升学生学习的主动性、积极性为中国未来的教学改革带来深远的影响。利用3D影像教学能增加学生学习运动技能的兴趣，摒弃过去的灌输式、接受式、模仿式向主动合作探究式学习转变符合体育与健康的课程标准。建构主义理论认为学习的过程是学习者主动建构知识的过程，知识不再是我们通常所认为的课本、文字、图片以及教师的板书和演示等对现实的准确表征，而只是一种理解和假设。而3D影像教学恰恰符合构建主义学习理论。
教育职能部门对3D影像体育教学认识在很大程度上影响着其开展的可行性。以下是相关领导可行性认识的调查。
通过对20位相关领导进行调查访谈，认为非常可行的没有；认为可行的有11位，占55%；认为值得探索的有4位，占20%；认为不可行的有5位，占25%。由此可出，政府领导对3D影像技术应用到体育教学中还是抱有较大的希望，因此，领导的大力支持会进一步鼓励我们探索3D影像的体育教学。
（四）3D影像体育教学资金投入的可行性分析
一个学校只要采购一台3D电视或者3D投影机和几十幅3D眼睛即可实现3D教学，不仅可以用于体育训练也可用于人体运动学、体育解剖学、运动生理学等体育理论学科。3D设备价格分析：3D课堂中一部带有3D功能的DLP投影机，一般市场价格5000人民币以下；笔记本电脑或台式机，只需几千元就可用于教学；目前网上有很多3D课件提供商，很多网站提供免费下载，简易3D课件教师可自行制作；3D眼镜的价格在几十到几百元不等。
因此，如果以一个学校允许100人同时观看3D影像为例，以目前市场价格计算，自行购买设备，投资3万元左右。如果学校资金雄厚，向专业的3D公司定制成套设备，市场价格在40万左右，学校也能够承受。
四、结论与建议
（一）3D立体成像技术日趋成熟，3D影像应用越发广泛，逐渐转向教学。运用3D影像教学训练对学生和运动员运动表象的形成具有高效作用。建议政府教育部门提供相关政策支持，社会3D公司积极开发3D影像课件，免费进行试点教学实验。
（二）政府、学校虽然积极推行创新教学，但是相关资金投入不足。3D教室的改造成本低，学校和俱乐部可自我改造，自行购买3D影像设备，解决了资金不足的问题。建议在体育馆安装DLP投影机或者3D电视，即随时能够进行体育教学和训练又能节约空间。
（三）3D影像运用到体育教学过程中面临着体育教师对3D课件制作，3D设备操作陌生等问题。建议采用简易的3D软件，让没有电脑3D软件操作基础的教师、教练都能在教学中运用3D软件及制作3D课件。再者就是国家培养3D相关技术专业人员，制作3D教学相关的课件，在教育网络能够直接下载，使教师和教练能够直接使用。
参考文献：
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[2] 贺昆.桌面式虚拟现实和wed3d在推铅球教学课件中的应用[D].武汉体育学院.2007.
关键词：3D打印；高等教育；科技创新；创客；辅助教学
一、引 言
自2010年以来，3D打印技术（又称增材制造）迅猛发展，获得社会广泛关注。3D打印以三维CAD模型为蓝本，通过软件分层离散和数控成型系统，实现了“所见即所得”，并且在生物医疗、航空航天、文化创意等领域获得广泛应用。2015年，工业和信息化部、国家发展和改革委员会、财政部联合了《国家增材制造产业发展推进计划（2015―2016年）》， 2016年科技部会同有关部门又将“增材制造与激光制造”重点专项列入国家重点研发计划。这些纲领性文件和政策明确指出，应3D打印技术的研发和产业化作为我国战略性新兴产业的发展重点。
国内外教育界正掀起3D打印教育应用研究和探索热潮。美国新媒体联盟在《2013年地平线报告》中指出，3D打印将带来教学、学习和研究领域的创新。在国内，许多高校开始购置3D打印机，理、工、医、文等各领域都开展了相关的教学研究。3D打印在高等教育中的应用日益增多，它究竟有何种魅力？本文在归纳3D打印在高等教育中应用现状的基础上，从制造技术属性的角度，分析其在高等教育中的应用优势。
二、3D打印在高等教育中的应用现状
1.3D打印制作个性化三维教具
利用3D打印技术，教师可以依据教学实际需要，自己设计并打印个性化的教具。3D打印教具为学生提供比视频、课件更为真实、直观、清晰的三维实物体验，营造更为真实的学习环境。
利用3D打印技术制作教学模型辅助课堂教学的案例非常多。如苏州大学管华清等人依据典型病例CT照片3D打印骨骼模型并用于骨科教学，帮助学生加深对骨科疾病的理解；同济大学王建秀等人利用3D 打印技术制作小型、轻质化的矿物晶体模型，帮助学生对晶体结构形成直观印象。
2.3D打印辅助实验教学
随着教学方式的改革，实验教学已逐步由传统单一实验向开放性创新实验转化。由于3D打印是一种高度柔性的制造技术，可以制造各种材料和形状的零件，3D打印设备平台为学生自主设计并实施综合性实验带来便利。它不仅丰富了创新实验教学的形式，还增强了开放性实验对学生的吸引力，已成为当代高校实验教学中的重要辅助工具。
李斌等人在机械实践教学环节中，利用3D打印开设综合性实验，使学生设计并打印减速器结构。石河子大学陈凯等人在材料科学与工程专业实验中，让学生亲自动手制备反应釜模型和3D分子模型，加深对化工设备和基本原理的理解。中国石油大学孙致学等人将油气藏的形状、演化历史和物理特征等进行三维“可视化”和“实体化”。南华大学机械学院充分运用3D打印技术开展第二课堂实训教学，学生学习3D打印机的组装、调试及打印，合格者获得第二课堂学分。
3.3D打印支撑大学生创新活动
科技创新活动以培养学生独立思考能力、动手能力和创新精神为目的，是大学创新教育的重要组成部分。3D打印在大学生作品的概念设计、原型制作、功能验证、评审等方面都能发挥重要作用。例如，辽宁工业大学高奇等人以大学生创新创业训练项目为载体，将3D打印技术应用于汽车发动机壳体的快速制造，极大地激发了学生的创新思维，提高了学生的实践能力。
目前，“创客”已成为许多大学校园内一道引人注目的风景。2015年，清华大学建成全球高校中最大的创客空间，其他大学也设立此类场所以培育人才和激励创新。“创客”的核心内涵是将想法变成现实，低成本快速制造的3D打印机往往是创客平台必备的支撑设备。创客空间的3D打印设备实行常态化开放，为学生参加各种科技竞赛提供支持。
三、3D打印在高等教育中的应用优势
从目前文献报道的案例分析可知，3D打印能在高等教育中获得广泛应用，主要原因在于3D打印具有下列优势。
1.低成本定制
3D打印是一种高度柔性的制造技术，一套设备可以制造多种材料和各种形状的零件，这种制造柔性满足了高等教育中大量的低成本定制的需求。在课堂教学中，教师需要一些个性化的复杂教具，如毛细血管分布模型、建筑物模型、地貌模型等；在开发性实验中，学生自主完成产品设计，需要制作出实物模型用于设计验证或参加竞赛。这些需求都是小批量的、非标准的和多变的，若让传统制造企业协作完成，其经济成本是不可接受的。因此，低成本定制是3D打印能在教育领域获得广泛应用的第一原因。
2.快速制造
3D打印短流程，快速制造，工艺链很短，理论上是“一步到位”的制造。借助现代的桌面3D打印机，可以在数小时内制作完成一件复杂的零件。传统制造方式受夹具、模具等工艺限制，零件生产的时间都比较长，以月为单位的交货周期对于教育应用来说是不可接受的。
3.促进创新
3D打印理论上可打印任意复杂结构，这就是所谓自由成形的概念。自由成形使三维CAD设计具备“所见即所得”的新层次特征，大大拓展了设计师的创新空间。
大学生是极富创造力的群体，3D打印技术的应用有利于挖掘学生的创造力和激发学生的创业激情。
四、展望
尽管3D打印已经在高等教育领域获得广泛应用，但是3D打印在工艺、设备和软件等方面仍存在许多不足。例如，打印材料以塑料和树脂为主，打印零件强度不高、精度较低，主要用来制作教学演示模型，而教学实践中更需要能用于装配、测试、服役的实用功能零件。不过，随着相关设备和耗材的价格持续下降，桌面式金属3D打印机可能会成为未来高校教学设备的新宠，实用功能零件将取代塑料教学模型而成为主要的打印零件。
参考文献：
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Hod Lipson教授被福布斯杂志评为全世界最了解机器人的七位专家之一，同时他也因为对3D打印的研究闻名，他认为3D打印技术是他的研究方向“机器人自我设计和实现”的基础。Lipson教授认为，3D打印必然会继续普及而降低成本，最终会像蒸汽机、电脑和通讯技术一样促成人类第四次生产力革命。他从10个方面解释3D技术对现有制造业的颠覆。
1、复杂性免费，不需要再为增加物品结构的复杂性付出成本。在过去的生产思维里，增加结构，必然要增加技能，因为成本提升。但在3D打印中，只要体积相同的物体所耗费的成本是一样的，我们不需要再为复杂的结构付费。比如在航空中，会用到一种支架，通过特殊的镂空，可以让它支撑力不变但重量变轻一般，这在以前的生产中要增加很多成本，而多3D打印来说没有分别。
2、多样性免费，不需要通过批量降低成本。在制造业里，因为存在制版费，需要批量才能拉低单件成本，生产50支不同的牙刷所需的成本远大于生产50支同种牙刷。但在3D打印的世界里，它们没有区别，用3D打印牙套模型是个很好的应用。不了解的人会问3D打印什么时候能达到批量生产的效率，这种问题是对3D技术的不理解。
3、组装免费，消灭了人力资本密集的组装成本。因为制造业的基本思路是先生产零件，然后组装。组装所需的人工(或机器)费用也是成本的重要构成部分。但在3D打印的世界，实物都是整体生产的，不再需要组装，节省了生产费用，还能减少人工失误。
4、量产时间免费，从试产到批量生产的时间间隔为零。3D打印不存在生产线磨合问题，而传统制造业如果忽略这点问题就大了。比如手机行业，一条生产线从初产到正常量产可能需要几个月的时间。
5、设计无限制，不需要因为工艺需求限制设计的想象力。传统制造业的工业设计必须考虑工艺可实现性，有经验的设计师必须知道什么是不能做的。而3D打印没有限制，任何你能想象和描述出的都可以被实现。
6、无需工人的培训，可以快速创新。传统制造业的熟练工人很之前，但3D打印的生产是全机器化的，即使小学生也可以很快掌握。
7、颠覆供应链和分销网络。传统制造业需要庞大的生产线，特殊的厂房，集中生产。相比来说，3D打印机十分便携，它将集中在大企业和大公司的制造全力重新分配给个人，传统的分销网络和供应链也将失去作用。
8、生产废料少。特别是在金属原料生产中，因为不需要切割成型等操作。
9、生产材料无限制。在2000年以前，3D打印机还只能打印塑料，而现在可以用来做打印原料的有钛金属、陶瓷、水泥、黄金，甚至活细胞。
10、精确的重复。传统制造业里越复杂的结构越难一模一样的复制生产，因为人工和组装误差等。而3D打印却可以精确复制，不论多么复杂的结构和形状。
[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
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，但由于价格昂贵。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，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。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，具体流程如图2所示。
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。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CimaM.J.等人于1991年申报的关于三维打印专利为标志的。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。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。
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。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。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。
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打印装备和材料旧。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。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。
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。在FullSail大学，学生们使用该技术制作3D漫画人物。他们利用三维软件设计人偶并打印出塑料模型。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。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TeachThoughLcom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。
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。
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，不制作模型。配备3D打印机以后，学生的设计能够得以实现，并增加了测试和试飞环节，这是原来的课程无法做到的。
（2）营造真实的问题情境。激发学生兴趣。通过火箭模型的飞行测试，学生们会将自己的设计与测试结果建立联系。这将会影响学生们以后的学习和他们对工程设计的兴趣。在未来的教育中。这类情境对认知的影响会越来越明显。
3D打印机在本项目中的应用得到了师生们的一致好评，辅导教师克里斯蒂娜·约翰逊认为，“利用3D打印机，学生们可以真正地测试他们所设计的火箭，即使是枯燥的数学知识的学习，也成为了一个让他们兴奋的过程。明尼苏达星站项目每周最多可以培养115名学生，学生们试飞火箭时的表情无一不让我感到兴奋和骄傲。不论是对于我们还是对于学生们来说，这都是一个真正意义上的成就。3D打印机对于这项计划的成功发挥了重要的作用。”
2.人物动作模型制作案例
北卡罗莱纳州立大学是一所充满创新和协作氛围的公立大学。在该校的工业设计系。教师关注通过设计与技术解决从交通到医疗各个领域的设计问题，他们教导学生在现实生活中利用可视化软件和快速成形技术。创造性、切实地解决各种设计问题。
助理教授Spellcer Barnes在面向本科和研究生的“数字产品建模高级课程”中，提出了一个具有挑战性的任务，要求学生利用3D建模软件和3D打印机设计人物动作。其目的是向学生展示如何综合利用各项技术的组合完成具有挑战性的设计任务。包括创造性地使用3D打印机高效地完成任务。首先，学生需要从电影、卡通或漫画中选取一个人物角色，或者创建一个原创角色。在建立模型之前，需要对角色作概念设计并绘制参考草图（见图5和图6）。
由于有大量的细节需要建模，这个模型可能会很大。将模型转化成可打印的格式后发送到3D打印机，再打印成模型实物。最后，学生交流、展示自己打印的人物动作模型，进行学生互评和教师评价。3D打印在人物模型的制作过程中发挥了很大的作用，具体表现在以下两个方面：
（1）作为有效的教学和评估辅助手段。3D打印机在本项目中的使用节约了模型制作时间，不具备模型制作技能的学生也能制作出精美的模型。而且，3D打印促进了评估活动的进行。Barnes教授认为，“利用3D打印机创建的模型，我可以很好地了解学生在建模进展中的问题，如学生的设计草案和表达理念是否清晰，或学生所设计人物模型的姿态和平衡性等。”
（2）促进学习者的创新活动。3D打印技术作为一种连接虚拟与真实世界的技术，不仅丰富了学习者的学习环境。而且促进了学习者的创新活动。综合利用3D打印机及其制造技术有助于营造优质的、多样化的创作环境，提供多种创新要素。另外，3D打印机可以实现将学习者的设计想法有效地可视化，更早地发现错误和不足，引导学习者走向创新驱动的设计过程。
3.“从数学到饰品”研究项目
3D打印技术可以将我们构想的虚拟物体转化成可穿戴、可展示的实体。意大利理论物理国际研究中心（ICTP）的Gaya Fior介绍了一个在数学教学中利用3D打印机辅助数学学习的例子。该案例利用网上的免费工具将数学中的等值曲面转化成三维模型，并打印出可用于课堂教学的实物或者很酷的装饰品。
将数学公式制作成三维模型主要有下面几个步骤：首先，需要一个能够在三维空间中对数学曲面建模的可视化软件，该案例中使用了免费的KRDSurf软件，这是一个支持参数方程和等值曲面的绘制工具，自带了五十多个范例。Gava Fior选择了pseudo-Duplin等值曲面为数据源，这个模型不仅看起来比较有趣，还能获得较好的3D打印效果。确定模型对象后，还要调整好模型的分辨率，将生成的三维模型导出为OBJ格式文件。接下来需要对三维模型进行打印前的加工。使用Neffabb Basic软件检测并修复模型中的网格错误，再将其转化成3D打印软件最常用的STL格式。然后使用Ultimaker公司开发的Cura软件。将三维模型大小调整为适合打印的尺寸。由于大部分数学等值曲面都有弧形的底部和内凹的空缺部分，这里需要放置一个支架来保证模型在打印过程中不会坍塌。最后将文件发送到打印服务，并利用不同的材料（如金属或陶瓷）将文件打印出来。
3D打印的使用淡化了学科间的界限，不仅可以将数学模型以立体的、可视化的形式呈现出来，让学习者获得更为直观的感受。3D打印还可以为枯燥的数学知识增添趣味性和实用性，将数字化和时尚相结合。通过技术手段，可以使得数学与艺术并驾齐驱，通过数学模型去构造和实现艺术设计。令人惊奇的是，一些数学曲面的形状和特性本来就特别适合于珠宝。例如，如图7所示，实例不需要添加任何种类的挂环就可以作为吊挂的装饰物。
四、3D打印的用途、模式及创新
（一）在学习环境中扮演的角色
3D打印直到最近两年才在学校中有了初步的应用，但大都还处于前期探索阶段，并未真正投入日常教学。根据其在学习环境和学习活动中所处的地位不同，笔者认为，目前3D打印在教育实践中主要扮演了以下三种角色：
1.作为教学目标和学习内容
此时即要教会学生如何设计、如何建模、如何使用3D打印机。3D打印是集光、机、电、计算机、数控及新材料于一体的先进制造技术，被称为“引领第三次工业革命的制造技术”。我国已经制定了相应的发展策略，旨在促进信息产业和工业的深度融合。制造企业的数字化、信息化改造，需要大量熟悉先进制造技术的操作人员。随着国家大力发展3D打印技术的各项措施和政策的出台，未来人力资源市场会需要大量掌握3D打印技术的各级人才。这必将提供巨大的就业和创业机会。目前，已有一些职业院校开始开发此类专业和课程。2013年秋季。青岛市中等职业教育招生计划中，青岛电子学校新增了“3D打印技术”这个专业。
2.作为教学工具或学习工具，起到“效能工具”的作用
利用3D打印制作教学用具。或是把它作为快速实现工具，是目前3D打印在教学中最主要的用途。国内的一些高校已经为工业设计专业的实验室配备了3D打印机，学生在设计室内就可以把自己的设计转化成为作品，随时调整和改进。例如，有的学生正是得益于此，以3D打印机制作的作品参加了广东省“省长”杯工业设计大赛，并取得了不错的成绩。
3.作为教学环境，起到“认知工具”的作用
针对需要制作模型的课程，3D打印可以作为小组协作探究环境的一部分。承担对创意和技术方案进行快速验证的任务，促进学生创造力的培养和社会性认知。例如，Intel未来教育展示中有这么一个案例：某小学的物理课上讨论力学问题。学习小组设计了各种桥梁模型构造的方案，并将设计打印成实物，检验设计的承压能力。这就是一个将3D打印机作为探究学习环境的典型示例。
（二）在教学中的应用模式
3D打印在知识和技能、理论和现实之间架起了桥梁，丰富了学生的学习体验。总结3D打印在教学中的应用。主要有以下三种模式（见图8），其核心是3D打印的快速生成能力促成了数字化设计的实物化：
1.用于制作增强型的立体教具、学具
可视化教具对提高教学的效率和效果有显著的促进作用。原来的教学场景下，教师多使用语言和图片描述教学内容，形象直观的立体教具较少配备，或是无法定制。3D打印提供了更多的创造空间，教师可以自行制作某些教具，并在课堂上展示。学生也可以观察、触摸和组装这些教具，这种方式显然要比原来的教学效果更好。而且。由于多数教师都缺乏制作教具或设计教具的能力。有了3D打印机以后，只要公布设计文件，这些模型也可以在教师甚至是学生之间分享，充分发挥它的作用。
2.用于辅助学生进行设计创新
工程类或建筑类项目的学生可以使用3D打印完成快速原型。通过电脑直接将设计打印成微缩模型来构造设计方案，而不用花很多时间手工制作。通过这些快速原型，在设计初期就可以发现问题和不足，并且修正设计中的缺陷，教师也能及时给予指导和帮助。设计类专业的学生同样也可以利用3D打印技术快速实现他们的设计方案，并且到生活中进行检验和试用，把课堂上获得的技能和创造性构想应用到现实生活中。
3.用于强化课堂交互活动和协作学习
3D打印技术可为课堂交互活动提供更多的创造空间，使得课堂上的教学互动仅受教师和学生的想象力限制。例如，在物理课上。教师可以使用3D打印机制作齿轮组等机械部件，并提出问题，让学生分组自己设计其它部件并用3D打印机实现设计，完成整个力学实验。这类交互活动中学生处于教学活动的中心。以平等方式与教师互动：教学设计强调学生的主动学习，强调对学习主题的深层理解：教师扮演咨询者、辅导者和学习动机激发者的角色。这些开放式的交互活动不仅有趣，而且能够培养学生的合作精神和协作能力。
（三）对教与学的创新
根据上文对3D打印教育应用的模式和应用的领域分析，我们可以看出。这项新兴的学习技术在教与学方面有诸多的创新之处，主要表现在教学内容、教学模式和学习体验三个方面：
1.3D打印的应用有助于创造新颖的教学内容
国内外的一些应用3D打印的教育实验设计了很多新课程设计，这些课程常常涉及电子、计算机、设计等多学科内容的整合。例如，上文案例1中的明尼苏达星站项目就涉及空气动力学、材料学、设计等方面的知识，而3D打印为这些知识的整合提供了机会。此外，3D打印的应用也有助于推动STEM教育。STEM是包含科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、数学（Mathematics）的综合素养，强调学生的设计能力、批判性思维和问题解决能力。它是知识经济时代的人才培养目标之一。STEM教育有别于传统教育体系中学科界限分明的做法，着重于培养青少年的工程师精神，3D打印的应用使得很多以往难以实现的“动手做”类型的课程设计成为可能，激发了学生投身于技术和工程领域的热情。
2.3D打印应用在教学中，可改善教学方法
在大部分的3D打印课程案例中，3D打印技术的本身并不是课程的重点。这类课程采用项目的形式，其主要目标是将抽象的概念变成有趣问题的解决，进而帮助教师和学生掌握抽象概念。如在《3D打印：从想象到现实》一书中提到的“边做边学”课程设计了一个制作风力发电机的项目，将物理学、电子技术的一些抽象概念和动手制作巧妙地结合起来，让学生自然而然地学会和应用这些基础知识。此外，3D打印可用来制作定制化的教具和学具。案例3中提到的数学曲线模型将抽象的数学方程转化为可观察、可触摸的实体模型，让学生切身体验，为教师讲解该内容提供了一种更直观的方法，有学者称之为“触觉教学”。
3.3D打印应用在学习中，可营造更愉快的学习体验
3D打印的核心应用在于它能够帮助使用者将数字化的设计快速变成实物。上文提到的触觉教育中，独特的实物模型给学生提供了切身感受，并且可以操作模型互动。从另一个角度对事物增进了了解，能够帮助他们愉快地记忆，避免遗忘。还有，对于需要动手设计和制作的课程来说。3D打印可以帮助学生加速设计的过程，学生可以在设计的早期就通过原型化排除错误的设计。例如，以前力学课程实验中学生要想建造一个桥梁的模型，必须花费大量的时间用牙签和胶水制作，而现在交给3D打印机很快就能完成。这样，学生能更快、更安全地发现错误，找到解决方案。而帮助他们避免因为浪费时间在无用工作上，或是项目失败带来的挫败感。
五、述评与总结
3D打印是近年来迅速推广的快速生成技术，它在各个行业中应用得越来越广泛，由此也引起了行业内部的创新实践。本文对3D打印技术的概况、原理和教育应用情况进行了介绍，较为详细地分析了其在教育中的应用模式和经典案例。总的来说，3D打印有利于学习过程和学习活动的开展，其优势之处在于帮助创设丰富的学习情境：有利于学生将知识和实践相结合。此外，它能够解决教育机构的一些健康和安全问题。譬如，随着三维打印的应用，制作出原型或单个产品很容易，而且清洁、绿色，而学生可以较少接触刀锯、车床等容易造成意外人身伤害的机械，保证了一个安全的工作环境。
当前3D打印仅仅是试水教育行业，国内仅有少数高校和沿海发达地区的个别中小学配备了3D打印机，而且大多处于“可有可无”的水平，未达到在教学活动中创新应用的层面。在教育机构中。特别是国内的学校中推广和普及仍面临着很大的挑战。首先，软硬件环境配备代价高昂。无论3D打印机还是专业的三维建模软件价格都较高。同时3D扫描仪、三维模型的素材库等配套环境也有所缺失。而且入门级的3D打印机的工作效率很低，一个不太复杂的小物体都要数个小时才能打印出来。需要同时配备多台3D打印机才能满足一个30人小教学班的一次教学活动需要。其次，用好3D打印机需要对课程重新设计和再造，原有的学科课程很少涉及动手制作和多学科内容的整合。因此，除了打印教具以外，目前，3D打印机大多应用在创新性的课程或是课外学习活动中，难以引起常规课程教学的变革。再次，在课堂中应用3D打印机对教师和学生的信息素养要求较高，较强的动手能力和基本的工程素养是用好它的核心能力之一。这就首先需要对教师进行培训，既要在使用设备的技能上，更要在创新意识和学习活动设计能力上提升教师的水平。
教育行业是未来3D打印推广应用的重要市场，打印机厂商已经意识到其在教育应用中存在的诸多问题。3D打印厂商针对其在教育行业也提供了一系列的整体解决方案，涵盖教学资源、教学案例、技术服务、立体模型库等。2012年底，Stratasys公司了一款专门面向高等教育机构的3D打印机学术包——Olbiet30 Scholar。这款学术包是从硬件到软件再到耗材的完整解决方案，将为教育机构提供完善的快速成型模具和制造体验，帮助非专业人士降低3D打印的使用门槛。此外，Shapeways和iMaterizlize等一些创新技术公司提供了在线3D打印服务。用户可以在线提交模型文件，打印出来以后快递给用户。整个过程就如在线冲洗照片一样简单。还有一些公立的或慈善性质的创新实验室配备了3D打印机，可以对外提供打印服务。在3D模型的来源方面，有一些开源的模型库和转换工具可以免费使用，互联网上有海量的Google Sketch、3D max、AutoCAD格式的模型免费下载。用户可以下载后根据自己的需要修改，然后生成可打印的模型。
3D打印机从一种用于工业生产的制造机器，走进了家庭、企业、学校、厨房、医院，甚至时尚舞台。3D打印机和互联网、微电路、材料和生物技术相结合将引发技术和社会的革新，最终的结果是科学技术和创新呈现爆发式的变革。不久的将来，3D打印技术也会像电脑、打印机和互联网一样进入我们的学校和家庭。教育工作者不能，也不应错过使用这项新技术的机会。虽然3D打印机的普及还面临着很多困难，但随着技术的不断进步，很多我们现在担心的问题都会迎刃而解。让我们在实践中探索这种新兴学习技术，借此推动教学模式和教学活动的创新。
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