李勇　马洪杰

摘要：目前，3D打印技术在设计创新教育领域既是设计教育检验与评价的实体化工具，也是以解决问题为导向的个性化创造手段，又是虚实结合的设计创新教育平台的技术支撑，其应用模式主要包括创客空间、创新实验室和STEAM教育。今后，3D打印技术的升级将不断促进设计教育的创新发展，并推动健全完善跨学科的3D打印设计创新教育体系和该技术在设计教育行业的应用标准。

关键词：3D打印技术设计创新教育创客空间创新实验室STEAM教育发展趋势

中图分类号：G423 文献标识码：A

文章编号：1003-0069（2018）03-0034-02

引言

3D打印技术在2012年被英国《经济学人》杂志列为“第三次工业革命”的重要标志之一，该技术在航空、汽车、医疗、建筑等众多领域得到了广泛应用。2013至2016年美国新媒体联盟（New MediaConsortium）发布的《地平线报告》中指出，未来数年，3D打印技术将成为基础教育和高等教育领域中的主流应用技术。从近年3D打印技术在教育领域的应用案例中可以看出，该技术的成功导入，在激发学生创新意识和提升创造能力方面具有巨大的应用发展空间。

一、3D打印技术原理与特点

（一）3D打印技术原理：3D打印技术，又称增材制造技术，是基于原料喷射成型原理的快速成型技术。它的基本思路是利用计算机软件将构建完成的三维数字模型切割成一系列微小单元，再利用3D打印机把材料按指定路径添加到未完成的制件上，用聚合、黏结、熔结、烧结等物理、化学手段，逐层或逐点将材料固化在一起形成三维的实体模型。（如图1）所示，通过3D打印技术获取实体物品一般要经过数字化设计、实物打印和后期处理三个主要阶段。

根据具体成型工艺的不同，实物打印阶段采用的加工材料和加工方式都有所区别。目前主流的3D打印技术成型工艺有：熔融沉积制造、立体喷印成型、激光选区烧结、立体光固化和分层实体制造等。无论何种3D打印成型工艺，都突破了传统加工工艺的局限，显著地提高了产业创造力。

（二）3D打印技术的应用特点：在实际运用中，3D打印技术主要表现出以下三个特点：其一，自由制造，3D打印技術区别于减材制造技术，它不受模具和刀具的限制，能解决传统加工工艺难以制造的具有特殊曲面、异形深孔的复杂零部件的成型问题，因而利用3D打印技术能自由、灵活地对设计构想进行制造、验证和调整；其二，绿色环保，3D打印技术相对而言省去了多道复杂的加工工艺，在成型过程中避免了对材料进行切割加工，显著减少了工艺废料的产生，是一种具有绿色设计优越性的可持续制造技术；其三，高效快速，3D打印技术比较于传统成型技术，免去了模具的设计和制造修整的步骤，减少了大量的工艺加工工序，缩短了加工周期，提高了加工材料利用率，能高效率地实现大批量复杂零部件的快速成型。

二、3D打印技术在设计创新教育中的应用模式

随着3D打印技术的日臻完善，越来越多的桌面型、小型化、高精度3D打印设备进入高校及科研机构，成为设计教育创新发展路径探索的重要实现手段之一。而工业设计学科强调创造性与实践性的教育需求，与3D打印技术这种快速实现的特性不谋而合。其中，最具代表性的3D打印设计教育创新项目可以划分为三类：创客空间、创新实验室和STEAM教育。

（一）创客空间：创客（Maker）源于美国麻省理工学院的实验课题，该课题以创新为理念，以用户为中心，以个人设计和制造为核心内容，参与项目的学生即为“创客”。创客空间（Marker space）是支持创客完成个人产品DIY制作的开放性工作空间。在创客空间内，互联网为协同创新提供支持和资源，3D打印机等桌面制造设备，为创客将创意转化成产品原型提供技术保障。

（如图2）所示，加拿大达尔豪斯大学图书馆是加拿大第一个构建创客空间并向全校师生提供3D打印服务的高校图书馆。该校图书馆创客空间提供集中分布型与创业发展型两种模式的3D打印并行服务。集中分布型是指图书馆以激发学生的学习兴趣和创造性思维为目的，集中为学生提供3D打印技术相关的知识体系培训和体验式服务。创业发展型模式是该校图书馆由“文献服务”向“创新服务”转型的重要尝试，图书馆的创客空间为不同学科背景的学生进行协同创新提供必要的空间、平台和技术支持，并通过3D打印机等设备最终将创意转化为产品原型的服务模式。目前，上海交通大学、复旦大学、华东理工大学等国内高校图书馆也纷纷导入该模式，现阶段以提供3D打印体验式服务居多。由高校图书馆构建的以3D打印、3D扫描等快速制造设备为支撑的知识共享、知识创新服务模式，是今后高校设计创新教育发展的重要路径之一。

（二）创新实验室：为打破学科界线，更好地实现知识融合和知识创新，通过提供3D打印机等数字工具与资源，从而为学生提供适宜的学习环境和学习资源的开放式创新实验室应运而生。这些实验室通过开展多学科交叉的创新研究和课程，以实现培养学生的创新创意能力。

由美国国家科学基金会和麦克阿瑟金基金会资助的项目“Fab@School”，是开展集设计和3D打印于一体的创新课程教育。该课程通过设置一个实际的应用场景，让学生解决场景中的现实任务。学生在应用3D打印技术解决问题的过程中，不仅将物理原理等抽象概念实体化，同时还学习掌握了工程设计知识。弗吉尼亚大学的格伦布尔（Glen Bull）教授及他的团队创立了“边做边学”课程计划，在该课程的应用场景里，学生要扮演成一个名叫“威廉”的非洲男孩，并利用限定的材料制造风力发电机，以解救陷入停电危机的村庄。课程中，学生通过一系列的动手实验学习动能、电流和传动比等抽象的科学概念。（如图3）所示，学生利用软件和3D打印机设计制作出塑料风力发电机。Fab@School重点并不是设计软硬件和学习3D打印技术，而是聚焦利用3D打印解决实际的社会问题，进而帮助学生了解并掌握抽象的科学概念。

不同于传统实验室，创新实验室更加注重通过抽象概念解决开放性问题，并强调设计效果的验证。学生通过创新设计、数字建模和3D打印验证，使理论与实践相结合，为以往抽象的概念学习引入了新的知识学习维度。

（三）STEAM教育：发端于美国的STEAM教育是集科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、艺术（Art）和数学（Mathematics）的综合性教育，以融合多学科的教学方式培养学生创新能力以及解决现实问题的能力。该教育模式具有跨学科、趣味性、体验性、协作性、设计性、艺术性等核心特征。基于STEAM教育理念的课程设置，强调设计的重要性，将创新设计能力培养作为切入点，以3D打印作为课程的输出技术。

波士顿艺术学院2017年夏季举办的STEAMI作坊，参与学生通过团队合作、开放式学习和设计实践完成工作坊“未来世界”的主题。学生在教师的带领下，学习如何通过研究鸟类飞行的模式以及影响鸟类飞行能力的主要因素如升力、推力、阻力和重力等來制作飞船。学生通过分析鸟的飞行模式和羽毛结构对鸟类飞行能力的影响，利用生物仿制的方式完成最终设计。（如图4）所示，最终设计方案通过3D打印机、激光切割机等快速制造设备转化为实物原型，并通过以上五个学科综合评价学生的设计成果。可以看出，3D打印作为跨学科交互学习情境下的STEAM课程教学成果的输出端，发挥了不可替代的作用，既是学习过程中的认知工具，也是实现实物转化的效能工具。

三、3D打印技术在设计教育中的应用特点

设计创新教育的学习情境下，3D打印技术不仅是学习资源，同时也是学习目标之一。在设计创新教育领域，3D打印技术的应用有以下三个方面的显著特点：

（一）实体化的设计教育检验与评价工具：3D打印操作简单，对于环境条件要求低，可实现快速、精细的实物打印。区别于传统加工方式，3D打印具有受作品造型的限制小、周期短和费用低等优点，能精准再现学生的设计创意。通过3D打印技术，可将设计作品的外观或结构进行高精度的整体或局部的实体呈现，以方便进行造型确认、功能验证、可用性测试和用户评价等试验步骤。在设计创新教育中导入3D打印技术，不仅在检验教学成果、验证、评价设计的可靠性上具有重要的意义，同时还能促进学生有效的场景化学习工程技术知识，更好地培养学生的创新能力。

（二）以解决问题为导向的个性化创造工具：3D打印的一体化增材制造成型技术，免去传统机械加工繁琐的步骤和部分装配过程，能高精度地打印出复杂零件，最大程度地实现学生的个性化定制。学生在完成以问题为导向的设计任务时，3D打印技术能满足学生不同程度的个性化设计需求，提升学生解决现实问题的能力，促进学生向应用型、创造性人才的转化。

（三）虚实结合的设计创新教育平台：在“互联网+”背景下，3D打印技术不仅是优秀的线下教育应用技术，而且能突破时间、地点的限制，实现分布式协作和制造。基于互联网的3D打印教学科研平台支持多方协同合作制造，为教师和学生提供线上交流学习平台。这种集线上线下、虚实结合、教学科研为一体的设计创新教育平台，能有效地促进多方协同，产学研一体化合作模式的发展。

四、3D打印技术在设计创新教育中的发展趋势

3D打印是未来设计创新教育应用的主流技术之一，是开拓基于创造的设计创新教育必要组成部分，该技术在设计创新教育领域的发展主要呈现以下三个方面的趋势：

（一）3D打印技术的进步推动设计创新教育的发展：3D打印技术是多领域、多学科合作的产物，任一相关领域的突破都会推动3D打印技术的发展，从而影响到教育应用的创新。3D打印的技术不断发展进步，将实现打印速度、打印精度、材料运用等方面的应用升级，从而为设计创新教育提供更好的创造性环境。

（二）跨学科的3D打印设计创新教育体系化：随着运用3D打印的设计创新教育不断完善和发展，将逐渐形成跨学科整合，以创新协作解决实际问题为主旨的设计教育体系。在基于3D打印技术的创客空间、创新实验室中，开放式合作即形成对新技术、新理念的深度学习，又实现多维度的设计教育检验和评价。

（三）3D打印技术在设计教育行业标准的逐步建立：目前，3D打印在设计教育领域中的应用缺乏统一标准，一方面导致设计教学的质量参差不齐，另一方面有损教育资源交流的适用性。3D打印技术的标准化和规范化对设计创新教育的成效评价具有重要影响，如不同材料的物理和化学属性，以及所需工作温度和成型特点、3D打印机的安全防护系统等都需要建立统一的标准规范。

结语

随着信息技术、控制技术、材料技术的不断发展突破，3D打印技术将不断取得突破性的进步，能制造出材料更多样、结构更复杂、型面精度更高的产品。该技术的不断升级将成为传统设计教育创新变革的主要推动力，为设计创新教育的发展开拓新路径。