3D 打印技术对机械类中职生创新能力培养的研究分析

随着科技的飞速发展，3D 打印技术作为一项革命性的制造技术，正在深刻地改变着传统的生产模式和教育方式。在机械类中职教育中，培养学生的创新能力是教育的核心目标之一。3D 打印技术以其快速成型、个性化定制和低成本等优势，为中职生创新能力的培养提供了新的途径和方法。本研究旨在探讨 3D 打印技术在机械类中职教育中对创新能力培养的作用机制，以及如何通过有效的教学方法和实践环节设计，促进中职生创新能力的提升。

一、3D 打印技术概述

（一）3D 打印技术原理

3D 打印技术是一种基于数字模型文件的快速成型技术，通过逐层堆积材料来制造三维实体物件。其基本原理是将数字模型切片成多个二维截面，然后按照切片的顺序，控制打印喷头或激光等能源，将如塑料、金属、陶瓷等材料逐层沉积或固化，最终形成完整的三维物体。常见的 3D 打印技术包括熔融沉积成型（FDM）、光固化成型（SLA）、选择性激光烧结（SLS）等。

（二）3D 打印技术在机械领域中应用的优势

首先，3D 打印技术有助于缩短产品研发周期，快速将数字模型转化为实物原型，便于及时验证设计思路，进行修改优化，大大加快了产品从设计到成型的进程。其次，3D 打印技术有助于降低研发成本。相较于传统的开模制造等方式，3D 打印无需大量模具投入，对于小批量、个性化零部件生产成本优势明显，同时还减少了材料浪费。最后，3D 打印技术有助于实现复杂结构制造，可以精准地构建出传统工艺难以完成的复杂内部结构，拓展了机械产品设计的空间。[1]

二、创新能力构成与3D 打印教育的契合性

（一）机械类中职生创新能力的核心维度

机械专业背景下的创新能力是技术应用能力、工程思维和创造性解决问题能力的综合体现，具体包含四大要素：

1. 设计思维：将需求转化为技术方案的能力，需融合美学、力学与材料学知识

2. 工程实现能力：使用工具将设计实体化，并解决制造过程中的技术冲突

3. 系统优化意识：通过测试反馈持续改进产品性能

4. 跨领域协作：在团队中整合机械、电子、计算机等专业技能

这些能力难以通过理论讲授获得，必须通过真实项目载体和反复实践过程培养。而3D打印技术通过降低制造门槛，使学生能将更多精力聚焦于创新本身。（二）3D 打印技术教育价值解析

3D 打印在中职机械教育中的核心价值体现于三个层面：

1. 认知层面：通过将抽象图纸转化为实体模型，强化空间想象力。在工程制图课程中，学生通过打印投影模型，理解三视图与实体的转换关系，解决传统教学中“想象难”的痛点。

2. 实践层面：提供“设计- 打印- 测试”的闭环创新环境。例如在山东省职业院校技能大赛中，学生需完成洁面刷壁挂防尘装置的设计、打印与装配全流程，直接锻炼结构优化与工艺适配能力。

3. 素养层面：培养迭代创新思维与成本意识。打印耗材的成本约束促使学生在设计阶段即需考虑材料利用率与结构合理性，模拟真实工程场景。

三、3D 打印技术对机械类中职生创新能力培养的积极影响

有助于激发学生的创新思维

3D 打印技术作为一种数字化制造技术，能够将学生的创意快速转化为实体模型。学生可以在实践中不断尝试新的想法，设计独特的机械结构、复杂的几何形状等，从而培养学生的发散性思维和创造性思维能力。以拓竹P1S 打印机为例，该机型具有全封闭式机箱、支持 16 色 3D 打印等特点，其先进的技术和独特的设计能够引起中职生的好奇心和探索欲，让学生们思考如何通过不同颜色的材料组合来创造出更具创意和视觉冲击力的作品，从而有助于打破传统单色模型的局限，激发对色彩搭配、造型设计等方面的创新思维。

有助于提升学生的实践动手能力

3D 打印技术为机械类中职生提供了一个将理论知识应用于实践的平台。学生通过亲手操作 3D 打印机，能够更深入地理解机械原理、材料科学等相关知识，提高自己的实践动手能力。同时，学生在实践过程中遇到的模型打印失败、材料选择不当等问题，都需要学生自己去分析和解决，有助于培养学生的独立思考能力和工程实践能力。机械类中职学生在操作拓竹P1S 打印机时，需要亲自参与从模型设计、切片处理到实际打印的整个过程。以设计一个机械零件为例，学生需要运用 CAD 软件进行三维建模，然后根据打印机的参数进行切片设置，最后进行打印并处理打印后的作品。在此过程中，学生不仅学会了如何使用专业的软件和设备，还锻炼了实际操作能力和解决问题的能力。

有助于培养学生的团队协作精神

3D 打印技术在实际应用中往往涉及多学科知识的融合和多人的协作。在机械类中职生的创新实践中，团队成员需要共同讨论设计方案、交流技术经验、分享创意想法，这有助于培养学生的团队合作精神和沟通能力，为今后的职业发展打下良好的基础。在以拓竹P1S 打印机为工具的创新项目中，需要多个学生共同协作完成，有的学生负责模型设计，有的学生负责打印参数调整，有的学生负责后期处理等。通过这样的团队合作，学生们能够学会分工合作、相互沟通、协调解决问题，从而提高团队协作能力。

有助于增强学生的自主学习能力

3D 打印技术作为一个快速发展的领域，新的技术、材料和工艺不断涌现，要求机械类中职生具备较强的自主学习能力，能够跟上技术的发展步伐。学生在学习和使用 3D 打印技术的过程中，需要不断探索和尝试新的方法和技巧，从而培养自己的自主学习能力和终身学习的意识。拓竹P1S 打印机不断更新的技术和应用案例，促使中职生为了更好地掌握其使用技巧和发挥其功能，需要不断自主学习，了解不同新材料的特性和适用范围，从而不断提高自己的知识水平和技能水平。[2]

四、3D 打印技术在机械类中职生创新能力培养中的应用

（一）逆向设计：从实物到数字模型的转化

逆向设计是一种从现有实物模型出发，通过测量、数据采集和建模等手段，将其转化为数字模型的过程。这一过程通常包括以下几个步骤：实物测量与数据采集、数据处理与优化、三维建模、模型优化与验证。[3]

某技工院校的学生在教师的指导下，选择了一款复杂的机械零件进行逆向设计。首先，学生使用三维扫描仪对零件进行扫描，获取其三维数据。然后，通过数据处理软件去除噪声，优化数据质量。接下来，学生利用 UG 软件将处理后的数据转化为三维模型，并对模型进行优化，确保其符合设计要求。最后，学生通过 3D 打印机打印出优化后的零件，验证其可行性和改进效果。通过这一项目，学生不仅掌握了逆向设计的技术流程，还提升了创新设计能力。

（二）正向创新：从概念到实物的创造

正向创新是指从概念设计出发，通过创新思维和设计方法，创造出全新的产品或解决方案。这一过程通常包括以下几个步骤：需求分析与概念设计、三维建模与虚拟验证、原型制造与测试、产品优化与完善。

某技工院校的学生团队在教师的指导下，设计了一款新型的机械工具。首先，学生通过市场调研和用户访谈，分析了现有工具的不足之处，并提出了创新概念。然后，学生利用 Fusion 360 软件将概念设计转化为三维模型，并进行虚拟验证和优化。接下来，学生通过 3D 打印机制造出实物原型，并进行测试和改进。最后，学生根据测试结果对产品进行优化和完善，确保其性能和功能符合设计要求。通过这一项目，学生不仅掌握了正向创新的技术流程，还提升了创新能力和实践能力。

（三）产品设计：从创意到市场的转化

产品设计是指从用户需求出发，通过设计、制造和测试等环节，将创意转化为实际产品，并推向市场。这一过程通常包括以下几个步骤：市场调研与需求分析、概念设计与方案制定、三维建模与虚拟验证、原型制造与测试、产品优化与完善、市场推广与反馈。

某技工院校的学生团队在教师的指导下，设计了一款新型的文创玩具。首先，学生通过市场调研和用户访谈，了解了竞品的不足之处，并提出了创新概念。然后，学生利用 Inventor 软件将概念设计转化为三维模型，并进行虚拟验证和优化。接下来，学生通过3D 打印机制造出实物原型，并进行测试和改进。最后，学生根据测试结果对产品进行优化和完善，确保其性能和功能符合设计要求。通过这一项目，学生不仅掌握了产品设计的技术流程，还提升了创新能力和实践能力。

结语

综上可以看出，3D 打印技术对机械类中职生创新能力培养具有积极的影响。作为中职学校来说，应该在正确认识 3D 打印技术的优势基础上，通过强化教师培训、完善课程体系、共享资源等，让 3D 打印技术真正融入机械类专业教学的全过程，促进机械类中职学生创新能力的提升。

参考文献：

[1] 刘敏占，金青 . 基于 VR 技术和 3D 打印相结合的机械类课程教学改革探讨——以“机械制造装备设计”为例 [J]. 教育教学论坛，2024，（31）：89-92.

[2] 赵蓓蓓 .3D 打印技术在机械专业课程教学改革中的应用研究 [J]. 当代农机，2024，（11）：105-106.

[3] 农荣锋 .3D 打印技术在中职学生创新能力培养中的应用研究 [J]. 造纸装备及材料，2023，52（09）：191-194.

姓名 ：耿胜歌，出生年月：1993.4，性别：男，籍贯：，民族：汉族，学历：大学本科，职称：助理讲师，研究方向：机械。