本文摘要：3D打印技術作為一種新興技術，被應用在各個領域，教育領域將是未來3D打印技術推廣應用的重要市場之一。采用3D打印技術，教師可以制作出任意復雜、形象化的三維實體教具，用于課程的教學演示，使許多原本枯燥的課程和課程設計變得生動有趣，使學生從學習者變
3D打印技術作為一種新興技術，被應用在各個領域，教育領域將是未來3D打印技術推廣應用的重要市場之一。采用3D打印技術，教師可以制作出任意復雜、形象化的三維實體教具，用于課程的教學演示，使許多原本枯燥的課程和課程設計變得生動有趣，使學生從學習者變成設計者、參與者，有利于培養學生的創新能力。作為教育工作者，應該積極學習提高，在將來的實踐探索中，找到更多更好的教學模式和教學方法，為現代技能型人才的培養做出更大的貢獻。
《采礦與安全工程學報》刊登主要內容有：巖石(巖體)物理力學性質與基本理論;采場巖層控制理論與技術;巷道巖層控制理論與技術;資源與環境協調開采(含煤礦綠色開采)技術;礦井深部開采技術;沖擊礦壓機理及防治技術;礦井通風;礦井瓦斯防治;礦井火災防治;礦井水災防治;礦塵防治;礦井熱害防治等方向有較高學術水平和實用價值的最新研究成果。
計算機輔助教學是在計算機輔助下進行的各種教學活動，以對話方式與學生討論教學內容、安排教學進程、進行教學訓練的方法與技術。這一技術已廣泛應用于高校教學過程中并獲得了一定的效果，但課件屬于傳統的平面教學模式，缺乏直觀的立體感，所以在教學中容易使學生產生視覺疲勞，影響教學效果。在科學技術大力發展和先進技術廣泛應用的大背景下，已經有眾多高校將現代技術引入到課堂教學中，其中就不乏有教師在了解了3D打印技術原理后，提出了將3D打印技術應用于難以理解的專業課程教學與研究上，這其中既有機械類的課程教學應用，也有地理教學方面的應用。在這種情形下項目組大膽嘗試將3D打印技術應用于采礦工程的教學與研究中，利用3D打印機打印出礦山實體模型來指導教學工作，讓復雜的理論模型變得清晰易懂。
一、概述
(一)當下傳統教學模式
目前，3D打印技術還沒有引進到采礦教學中，對于采礦方法的學習一直是采礦工程學生的軟肋。在傳統礦業類課程教學中，教師講解礦山模型的具體構造、原理等，一般通過計算機輔助教學和礦山模型的三視圖。尤其是在采礦方法的學習中，不同的采礦方法有著不同的結構，對于空間想象能力較差的同學很難在腦中想象和構建三維立體圖。
因此，傳統的教學實踐中通常都存在一些問題：靜態的平面教具(如圖片等)不能很好地反映礦山實體模型的形狀、結構，采礦方法也不能直觀地表示出來;傳統的采礦教學主要以課堂為主，學生的設計和創新能力培養不足;傳統教學方法很難調動學生的學習積極性和學習樂趣。
(二)采礦專業課程特點
采礦專業方面的課程艱澀難懂，課程新概念多、理論性強，其中涉及大量的、難以理解的抽象知識，學生學習起來都有很大的難度，如礦山模型的學習對學生的三維模型構建能力和想象能力做出了很高的要求，但很多學生在這方面的能力卻很薄弱。在文字語言和圖形語言的互相轉化時，學生不易在頭腦中建立相應的理論模型。如果用3D打印礦山實體模型來展示和說明，課堂氣氛會立刻活躍起來，這時學生可以通過觀察和感知礦山實體模型中各個部分，認識和理解它們的含義，提高學習效率。這樣不僅會激發學生的興趣，提高課堂注意力，同時也可以使學生充當設計者、參與者，利用繪圖軟件制作礦山模型，然后通過3D打印機將其輸出，引發他們對知識的聯想與探知，達到“舉一反三”的一個效果。
二、3D打印在教學模型制作中的應用
(一)3D打印技術顛覆了傳統觀念的教學思想
通過AutoCAD、3D Mine等建模軟件來建立三維礦山模型，通過3D打印機將模型輸出，把二維圖形轉換成三維立體圖形，把抽象的三維模型轉化成3D打印實體模型。老師在講解這一復雜的、多樣性的結構時，就容易講解明白各個不同井巷之間的聯系與區別，各個井巷之間的功能。學生通過對不同結構的認識和區分，對不理解的部分深入探討，這樣能幫助學生清晰明白地理解這一重要、復雜的井巷結構。
(二)3D打印技術應用于采礦教學的優點
1.可改善采礦工程教學方式方法。采礦工程是一門具有復雜性、整體性、系統性等特點的學科。在采礦教學中，教師和學生接觸的是較為復雜的立體幾何，需要較強的空間想象和構造能力。在采礦教學中，對現實中的立體是采用三視圖來體現的，大多數學生很難在腦中構建出完整的立體圖，很難達到預期的教學效果。3D打印技術的發展為解決這一難題提供了新的途徑，3D打印技術本身并不是課程的重點，這類課程采用項目的形式，主要目標是將抽象的概念變成有趣的問題來解決，進而幫助學生掌握抽象概念。
教師在講解開拓系統、采礦方法的時候可以采用計算機與書本相結合，再加上3D打印教具輔助教學的方式，通過展現3D打印礦山實體模型給同學們具體地講解礦山元素的各個要點以及開采過程中的具體流程。同時，基于礦山“標準零件”的思想，教師在經過模型講解后，可以讓學生自由組裝模型，激發學生的好奇心和學習興趣。
傳統的課題教學模式都是“灌輸式”的，學生被動吸取，學習效率不高，沒有自主性;而采用學生自己動手組裝、拼接、設計模型的方式，學生自己發揮自己的想象力，再通過建模軟件(AutoCAD、3DMine)建立數字模型然后實體輸出，將自己設計的開采方法與老師和同學們討論，借鑒其他好的建議然后不斷改進自己的設計方案，這樣也就有了更多的見解和更深的理解。
2.可激勵和輔助學生進行創新設計。通過電腦直接將設計打印成微縮模型來構造設計方案，而不用花很多時間手工制作。作為參與、設計者的角色，一方面通過自己設計、自己制作的方法來提高空間想象和構建能力，直接對礦山實體模型進行講解，更能夠表現自己的設計思路，以及礦山的生產過程。另一方面，采用3D打印建立模型來展現實體流程的新穎方式，學生也將發揮自己的創造力將其應用于各個方面，如可以應用于礦山開采過程中的深部開采，開采過程中的人員信息集成(將礦山開采中所有人員的實時位置等相關信息通過3D打印實體礦山模型集成與可視化的桌面上)，或者也能將這種方法引申到其他學科的深奧專業課學習中等。這樣的教學和學習方法可有效提高學生的參與和思考能力，培養學生的創新和創造能力。 3.可提高學生的實踐能力和參與團隊協作意識，激發學生的學習積極性。3D打印需要學生的實踐操作，從三維模型設計到實體打印，都需要他們參與完成，這將促進學生操作、觀察、制作和團隊互助能力的發展，全面提高學生的動手參與能力。同時，3D打印將激發學生DIY的興趣，通過3D打印機，學生的構思轉變為真實的立體彩色模型，將抽象概念和設計帶入現實世界，使學習更加生動。3D打印技術的出現使得學生可以從設計、制作、展示、參與等角度融入到學習過程中，有效地激發了學生實踐的積極性，提高了學習熱情。
三、對3D打印教學應用的思考
3D打印技術在當前教育領域的應用越來越多，但在未來的發展中，仍然有某些方面需要進行進一步的思考和持續探索。
(一)3D打印將成為未來教學改革發展的新方向
像采礦工程這種系統性的工程還有很多，在探索未來教學改革的過程中，3D打印將成為一些較為復雜的學科的改革新方向，這一新模式應用于教學將很好地改進傳統教學模式，3D打印技術在教學方法中的比例會越來越大。
(二)3D打印技術將推動教學模式呈現多元化發展
從最初的因材施教慢慢轉變為老師集體教學和采用各種輔助方式來教學，其中的實物展示、課堂演示、實習，到后來的計算機輔助教學、ppt、視頻也出現在課堂教學模式中，現如今3D打印技術也將出現在課堂中，這將很好地推動未來的教學向更加多元化、人性化的方向發展。像采礦工程這種整體性、系統性、復雜性的課程學習將出現多種教學模式并存的模式。
(三)3D技術尚需要全面推廣
3D打印技術的快速發展推動了許多產業的發展，但相應的流程還不是很完善。首先，3D打印的普及與推廣就存在很大的問題，這次我們的項目也是3D打印技術在礦山實體模型中的建立和輸出過程中的初次嘗試。我國在3D打印技術的培訓與推廣方面，與其他國家相比還有差距，需要進一步推動新技術的學習。因此，我們需要關注并參與到最新的工業革命和教育變革中，對原有教學課程進行優化設計和再造，加強創新型人才培養，這是我們未來能夠在競爭中保持先進地位的根本保證。
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