基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)的3D打印實驗室開放模式研究與探索

鄭紅偉，張艷蕊，馬玉瓊，李世杰，戴士杰

（1.河北工業(yè)大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，天津 300401；2.河北工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院，天津 300130）

作為高校實驗教學(xué)改革的重大舉措之一，實驗室開放［1－2］是提高教師教學(xué)、科研水平及培養(yǎng)大學(xué)生自主創(chuàng)新能力的有效平臺［3］。教育部下發(fā)的《普通高等學(xué)校本科教學(xué)工作水平評估方案（試行）》中，在實踐教學(xué)評估指標(biāo)體系中明確規(guī)定實驗室要開放，且要求開放時間長、范圍及覆蓋面廣、效果好?！督逃筷P(guān)于開展高等學(xué)校實驗教學(xué)示范中心建設(shè)和評審工作的通知》、《教育部財政部關(guān)于實施高等學(xué)校本科教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程的意見》等文件中也明確要求實驗室開放運行管理［4］。

近年來，3D打印技術(shù)引發(fā)了人們越來越多的關(guān)注［5］。2014年北京國慶花展“歌唱祖國”與“公平誠信”兩個立體花壇的制作［6］、上海張江高新青浦園區(qū)內(nèi)的辦公用房［7］、北京大學(xué)第三醫(yī)院成功完成的世界首例3D打印椎骨植入手術(shù)［8］都用到了3D打印技術(shù)。借助3D打印技術(shù)能夠使復(fù)雜的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)快速得到實物模型，使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、設(shè)計、制造的一體化趨勢更為明顯［9］。目前，一些高校在工程訓(xùn)練中增加了關(guān)于3D打印的實訓(xùn)內(nèi)容［10］，使3D打印技術(shù)實驗教學(xué)成為培養(yǎng)學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新能力的重要環(huán)節(jié)［11－12］。鑒于此，河北工業(yè)大學(xué)工程訓(xùn)練中心（國家級實驗教學(xué)示范中心）建立了3D打印實驗室，并實現(xiàn)了實驗室在時間、空間、服務(wù)對象、實驗內(nèi)容上的開放［13］，改變了以往實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中存在的時間固定、空間固定、對象固定、內(nèi)容固定的狀況［14］。

筆者對3D打印實驗室的開放內(nèi)容、教學(xué)方法、運行模式等進(jìn)行了重點的研究，構(gòu)建了適用于3D打印實驗室的開放教學(xué)體系。

1 3D打印實驗室開放體系

依托中心已有的設(shè)備資源，3D打印實驗室目前可完成三維掃描、逆向建模、三維造型設(shè)計以及3D打印等多類實驗。為使有興趣參加開放實驗的學(xué)生不受專業(yè)、年級、時間的限制，實驗室面向全校學(xué)生實行周一至周日全天候開放，做到了開放范圍及覆蓋面廣、時間靈活?；跁r間、空間、對象、內(nèi)容等多個維度，3D打印實驗室建立了如圖1所示的開放體系，重點是開放實驗內(nèi)容、實驗教學(xué)方法（含成績評定）和網(wǎng)絡(luò)化預(yù)約的運行模式。

圖1 3D打印實驗室開放體系架構(gòu)

2 3D打印實驗室開放內(nèi)容

3D打印實驗室設(shè)置了層次化的開放實驗項目，涵蓋基礎(chǔ)層、提高層以及綜合創(chuàng)新層，力求通過完整的開放實驗訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生的自主創(chuàng)新意識和能力，提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力，鍛煉學(xué)生的實踐動手能力以及團隊合作能力。此外，為使參加開放實驗的學(xué)生切實掌握3D打印的知識和技能，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識，中心還搭建了3D打印競賽平臺，鼓勵和支持在開放實驗中表現(xiàn)優(yōu)異的學(xué)生參加校級、省級和國家級的各類3D打印競賽。

目前開放實驗的內(nèi)容主要涉及3D打印基本知識、3D打印機的操作及維護(hù)、模型的三維設(shè)計與打印、逆向建模與3D打印的結(jié)合等。具體的開放內(nèi)容與目標(biāo)如圖2所示。

圖2 3D打印實驗室開放內(nèi)容與目標(biāo)

3 教學(xué)方法——任務(wù)教學(xué)法

3.1 任務(wù)教學(xué)法

任務(wù)教學(xué)法（task－based approach）是一種建立在“建構(gòu)主義”（constructivism）理論基礎(chǔ)上的教學(xué)法［15］，其原則是：學(xué)生的學(xué)習(xí)活動與任務(wù)相結(jié)合，以探索問題來引導(dǎo)和維持學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，通過創(chuàng)建真實的教學(xué)環(huán)境，讓學(xué)生帶著任務(wù)去學(xué)習(xí)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性。教師對學(xué)習(xí)過程進(jìn)行引導(dǎo)和激勵，使學(xué)生真正掌握所學(xué)內(nèi)容。學(xué)生一直處于主體地位，是學(xué)習(xí)活動的中心；教師處于主導(dǎo)地位，是學(xué)習(xí)活動的引導(dǎo)者。在任務(wù)教學(xué)法中，任務(wù)、教師、學(xué)生的角色關(guān)系如圖3所示。

圖3 任務(wù)、教師、學(xué)生角色關(guān)系圖

基于任務(wù)教學(xué)法和Jane Willis提出的理論框架，3D打印開放實驗各個教學(xué)活動可分為前任務(wù)階段、任務(wù)環(huán)階段、后任務(wù)階段3個環(huán)節(jié)，各個階段中教師和學(xué)生的活動如表1所示。

表1 3D打印開放實驗教學(xué)各階段教師、學(xué)生的活動

本文以2個綜合創(chuàng)新層的實驗項目為例，簡述任務(wù)教學(xué)法的應(yīng)用。

3.2 實驗項目例1——自設(shè)計三維模型并打印

前任務(wù)階段：教師確定設(shè)計、打印一套創(chuàng)意家居的任務(wù)，并對任務(wù)的具體要求進(jìn)行介紹，如設(shè)計的作品個數(shù)不少于3件，作品要有實用性、美觀性及可操作性等。學(xué)生通過查閱資料尋求完成任務(wù)的途徑和方法。

任務(wù)環(huán)階段：教師根據(jù)學(xué)生的創(chuàng)意和思路，引導(dǎo)學(xué)生選用P/roe、Solid Works等三維造型軟件進(jìn)行設(shè)計。學(xué)生選定造型軟件，通過充分的思考和學(xué)習(xí)，將自己的創(chuàng)意轉(zhuǎn)變成三維數(shù)字模型，經(jīng)教師審核后完成模型打印。

后任務(wù)階段：學(xué)生撰寫實驗報告和參加開放實驗的心得。教師分析學(xué)生的實驗過程，進(jìn)行總體效果的評價，對創(chuàng)意優(yōu)秀的團隊/個人給予加分鼓勵。

3.3 實驗項目例2——結(jié)合逆向建模的3D打印

前任務(wù)階段：教師確定打印與實驗室現(xiàn)有玩具娃娃相同的3D實體模型的任務(wù)，并對任務(wù)的具體要求進(jìn)行介紹，如實體模型的比例、色彩、個性化等。學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)、圖書館等各種途徑尋求解決辦法。

任務(wù)環(huán)階段：教師根據(jù)學(xué)生提出的解決辦法，引導(dǎo)并提示學(xué)生采用實驗室現(xiàn)有設(shè)備完成任務(wù)，學(xué)生以小組合作的形式通過學(xué)習(xí)、探索，執(zhí)行并完成任務(wù)。根據(jù)作品的個性化要求，加入自己的小創(chuàng)意，如為作品添加自己小組的隊標(biāo)、簽名等，培養(yǎng)創(chuàng)新意識和能力。

后任務(wù)階段：學(xué)生撰寫實驗報告和參加開放實驗的心得。教師分析學(xué)生的實驗過程，進(jìn)行總體效果的評價，對創(chuàng)意優(yōu)秀的團隊給予加分鼓勵。

在3D打印實驗室開放過程中應(yīng)用任務(wù)教學(xué)法，改變了以教師為中心的工程訓(xùn)練教學(xué)模式，使學(xué)生成為教學(xué)活動的主體，獲得了充足的自主學(xué)習(xí)及自由空間，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。

3.4 實驗成績評定

為保證實驗的效果，在參加開放實驗前，學(xué)生需根據(jù)網(wǎng)站上公布的實驗資料進(jìn)行預(yù)習(xí)；實驗完成后，要按時、按要求提交實驗報告。教師根據(jù)學(xué)生課前的預(yù)習(xí)情況、實驗過程中的表現(xiàn)以及實驗報告的完成情況，對學(xué)生的學(xué)習(xí)效果進(jìn)行評價。完成全部實驗且成績合格的學(xué)生可獲得1個創(chuàng)新學(xué)分，并可申請獲得實訓(xùn)合格證書。實驗成績的評定不局限于實驗報告的書寫，而是突出實驗過程，避免了因?qū)嶒瀳蟾骖愃贫纬傻膶嶒灣煽兊牟缓侠韱栴}。創(chuàng)新附加分項的設(shè)置，能夠更好地激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識，有利于促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。各次實驗成績評定的計算公式如下：

4 開放運行模式

為提高工作效率，3D打印實驗室的開放運行以中心工程訓(xùn)練開放教學(xué)管理系統(tǒng)為平臺，采用學(xué)生預(yù)約、教師審核的網(wǎng)上預(yù)約方式。學(xué)生網(wǎng)上預(yù)約實驗的基本流程如圖4所示。

圖4 學(xué)生預(yù)約實驗流程圖

學(xué)生預(yù)約的實驗經(jīng)指導(dǎo)教師審核通過后，以4～6人/組參加實驗。如未通過審核，則需參考未通過原因重新預(yù)約。為督促選課成功的學(xué)生積極參加實驗，避免人員集中，便于實驗室管理，無故不按時實驗3次者，即取消其參加開放實驗的資格。

自2013年10月至今，已有200余名學(xué)生參加3D打印開放實驗并成績合格。其中有40余名學(xué)生報名參加了2014年第四屆河北工業(yè)大學(xué)實踐與創(chuàng)新能力大賽——“3D打?。簞?chuàng)意變成現(xiàn)實”，并取得優(yōu)異成績。學(xué)生參加開放實驗及競賽的部分成果如圖5所示。

圖5 開放實驗及競賽成果

5 結(jié)束語

在高校開放實驗教學(xué)中引入3D打印實驗，豐富了學(xué)生工程實訓(xùn)的內(nèi)容。通過基于特定任務(wù)的層次化實驗項目，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，鍛煉了學(xué)生的實踐動手能力，運行效果良好。

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［1］宋大雷，彭利軍，王明泉，等.教學(xué)開放實驗室建設(shè)的探索與實踐［J］.實驗室研究與探索，2011，30（3）：338－341.

［2］廖慶敏，秦鋼年.建立開放實驗室 提高學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力［J］.實驗室研究與探索，2010，29（4）：162－165.

［3］黃傳連.淺談高等學(xué)校開放實驗室管理［J］.科技視界，2013（31）：139.

［4］陳立君，楊麗艷.高校實驗室開放保障和激勵機制的研究與探索［J］.實驗室科學(xué)，2008，11（10）：135－136.

［5］王忠宏，李揚帆，張曼茵.中國3D打印產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀及發(fā)展思路［J］.經(jīng)濟縱橫，2013（1）：90－93.

［6］魏夢佳.國慶天安門花展首用3D打印技術(shù)“大花籃”可抗10級大風(fēng)［EB/OL］.（2014－9－21）［2015－03－09］.http：//news.xinhuanet.com/politics/2014－09/21/c＿1112563201.htm.

［7］裴鑫.10幢3D打印建筑在上海青浦交付使用［EB/OL］.（2014－8－21）［2015－03－09］.http：//news.xinhuanet.com/shuhua/2014－08/21/c＿126898193.htm.

［8］兀旦暉，趙晨飛.3D打印技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用研究［J］.課程教育研究，2013（21）：185－186.

［9］孫春華，陳雪芳，杜建紅.“逆向工程與快速成型技術(shù)應(yīng)用”課程教學(xué)探討［J］.蘇州市職業(yè)大學(xué)學(xué)報，2011（2）：56－58.

［10］成思源，周小東，楊雪榮，等.基于數(shù)字化逆向建模的3D打印實驗教學(xué)［J］.實驗技術(shù)與管理，2015，32（1）：30－33.

［11］田運生，劉維華，王景春.綜合性設(shè)計性實驗項目建設(shè)的探索與實踐［J］.實驗技術(shù)與管理，2012，29（2）：126－129.

［12］焦緯洲，劉有智，袁志國，等.基于工程實踐能力培養(yǎng)的化工原理實驗教學(xué)模式的研究與探索［J］.實驗技術(shù)與管理，2014，31（3）：166－168.

［13］王要利，肖宏濱，張柯柯，等.開放焊接實驗室探索與實踐［J］.實驗室研究與探索，2009，28（2）：157－158.

［14］張楠，李飛.3D打印技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用對未來產(chǎn)品設(shè)計的影響［J］.機械設(shè)計，2013，30（7）：97－99.

［15］董科，殷玉楓.任務(wù)教學(xué)法在機械設(shè)計課程雙語教學(xué)中的建構(gòu)與實踐［J］.理工高教研究，2010，29（1）：128－130.