加速教學(xué)與實踐深度融合的三維打印實驗課程研究

戴寧

摘要：高校工程類專業(yè)普遍存在教學(xué)實踐活動難以開展的問題。本文基于目前制造技術(shù)的新發(fā)展，充分分析了開展三維打印實驗課程的必要性，并借鑒國內(nèi)外同類高校的發(fā)展現(xiàn)狀，提出大力開展三維打印實驗課程建設(shè)的思路和方法。

關(guān)鍵詞：高校；三維打??；實驗課程

中圖分類號：G642.4 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）50-0176-02

依據(jù)《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》的要求，結(jié)合高校工程類學(xué)科的特點，開展安全、便捷、創(chuàng)新性強的動手實驗課程建議研究，可培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，提升動手實踐能力，提高綜合素質(zhì)，為學(xué)生今后獨立研究問題打下堅實的基礎(chǔ)。同時，彌補了傳統(tǒng)教學(xué)中知識抽象難懂的不足，豐富教師教學(xué)內(nèi)容，促進教師教學(xué)內(nèi)容與學(xué)生工程實踐的深度融合，可以進一步推動本科教學(xué)的改革與特色學(xué)科的建設(shè)。

一、工程類專業(yè)開展三維打印技術(shù)實驗課程的必要性

制造工程技術(shù)的發(fā)展日新月異，各種新技術(shù)近年來不斷涌現(xiàn)，特別是增材制造（三維打?。┘夹g(shù)發(fā)展迅猛。2015年8月，美國國家高級制造技術(shù)計劃委員會聯(lián)合美國國防部（DOD）、美國國家航空航天局（NASA）、美國國家科學(xué)基金委員會（NSF）等共同組建AM/3D Printing等六個核心研究機構(gòu)，推動建設(shè)美國國家制造創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)（NNMI）系統(tǒng)，進一步強化了美國制造技術(shù)的領(lǐng)先優(yōu)勢。英國《經(jīng)濟學(xué)人》雜志稱三維打印技術(shù)為“第三次工業(yè)革命”，《中國制造2025》中也將增材制造技術(shù)列為優(yōu)先發(fā)展的技術(shù)方向。由此可見，三維打印技術(shù)已經(jīng)成為各國在制造領(lǐng)域競爭的新的制高點。然而，高校機械工程教學(xué)改革相對滯后，目前的課程設(shè)置特別是培養(yǎng)學(xué)生動手實踐能力的課程資源匱乏，相關(guān)學(xué)科教學(xué)體系不夠完善，導(dǎo)致目前兼顧理論與技術(shù)應(yīng)用類的人才資源的稀缺。開展三維打印技術(shù)實驗課程建設(shè)，具有一定的必要性。

1.推動三維打印技術(shù)實驗課程建設(shè)，改善和優(yōu)化工程類學(xué)生課程教育中側(cè)重理論、缺少實踐的現(xiàn)狀。隨著國家和社會對高校學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新能力的要求越來越高，以及高校自身教育、交流國際化發(fā)展的程度不斷提升，其對高校工科學(xué)生的培養(yǎng)建設(shè)也提出更高的要求。特別是在工程學(xué)科課程設(shè)置方面，需要從傳統(tǒng)的課堂教學(xué)為主逐漸向課程教學(xué)與課程實踐并重的方向發(fā)展。通過開展三維打印技術(shù)的實驗課程，不僅能夠方便學(xué)生學(xué)以致用，加深和深化基礎(chǔ)理論知識理解，也可以完善現(xiàn)有的教學(xué)體系，豐富本科生的培養(yǎng)方案，強化以學(xué)生為本的教育理念。

2.推動三維打印技術(shù)實驗課程建設(shè)，為學(xué)生提供安全、便捷的個性化設(shè)計制造創(chuàng)新平臺，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。在工科教學(xué)實踐中，工程類課程理論知識體系大多具有抽象性。隨著信息化和數(shù)字化程度的不斷提升，培養(yǎng)學(xué)生善于觀察、模仿、創(chuàng)新的能力尤為重要。然而現(xiàn)階段，數(shù)控加工這類動手實踐要求較高的課程，由于數(shù)控加工設(shè)備數(shù)量有限、造價昂貴、加工實驗安全等，學(xué)生動手實踐部分轉(zhuǎn)為軟件仿真演示，沒有達到預(yù)期的教學(xué)效果。三維打印作為一種新的制造工藝，包含數(shù)字控制、機械原理、機械設(shè)計、數(shù)控軌跡規(guī)劃、三維CAD建模、材料成形等大部分前期工程基礎(chǔ)課程。該實踐課程的建設(shè)可以結(jié)合實踐前期的課程內(nèi)容，提高對課程的理解。通過設(shè)置開放性的三維打印實踐任務(wù)，鼓勵并調(diào)動學(xué)生的積極性，利用該實踐平臺創(chuàng)造各類個性化的設(shè)計作品，對學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計制造實踐，具有重要的意義。

二、當(dāng)前國內(nèi)外的發(fā)展情況

在高校工程專業(yè)領(lǐng)域，學(xué)生的實踐教學(xué)內(nèi)容經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)從一般的課程基礎(chǔ)實驗發(fā)展到了課外的創(chuàng)新實驗，引導(dǎo)學(xué)生出于興趣與愛好，根據(jù)自己在課堂中學(xué)到的基本知識與原理，努力把各種創(chuàng)意想法轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實產(chǎn)品與結(jié)構(gòu)，這是目前社會的一個主流教育理念。三維打印技術(shù)為教育事業(yè)打開了一扇窗口，國內(nèi)許多教育機構(gòu)、科研院所等在積極探索、研究如何將三維打印技術(shù)應(yīng)用于日常的教學(xué)和科研中，從而不僅使學(xué)生可以享受到新技術(shù)輔助教學(xué)的便利以及各種創(chuàng)新用法，還可以以此作為促進學(xué)生自主學(xué)習(xí)的推動力，更會對他們的技術(shù)素養(yǎng)和未來的職業(yè)發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。2013年年初，美國政府規(guī)劃在未來四年內(nèi)在1000所學(xué)校配備3D打印機等數(shù)字制造工具，通過實踐培養(yǎng)新一代的設(shè)計師和生產(chǎn)創(chuàng)新者。英國教育部在21所高校開展了一項為期一年的試驗項目，將三維打印技術(shù)應(yīng)用到數(shù)學(xué)、物理、工程和設(shè)計等課程中，從而探索三維打印的教學(xué)應(yīng)用，推動教學(xué)創(chuàng)新。2015年，通過學(xué)習(xí)三維打印技術(shù)相關(guān)實驗課程，美國弗吉尼亞大學(xué)的學(xué)生利用三維打印技術(shù)打印了可以試飛的飛機模型?，旣悺とA盛頓大學(xué)的教師將三維打印技術(shù)引入教學(xué)，由學(xué)生掃描實物或者自己設(shè)計出物品并打印模型，根據(jù)學(xué)生的反饋不斷改進教學(xué)模式。國內(nèi)許多高校構(gòu)建了三維打印技術(shù)教學(xué)體系。2015年，由華中科技大學(xué)主導(dǎo)的國內(nèi)最大的三維打印科技園落戶湖北武漢，河北工業(yè)大學(xué)、遼寧工業(yè)大學(xué)等將三維打印技術(shù)引入學(xué)生創(chuàng)新實驗課程，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和動手能力。北京航空航天大學(xué)、清華大學(xué)、華南理工大學(xué)、西安科技大學(xué)等，利用自身學(xué)科優(yōu)勢和實驗資源，結(jié)合三維打印技術(shù)的新潮流，培養(yǎng)學(xué)生在航空航天、工業(yè)、生物醫(yī)療等方面的興趣和創(chuàng)新思維。三維打印技術(shù)的出現(xiàn)，需要我們在教學(xué)上進行創(chuàng)新。它不僅可以豐富教師教學(xué)內(nèi)容，改善教學(xué)方法，也可為學(xué)生營造更加愉快的學(xué)習(xí)體驗。同時，推動三維打印技術(shù)實驗課程建設(shè)，要結(jié)合高校自身辦學(xué)特色，符合自身教育理念，契合自身實驗條件，制定詳盡的實驗規(guī)范和技術(shù)指導(dǎo)，注重做與思的結(jié)合，從而達到鍛煉學(xué)生實踐能力、強化教學(xué)內(nèi)容的效果。

三、實施內(nèi)容和方法的創(chuàng)新點

1.實施內(nèi)容。①面向本科生的三維打印實驗教學(xué)實踐課程平臺建設(shè)。建設(shè)高校自有的實驗類三維打印制造設(shè)備，提供可安全組裝、動手操作的三維打印實驗教學(xué)平臺。②設(shè)計符合本科生培養(yǎng)要求的實驗教學(xué)大綱和指導(dǎo)書。根據(jù)目前的典型三維打印工藝，研究設(shè)計一套完整的教學(xué)大綱和實驗指導(dǎo)書，包括實驗原理、實驗步驟、實驗案例、創(chuàng)新設(shè)計等。同時，結(jié)合本科生的教學(xué)內(nèi)容，合理安排實驗工藝和實驗?zāi)Ｐ?，加深學(xué)生對理論知識的理解并保證學(xué)生能夠在充分掌握現(xiàn)有基礎(chǔ)知識的前提下，能獨立動手完成個性化創(chuàng)新產(chǎn)品的設(shè)計制作。③淡化學(xué)科間的界限，培育學(xué)生全面思考并綜合應(yīng)用所學(xué)知識的能力。三維打印技術(shù)可以將復(fù)雜抽象的數(shù)學(xué)模型直接立體表現(xiàn)出來，同時三維打印裝置控制不同的打印參數(shù)，獲得的產(chǎn)品性能也不同。通過合理安排小組協(xié)作，設(shè)計不同打印參數(shù)的個人作品展示等實驗內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科綜合應(yīng)用交叉的思維模式。endprint

2.實驗方法創(chuàng)新點。①優(yōu)化現(xiàn)有工程課程實踐教學(xué)，突出可操作性。三維打印實踐教學(xué)課程，可以有效地將前期的數(shù)控技術(shù)、機械設(shè)計、機械原理、數(shù)控加工、三維CAD建模、材料成型等課程有機地融入實驗。實驗過程安全可靠，學(xué)生的參與度高，可操作性強。②提供本科學(xué)生在機械設(shè)計制造創(chuàng)新的平臺。三維打印實踐教學(xué)平臺可以給學(xué)生提供一個快速、低成本的個性化設(shè)計制作平臺，通過教學(xué)實踐任務(wù)引導(dǎo)學(xué)生優(yōu)化設(shè)計機械結(jié)構(gòu)、創(chuàng)新功能性零件，進一步提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。③輔助本科生學(xué)習(xí)起到效能工具的作用。三維打印技術(shù)涉及光、機、電、計算機、數(shù)控、新材料等于一體的新制造技術(shù)，通過開展相應(yīng)的實驗課程，拓寬學(xué)生的學(xué)術(shù)視野。同時，學(xué)生可以直接將設(shè)計結(jié)果轉(zhuǎn)化為實體模型，隨時修改調(diào)整設(shè)計方案，節(jié)約創(chuàng)作時間，將一些最新的研究成果如仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計、功能性零件拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計等引入實踐教學(xué)，很好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新思維。④起到強化課堂交互活動和協(xié)作學(xué)習(xí)的作用。三維打印技術(shù)實踐課程可以為課堂交互活動提供更多的創(chuàng)造空間，使得課堂上的教學(xué)互動不受教師和學(xué)生想象力的限制。這類實驗教學(xué)中，學(xué)生處于教學(xué)活動的中心，以全新的方式與教師互動。這種開放式的實驗教學(xué)，不僅有趣，而且能夠培養(yǎng)學(xué)生的合作精神和協(xié)作能力。

四、總結(jié)

建設(shè)三維打印技術(shù)實驗課程教材需要逐步推進，從硬件到軟件、從教案到作業(yè)、從課上到課下，都需要不斷地積累經(jīng)驗和創(chuàng)新方法。這不僅要做到因材施教，也要做到全面兼顧，在保證學(xué)生實驗安全且達到預(yù)期效果的前提下穩(wěn)步推進，加速教學(xué)與實踐深度融合的三維打印技術(shù)實驗課程建設(shè)在高校的推廣和應(yīng)用。

參考文獻：

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Abstract：The problem of teaching practice is difficult to carry out in engineering majors in universities. In this paper，the necessity of building 3D printing course is analyzed. According to the current development at home and abroad，the method for developing the 3D printing experiment course is put forward.

Key words：universities；3D printing；experiment courseendprint