基于3D打印實(shí)踐平臺的大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)

褚忠

[摘 要]3D打印實(shí)踐平臺是推廣3D打印教育的有效途徑。3D打印教育模式由教學(xué)團(tuán)隊(duì)（教師、工程師）、建模軟件和3D打印機(jī)組成，其共同完成教學(xué)、科研和對外服務(wù)的任務(wù)。校企聯(lián)合實(shí)踐平臺通過完成教育產(chǎn)品開發(fā)、教具設(shè)計(jì)和社會服務(wù)的方式，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生通過參與項(xiàng)目，在學(xué)與做的過程中逐步形成創(chuàng)新意識，培養(yǎng)和提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力。

[關(guān)鍵詞]創(chuàng)新能力；校企合作；實(shí)踐平臺；3D打印

[中圖分類號] G642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437（2017）12-0164-03

○、引言

創(chuàng)新是一個民族進(jìn)步的靈魂，是一個國家興旺發(fā)達(dá)的不竭動力，是當(dāng)代大學(xué)生必備的素質(zhì)和能力。應(yīng)用型大學(xué)的目標(biāo)就是要培養(yǎng)能夠綜合運(yùn)用自己已有的知識、信息、技能和方法，提出新方法、新觀點(diǎn)的思維能力，能進(jìn)行發(fā)明創(chuàng)造、改革革新的應(yīng)用型人才。[1]專業(yè)培養(yǎng)方案已經(jīng)優(yōu)化設(shè)置了不同的實(shí)踐環(huán)節(jié)，如課內(nèi)、課外實(shí)驗(yàn)、專業(yè)課程設(shè)計(jì)等，這為培養(yǎng)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供了基礎(chǔ)保障。而創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)需要在實(shí)踐中進(jìn)行，應(yīng)與不同行業(yè)的企業(yè)合作，建立校企聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，發(fā)揮校企各自的優(yōu)勢，創(chuàng)立高校與行業(yè)企業(yè)聯(lián)合培養(yǎng)人才的新機(jī)制，這樣才能為企事業(yè)提供高素質(zhì)的人才，促進(jìn)企業(yè)的科技進(jìn)步和生產(chǎn)發(fā)展，提升企業(yè)的核心競爭力。

3D打印技術(shù)、創(chuàng)客等詞匯多次被納入政府的工作報告。為了推進(jìn)3D打印技術(shù)的普及，培育創(chuàng)客群體，營造創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)氛圍，國家出臺了一系列的鼓勵措施。將3D打印與傳統(tǒng)教育方式相結(jié)合，可以營造一種同時擁有視覺和觸覺的教學(xué)方式。學(xué)生可以直接參與甚至設(shè)計(jì)自己的實(shí)驗(yàn)方案，這樣既能夠吸收和消化相關(guān)知識，又能激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力，對培養(yǎng)社會需要的應(yīng)用工程師大有益處。

一、3D打印教育模式

目前我國3D打印機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，依托高校、科研院所的研究成果，我國已涌現(xiàn)出100多家增材制造設(shè)備與服務(wù)企業(yè)。比如北京隆源自動成型系統(tǒng)有限公司，1993年開始研發(fā)選區(qū)粉末燒結(jié)激光快速成型機(jī)并取得自主知識產(chǎn)權(quán)；西安鉑力特激光成形技術(shù)有限公司是激光快速成形技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化公司，產(chǎn)品已應(yīng)用于C919大型商用客機(jī)；此外，還有北京太爾時代科技有限公司、武漢濱湖機(jī)電技術(shù)產(chǎn)業(yè)有限公司等。將3D打印技術(shù)應(yīng)用到教育產(chǎn)業(yè)中，能為高校、中小學(xué)提供硬件保障。未來幾年，中國3D打印市場每年將至少以倍速的速度成長，而其中3D打印服務(wù)占市場總額的20%左右。

3D打印模式關(guān)乎其在教育行業(yè)推廣應(yīng)用的成功與否。Solid Leaming是在3D打印的基礎(chǔ)上提出的一種教學(xué)模式，指在教育中集成3D打印技術(shù)和數(shù)字制造技術(shù)的基礎(chǔ)上，將教師和學(xué)生、學(xué)校、資源庫和教育資源中心共同組成一個閉環(huán)系統(tǒng)，在學(xué)校課堂上完成的模型可以通過低價的3D打印機(jī)打印，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的復(fù)雜的模型可以在教育服務(wù)中心實(shí)現(xiàn)。3D模型資源庫和教育資源中心將成為教學(xué)系統(tǒng)的有機(jī)組成部分，通過3D打印的實(shí)體模型，可以展開多層次、多角度的教與學(xué)活動。

在校企合作實(shí)踐平臺的基礎(chǔ)上，3D打印教育模式將發(fā)生變化，它改變過去3D打印機(jī)企業(yè)和軟件公司各自為政的模式。通過建立校企聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，一方面企業(yè)可以接受學(xué)生和相關(guān)教師的實(shí)習(xí)或掛職鍛煉、實(shí)訓(xùn)與研究，幫助學(xué)校提供培養(yǎng)計(jì)劃的修改意見，完成校企聯(lián)合課程和實(shí)驗(yàn)的講授和指導(dǎo)；另一方面，學(xué)?？韶?fù)責(zé)公司3D打印機(jī)培訓(xùn)及售后服務(wù)，降低公司的銷售成本。校企聯(lián)合可促進(jìn)搞好“三創(chuàng)（創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)、創(chuàng)客）”發(fā)展的戰(zhàn)役，貫徹落實(shí)“創(chuàng)客校園”的主題活動。

上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)與青島尤尼科技有限公司、上海存知光電有限公司共同建立聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室兩年多的運(yùn)行和總結(jié)，形成了如圖1所示的3D打印教育模式。

二、基于3D打印實(shí)踐平臺的創(chuàng)新模式

校企聯(lián)合3D打印實(shí)踐平臺由在校教師/學(xué)生、建模軟件和3D打印機(jī)組成。其中發(fā)揮主觀能動性和創(chuàng)造性的是教師、學(xué)生及企業(yè)工程師組成的創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，他們共同完成教學(xué)、科研和對外服務(wù)的任務(wù)。[2] [3] 在平臺上完成的任務(wù)，以教學(xué)為核心，完成校企聯(lián)合課程、聯(lián)合實(shí)驗(yàn)，課程實(shí)施以實(shí)際案例為引導(dǎo)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生在問題的驅(qū)動下，完成提出問題、分析問題、解決問題的過程，以自主探索式學(xué)習(xí)為主，以教師引導(dǎo)為輔的方式，顛覆傳統(tǒng)的教學(xué)模式，培養(yǎng)學(xué)生的思考、自學(xué)、動手、解決問題以及創(chuàng)新創(chuàng)造能力。此外，實(shí)踐平臺還進(jìn)行相關(guān)科研和社會服務(wù)工作。實(shí)踐平臺的結(jié)構(gòu)如圖2所示。 [4] [5] [6]

（一）教育產(chǎn)品開發(fā)

3D打印教育指以校本課的形式，組織教學(xué)活動，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)與掌握3D打印的基礎(chǔ)知識和基本技術(shù)，讓學(xué)生體驗(yàn)設(shè)計(jì)的樂趣，滿足學(xué)生創(chuàng)造的欲望，培養(yǎng)學(xué)生熟練運(yùn)用多學(xué)科知識解決實(shí)際問題的能力。

STEM教育指科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineemg）、數(shù)學(xué)（Mathematics）教育，STEM強(qiáng)調(diào)學(xué)生的設(shè)計(jì)能力、批判性思維和問題解決能力。近來，由于中考、高考的改革，中小學(xué)對STEM教育表現(xiàn)出很大的需求。3D打印是基于STEM思想，實(shí)現(xiàn)提高中學(xué)生創(chuàng)新意識和能力的最好手段。但由于中小學(xué)教師這方面的基礎(chǔ)較弱，只有采取3D打印實(shí)驗(yàn)室校企雙方共同為中學(xué)生提供相關(guān)課程講解這種模式，才能取得較好的教學(xué)效果。

上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)“3D打印裝備與制造實(shí)驗(yàn)室”與江蘇國隆科技有限公司等公司合作，利用業(yè)余時間開發(fā)3D打印教育產(chǎn)品，產(chǎn)品研發(fā)遵循實(shí)用主義的“做中學(xué)”原則，內(nèi)容上做到循序漸進(jìn)，由淺到深，具體如圖3所示。

1. Elemnets（獨(dú)立任務(wù)的課程）

這是指基于3D打印培養(yǎng)創(chuàng)新思維的初級階段，課程內(nèi)容主要是激發(fā)學(xué)生的興趣（Design for fun），讓學(xué)生了解3D打印的原理、打印材料的特性和3D設(shè)計(jì)的基本流程，以互動的形式讓學(xué)生廣泛接觸不同領(lǐng)域的知識，并且能用語言來表達(dá)自己的想法。endprint

2. Lessons（體現(xiàn)復(fù)雜思想的教育元素的集合）

該階段的課程內(nèi)容體現(xiàn)的是為他人設(shè)計(jì)（Design for a problem），設(shè)計(jì)的作品要具有一定的功能，能夠解決生活、學(xué)習(xí)中的一些問題，課程要求學(xué)生完整地講出自己的設(shè)計(jì)理念。

3. Course（量化課程集）

這一階段的課程稱為為社會設(shè)計(jì)（Design for system/users），其要求學(xué)生能熟練運(yùn)用1-2種科技手段來設(shè)計(jì)作品，并能比較專業(yè)地講解自己的產(chǎn)品理念、受眾群體。課程內(nèi)容是量化的學(xué)期IEP（Individual Educational Plan），并能達(dá)到預(yù)期的學(xué)習(xí)目標(biāo)。

4. Programs（綜合課程計(jì)劃）

這是指不同階段（小學(xué)、初中、高中、高職）的綜合課程計(jì)劃，課程要求學(xué)生能綜合運(yùn)用編程工具（Arduino、單片機(jī)等）、設(shè)計(jì)軟件，結(jié)合傳感器等控制元器件，使設(shè)計(jì)的產(chǎn)品可以運(yùn)動或完成指定的動作。

（二）教具開發(fā)

目前，在高校和基礎(chǔ)教育階段所使用的教學(xué)工具和儀器通常是由專門的教學(xué)設(shè)備公司生產(chǎn)，學(xué)?；蚪處熤荒苓x擇已有的教具類型，產(chǎn)品品種相對單一，模型也無法展示當(dāng)前的最新技術(shù)。基于3D打印技術(shù)可以定制開發(fā)教師想要的教具。比如對于塑料成型工藝及模具這門課，以往的教具都是鋁制或塑料模型模具，教具結(jié)構(gòu)簡單，只能反映常見的模具結(jié)構(gòu)。對于特殊類型的澆注系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)，可以在課程設(shè)計(jì)或畢業(yè)設(shè)計(jì)中，由教師和學(xué)生組成團(tuán)隊(duì)，共同設(shè)計(jì)典型模具（UG NX或CATIA等軟件），然后將型芯和型腔3D打印，模架可利用亞克力板，由普通銑床完成。當(dāng)然也可以利用現(xiàn)有模具教具的模架。另外，3D打印可以幫助學(xué)校制作特殊的教學(xué)模型，特別是諸如醫(yī)學(xué)解剖、有毒材料、文物古跡等難以獲取的模型。

（三）學(xué)科交叉定制3D打印機(jī)

3D打印技術(shù)在新產(chǎn)品的開發(fā)過程中具有獨(dú)特的優(yōu)勢，但是，其運(yùn)用的領(lǐng)域受材料的限制。目前，3D打印實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的香皂3D打印機(jī)，是與我校香料學(xué)院合作，使用適合3D打印的新材料——耐受高溫且能緩慢釋放香味的香皂原料，開發(fā)專用于該材料成型工藝的3D打印機(jī)進(jìn)料系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，采用特殊的螺旋桿送料的方式實(shí)現(xiàn)連續(xù)打印，溫控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原材料的加熱溫度范圍，確保香皂在成型過程中既能保持原有的風(fēng)味，又方便打印個性化設(shè)計(jì)的外形，實(shí)現(xiàn)3D打印產(chǎn)品風(fēng)味和造型的雙定制。

三、基于實(shí)踐平臺的課程實(shí)施方法

（一） 教學(xué)內(nèi)容緊密結(jié)合時事

為了推進(jìn)3D打印技術(shù)的普及，培育創(chuàng)客群體，營造創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)氛圍，國家出臺了一系列的鼓勵措施?！秶以霾闹圃飚a(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)計(jì)劃（2015-2016年）》明確要求組織實(shí)施學(xué)校3D打印技術(shù)普及工程，在學(xué)校配置3D打印設(shè)備及教學(xué)軟件，開設(shè)3D打印知識的教育培訓(xùn)課程，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)的興趣、愛好、意識，鼓勵開展教學(xué)實(shí)踐。同時建立3D打印技術(shù)教育場所，讓學(xué)生近距離學(xué)習(xí)3D打印技術(shù)，并在各行各業(yè)中應(yīng)用推廣，服務(wù)于社會。

（二） 校內(nèi)跨學(xué)科合作，開拓學(xué)生思路

3D打印在新產(chǎn)品開發(fā)過程中，具有獨(dú)特的優(yōu)勢。機(jī)械學(xué)院與香精香料合作開發(fā)的“紅酒釀酒器”，該產(chǎn)品可在保證紅酒品質(zhì)的前提下，大大縮短釀制周期。在項(xiàng)目合作實(shí)施中，香料學(xué)院負(fù)責(zé)釀酒工藝，機(jī)械學(xué)院負(fù)責(zé)完成控制系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。由于該產(chǎn)品主要是家庭使用，所以外觀設(shè)計(jì)是重要的環(huán)節(jié)。我們利用3D打印技術(shù)，直接打印成型釀酒器外殼，并經(jīng)過兩次修改最終確定了方案。

（三） 精選企業(yè)案例

3D打印技術(shù)覆蓋面廣，可以選擇典型的成功案例，比如，應(yīng)用3D打印+精密鑄造技術(shù)。利用3D打印技術(shù)直接或者間接地制造鑄造用消失模、聚乙烯模、蠟?zāi)?、模板、鑄型、型芯或型殼，然后結(jié)合傳統(tǒng)鑄造工藝，快速地鑄造出復(fù)雜金屬零件。

（四） 課堂立體教學(xué)

3D打印技術(shù)本身就是交叉學(xué)科的產(chǎn)物，該技術(shù)可以應(yīng)用到計(jì)算機(jī)、材料、藝術(shù)等多方面。在教學(xué)實(shí)施中，除了講課課件外，我們還建立課程資源網(wǎng)站，讓學(xué)生將自己設(shè)計(jì)的作品上傳，并設(shè)計(jì)獎勵措施，學(xué)生也可下載模型進(jìn)行打印。另外，我們開發(fā)APP及微信公眾號，實(shí)時發(fā)布最新的行業(yè)資訊和新技術(shù)，不斷激發(fā)學(xué)生的興趣。

（五） 將產(chǎn)品研發(fā)引入課堂

基于3D打印的禮品設(shè)計(jì)，我們引入互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，根據(jù)公司產(chǎn)品的特點(diǎn)，在市場推廣過程中，設(shè)計(jì)打印具有公司特點(diǎn)的禮品，贈送給新老客戶。該活動不僅提高了學(xué)生的產(chǎn)品設(shè)計(jì)能力，同時也讓學(xué)生可近距離與客戶打交道，提高學(xué)生與客戶的溝通能力。

四、結(jié)語

校企聯(lián)合實(shí)踐平臺上的3D打印教育新模式為大學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)提供了保障，該實(shí)踐平臺上的教學(xué)、科研、服務(wù)三者相互促進(jìn)、共同進(jìn)步。通過校企合作課程、實(shí)驗(yàn)過程，我們共同挖掘校企資源，建立起了一支高水平的由企業(yè)工程師、學(xué)校教師組成的教學(xué)研究團(tuán)隊(duì)。隨著對企業(yè)、社會的進(jìn)一步了解，學(xué)生明白了社會、企業(yè)歡迎什么樣的人，這增強(qiáng)了學(xué)生的社會責(zé)任感。同時，這能讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)自己的興趣點(diǎn)及特長，并由此形成自己的職業(yè)生涯規(guī)劃。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

[1] 趙中建. 為了創(chuàng)新而教育[N].中國教育報，2012-06-15（07）.

[2] 肖念.對中國大學(xué)教學(xué)邏輯改革的思考[J].中國大學(xué)教學(xué)，2012（7）：7-9.

[3] 王萍.3D打印及其教育應(yīng)用初探[J].中國遠(yuǎn)程教育，2013（8）：83-87.

[4] 王忠宏，李揚(yáng)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(jì)縱橫，2013（1）：90-93.

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[責(zé)任編輯：陳 明]endprint