職業(yè)院校開展3D打印技術(shù)的課程教學(xué)實踐與研究

袁晨峰

[摘 要] 3D打印隨著關(guān)鍵技術(shù)的進步，以及社會發(fā)展的需求，被廣泛地應(yīng)用于各行各業(yè)。3D打印行業(yè)用人需求不斷擴大，職業(yè)教育開展3D打印技術(shù)教學(xué)，為社會培養(yǎng)3D打印技術(shù)應(yīng)用型技能人才尤為重要。主要介紹了開展3D打印技術(shù)教學(xué)的實踐經(jīng)驗，對3D打印技術(shù)的核心課程提出建設(shè)性意見，為職業(yè)院校開設(shè)3D打印技術(shù)課程提供參考。

[關(guān) 鍵 詞] 3D打??；職業(yè)教育；教學(xué)實踐；課程建設(shè)

[中圖分類號] G712 [文獻標志碼] A [文章編號] 2096-0603（2018）14-0176-02

一、引言

隨著產(chǎn)業(yè)的升級，特別是圍繞工業(yè)4.0、《中國制造2025》等要求，社會需要大批高素質(zhì)技能人才，蘊含著職業(yè)教育加速發(fā)展的巨大潛力，要求職業(yè)院校師生具備創(chuàng)新的精神與能力。職業(yè)學(xué)校開展3D打印技術(shù)課程的教學(xué)，推進課程建設(shè)適應(yīng)新技術(shù)、新模式、新業(yè)態(tài)的發(fā)展，以課程創(chuàng)新推動職業(yè)學(xué)校教育教學(xué)改革與創(chuàng)新、提升辦學(xué)質(zhì)量。

二、3D打印技術(shù)的發(fā)展概況

3D打印以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式構(gòu)造物體的技術(shù)。3D打印技術(shù)可以制造任意復(fù)雜的三維幾何實體，通過離散或堆積成型的原理，將十分復(fù)雜的三維制造過程簡化為二維過程的疊加，成型過程無需專用工具或夾具，通過對CAD模型的修改重組就可獲得新零件的設(shè)計和加工信息。3D打印技術(shù)有高度集成的特點，集成了CAD、CNC、激光、材料等技術(shù)，對設(shè)計約束越來越小、工件制造技能低、可由逆向工程實現(xiàn)精確復(fù)制，3D打印技術(shù)在各個領(lǐng)域都有越來越廣泛的應(yīng)用[1]。

三、開展3D打印技術(shù)教學(xué)的重要性與迫切性

（一）從人才需求角度出發(fā)

我國3D打印行業(yè)的快速發(fā)展和廣闊的市場前景，使越來越多的企業(yè)開始涉足其中，相應(yīng)的企業(yè)對3D打印專業(yè)人才的需求也越來越旺盛。目前我國3D打印行業(yè)的專業(yè)人才缺口超過千萬，制造行業(yè)對3D應(yīng)用人才需求最大，且需求還在不斷攀升。

我國3D打印行業(yè)所需人才按分工不同可以大致分為：上游技術(shù)和材料研發(fā)企業(yè)所需的3D打印技術(shù)研究、材料開發(fā)人才；中游設(shè)備生產(chǎn)商所需的3D打印機生產(chǎn)研發(fā)人才；下游服務(wù)商所需的3D打印機營銷、售后服務(wù)以及3D打印服務(wù)等方面的技術(shù)應(yīng)用人才。面向機械、模具、機電設(shè)備制造、汽車、家具和玩具制造等企業(yè)，培養(yǎng)具有基本的科學(xué)文化素養(yǎng)、良好的職業(yè)道德、較強的就業(yè)能力和一定的創(chuàng)業(yè)能力，從事3D打印設(shè)備操作、3D打印設(shè)備裝配維修、設(shè)備銷售、新產(chǎn)品的手板制作、產(chǎn)品設(shè)計、個性化定制創(chuàng)業(yè)等工作的技術(shù)應(yīng)用人才，顯得尤為重要以及迫切[2]。

（二）從3D打印創(chuàng)新角度出發(fā)

3D打印技術(shù)在模具制造、工業(yè)設(shè)計、珠寶、鞋類、建筑、工程和施工、汽車、航空航天、牙科和醫(yī)療產(chǎn)業(yè)、教育以及其他領(lǐng)域都有越來越廣泛的應(yīng)用。由于擁有傳統(tǒng)制造業(yè)所不具備的優(yōu)勢，3D打印技術(shù)被看成第三次工業(yè)革命的使者。在全球范圍內(nèi)，3D打印正在掀起一輪技術(shù)革新熱潮。為應(yīng)對新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革，我國制定《中國制造2025》，堅持創(chuàng)新驅(qū)動、智能轉(zhuǎn)型、強化基礎(chǔ)、綠色發(fā)展，加快從制造大國向制造強國的轉(zhuǎn)變。在進入“工業(yè)4.0”時代的今天，信息化廣泛而深入地融合到各行業(yè)，作為最能體現(xiàn)“工業(yè)4.0”特點的3D打印技術(shù)，如何推動我國創(chuàng)新設(shè)計水平提升，從而促進我國從制造大國向制造強國轉(zhuǎn)型，成為當下的重要課題。

（三）從教學(xué)改革角度出發(fā)

《國家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進計劃（2015-2016年）》將3D打印技術(shù)發(fā)展規(guī)劃推到國家戰(zhàn)略高度，特別強調(diào)了3D打印教育的推廣和普及，加快3D打印技術(shù)人才的培養(yǎng)，鼓勵院校與企業(yè)聯(lián)合辦學(xué)或建立3D打印人才培訓(xùn)基地。圍繞職業(yè)院校學(xué)生3D 打印創(chuàng)新教育的展開，結(jié)合國內(nèi)教育特點及其與國際教育的差距，學(xué)生普遍存在的想象力和創(chuàng)造力不足等問題，提倡創(chuàng)客教育以數(shù)字化工具為基礎(chǔ)，采用項目式學(xué)習(xí)方式，有真實產(chǎn)品產(chǎn)出，強調(diào)學(xué)習(xí)與現(xiàn)實的聯(lián)系，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和動手能力。3D打印設(shè)備作為目前安全、經(jīng)濟、智能的創(chuàng)新造物手段，是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造力最理想的工具，有望成為我國教育改革的新引擎。據(jù)了解，國內(nèi)外已掀起創(chuàng)新教育熱潮，各地教育機構(gòu)及校外培訓(xùn)機構(gòu)紛紛涉足創(chuàng)客教育領(lǐng)域[3]。

四、3D打印技術(shù)教學(xué)的實踐

隨著技術(shù)的發(fā)展，企業(yè)對3D打印技術(shù)人才需求越來越大，廣州市輕工職業(yè)學(xué)校圍繞《中國制造2025》等要求，開設(shè)3D建模與打印技術(shù)專業(yè)，蘊含著職業(yè)教育加速發(fā)展的巨大潛力，為社會培養(yǎng)高素質(zhì)技能人才。廣州市輕工職業(yè)學(xué)校3D建模與打印技術(shù)專業(yè)目前擁有3個班共120名學(xué)生，新建成3D打印實訓(xùn)中心，包括三維設(shè)計室、FDM打印操作室、SLA打印操作室、裝調(diào)與后處理室等，配備各種不同型號3D打印設(shè)備與3D掃描儀超過30臺，開設(shè)了產(chǎn)品建模、逆向建模、3D打印技術(shù)綜合應(yīng)用等課程[4]。

同時，開設(shè)了3D打印興趣社團，組織參加會展、走進社區(qū)等豐富多彩的活動。3D建模與打印技術(shù)專業(yè)師生積極參加各項比賽，在2015年全國機械職業(yè)院?！叭S數(shù)字建模與制圖”技能大賽獲得二等獎，在2016年、2017年廣州市青少年3D打印創(chuàng)意設(shè)計比賽中均獲得一等獎，在2018年廣東省職業(yè)院校技能大賽中職組3D打印賽項中獲得二等獎等優(yōu)異成績。3D打印是極具前景的專業(yè)，應(yīng)培養(yǎng)更多精于技術(shù)、善于創(chuàng)新的技能創(chuàng)新人才，推進專業(yè)建設(shè)，適應(yīng)新技術(shù)、新模式、新業(yè)態(tài)的發(fā)展。

五、3D打印技術(shù)核心課程建設(shè)的研究

（一）機械設(shè)計與3D打印技術(shù)工學(xué)結(jié)合課程

培養(yǎng)學(xué)生的工程計算能力和簡單機械的零部件的設(shè)計能力，同時結(jié)合3D打印技術(shù)進行制作，也為后續(xù)課程學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。熟悉常用機構(gòu)、常用機械傳動及通用零部件的工作原理、特點、應(yīng)用、結(jié)構(gòu)和標準，掌握常用機構(gòu)、常用機械傳動和通用零部件的選用和基本設(shè)計方法，具備正確分析、使用和維護機械的能力，初步具有設(shè)計簡單機械傳動裝置的能力。結(jié)合3D打印機，分析掌握3D打印的工作原理、打印機分類、打印機裝調(diào)與簡單故障排除等相關(guān)技術(shù)，進行機械結(jié)構(gòu)設(shè)計與3D打印制作。

（二）產(chǎn)品設(shè)計與3D打印技術(shù)工學(xué)結(jié)合課程

該課程不僅包括對產(chǎn)品功能、結(jié)構(gòu)、材料、工藝以及產(chǎn)品形態(tài)、色彩、表面處理、裝飾工藝等方面的設(shè)計，同時3D打印機作為課程實驗設(shè)備，基于項目式教學(xué)形式，通過課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生需要掌握如何應(yīng)用三維設(shè)計軟件來表達頭腦中的創(chuàng)意，并通過操作3D打印機等最新的數(shù)字化制作設(shè)備把自己豐富多彩的創(chuàng)意變成實物。本課程的目的就是讓學(xué)生全面了解技術(shù)與藝術(shù)、設(shè)計與審美文化的相互關(guān)系，拓寬學(xué)生視野，改善知識結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，使其能與3D打印技術(shù)專業(yè)的知識有機結(jié)合起來。通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生對工業(yè)產(chǎn)品造型設(shè)計的具體運作過程有一定的了解和興趣，為學(xué)習(xí)后續(xù)的專業(yè)課程及從事3D打印技術(shù)相關(guān)工作打下基礎(chǔ)。

（三）逆向建模與3D打印技術(shù)工學(xué)結(jié)合課程

逆向技術(shù)，主要是針對于正向工程而言。正向工程是從產(chǎn)品設(shè)計到產(chǎn)品生產(chǎn)，是一種“從無到有”的設(shè)計過程，而逆向工程則是對一種產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)再現(xiàn)的過程，即通過一定的技術(shù)和手段對產(chǎn)品進行逆向分析和探究，通過數(shù)字化設(shè)備和技術(shù)以及CAD等制圖軟件構(gòu)造曲面或者實體，形成一個三維模型，進而演繹并且得出該產(chǎn)品的生產(chǎn)流程、功能特點、結(jié)構(gòu)特征以及技術(shù)規(guī)格等設(shè)計要素，最終制作出功能相近但又和原產(chǎn)品不同的一種“從有到新”的設(shè)計過程。開設(shè)逆向建模與3D打印技術(shù)工學(xué)結(jié)合課程，主要內(nèi)容有3D掃描技術(shù)概論、3D掃描儀基本原理、3D掃描儀的基本操作、Geomagic系列軟件應(yīng)用、逆向建模及3D打印制作。學(xué)習(xí)后能使用三維掃描儀對手板、樣品、模型進行掃描，收集模型數(shù)據(jù)，使用逆向造型軟件重構(gòu)三維模型，最后能運用3D打印機對逆向原模型進行復(fù)制[5]。

（四）3D打印技術(shù)綜合應(yīng)用工學(xué)結(jié)合課程

能夠把前面課程所學(xué)的知識，如機械設(shè)計、產(chǎn)品設(shè)計、逆向建模與3D打印技術(shù)相結(jié)合，基于項目式教學(xué)模式，學(xué)生通過設(shè)計研討與啟發(fā)，運用機械設(shè)計與制造的相關(guān)知識，設(shè)計產(chǎn)品功能與結(jié)構(gòu)；從材料、結(jié)構(gòu)、工藝以及產(chǎn)品形態(tài)、色彩、表面處理等方面進行外觀設(shè)計；使用三維軟件進行建模，然后用3D打印機進行工件的制作、組裝；在此過程中，需要對3D打印機進行裝調(diào)、故障排除等步驟熟練的操作。對3D打印完成的產(chǎn)品，進行分析與改進，利用逆向技術(shù)，使用3D掃描儀采集數(shù)據(jù)與逆向建模軟件進行點云處理及逆向建模；使用3D打印設(shè)備進行產(chǎn)品復(fù)制與改造。最后，把整個產(chǎn)品的設(shè)計階段、制作階段、逆向改進階段等過程總結(jié)為產(chǎn)品報告書。

六、結(jié)語

為適應(yīng)經(jīng)濟社會發(fā)展需要，深化教育綜合改革，更需要讓職業(yè)院校師生也具備創(chuàng)新的思維與能力。開展3D打印技術(shù)的課程，經(jīng)過3D打印項目式教學(xué)的實踐，把創(chuàng)新思維轉(zhuǎn)化為實際成果，并融入教育教學(xué)工作中。以3D打印技術(shù)的核心課程建設(shè)為載體進行教學(xué)研究與實踐，推進課程建設(shè)適應(yīng)新技術(shù)、新模式、新業(yè)態(tài)的發(fā)展。職業(yè)院校開展3D打印技術(shù)教學(xué)，為社會培養(yǎng)了3D打印技術(shù)應(yīng)用型技能人才，滿足了3D打印行業(yè)不斷擴大的用人需求。

參考文獻：

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[5]王克欣，張紅哲，梁延德，等.工程訓(xùn)練中設(shè)置“3D打印技術(shù)”實訓(xùn)課程的研究[J].實驗室科學(xué)，2015（4）：138-140.