基于高校創(chuàng)新教育的3D打印創(chuàng)新實驗室建設(shè)研究

劉德生 尹若軍 鄧家烜 田雪清

摘 要：近年來3D打印技術(shù)快速發(fā)展和壯大，因其優(yōu)良的性能，3D打印技術(shù)在各行業(yè)具有良好的發(fā)展前景，因此將3D打印技術(shù)引入高校的創(chuàng)新教育課堂具有現(xiàn)實意義。本文首先通過研究3D打印成型技術(shù)在機械行業(yè)中應(yīng)用的特點及優(yōu)勢，確定3D打印創(chuàng)新實驗在高校創(chuàng)新教育中的發(fā)展方向，其次基于培養(yǎng)創(chuàng)新能力的教育理念，在實驗內(nèi)容、實驗方法、實驗室運行模式方面進行探索，確定了3D打印創(chuàng)新實驗開設(shè)內(nèi)容：基礎(chǔ)實驗，提升實驗，創(chuàng)新實驗。對高校開展3D打印成型技術(shù)的創(chuàng)新教育具有重要的現(xiàn)實意義。

關(guān)鍵詞：3D打印;創(chuàng)新教育;探索;培養(yǎng)模式

一、緒論

隨著3D打印技術(shù)的興起與發(fā)展，3D打印技術(shù)已在大部分學(xué)科領(lǐng)域得到應(yīng)用。尤其在機械行業(yè)，如各種機械發(fā)明制作中，利用3D打印技術(shù)可以比以往更加方便的做出模型進行實驗。[1]此外，3D打印于學(xué)生各種競賽中實物的制作、學(xué)生的課程設(shè)計以及教師課堂的教具教學(xué)展示等方面皆有重要作用，因此，為使之能夠更好的應(yīng)用到學(xué)生學(xué)習(xí)、教師教學(xué)等方面，進行學(xué)校3D打印室的創(chuàng)新建設(shè)，有著重要意義。[2]在我校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)基地中，3D打印室在實驗室教學(xué)中的改革主要側(cè)重點在于提高學(xué)生應(yīng)用3D打印機的實際操作能力、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識、提高創(chuàng)新能力上。

二、3D打印的特點及優(yōu)勢

與傳統(tǒng)加工制造方法相比，3D打印技術(shù)具有以下特點：

（一）復(fù)雜工藝簡便化

在傳統(tǒng)制造業(yè)的工藝過程中，如果需要加工一個復(fù)雜的工件，可能需要不同工種在不同地方進行加工。例如加工一個簡單的錘子，傳統(tǒng)工藝需經(jīng)過銑工、車工、鉗工、熱處理等繁瑣工序。而使用選擇性激光融化技術(shù)（SLM）利用金屬粉末進行3D打印則可以簡化加工步驟，只需用三維制圖軟件畫出所需加工的錘子的模型圖，就可以快速的加工出所建模的錘子。

（二）耗材較少

眾所周知，傳統(tǒng)制造業(yè)加工零件大多是用“減材制造”來加工零件的，這種加工方法是在一快完整的原料上做“減法”從而制作出做需要的零件，而且切削掉的材料很難被加工再利用，造成了極大的損耗。3D打印技術(shù)屬于“增材制造”的過程，它是利用“加法”把所需零件一層層的“加”出來，除了必要的支撐和底座以外，沒有多余的材料浪費。

（三）制造材料多樣性

在過去，限制3D打印技術(shù)發(fā)展原因之一是材料技術(shù)沒有突破。打印材料價格昂貴、種類單一使得3D打印技術(shù)停滯不前。近幾年，隨著材料技術(shù)的不斷發(fā)展，尼龍材料、PLA材料、金屬材料，樹脂材料、生物材料等眾多適合3D打印的材料層出不窮，隨著材料技術(shù)的日益發(fā)展，3D打印技術(shù)的應(yīng)用的領(lǐng)域?qū)訌V闊。

三、3D打印在高校創(chuàng)新教育中的發(fā)展方向

3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展已經(jīng)使得各大高校開始注重3D打印實驗室的建設(shè)與改革。但是，不足也逐漸先露出來，其表現(xiàn)在相關(guān)教師資源的缺乏和實驗室建設(shè)經(jīng)驗上。

目前的3D打印教學(xué)模式仍處于“老師講，學(xué)生聽”的傳統(tǒng)模式，學(xué)生學(xué)習(xí)效率低下等一系列問題亟待解決。此外，3D打印室的管理模式封閉、僵硬，缺乏自主管理的活力，以上種種原因造成學(xué)生未能深入了解打印機的實際操作以至于考研或工作之后相關(guān)動手能力欠缺等問題。學(xué)生一邊擺脫不了傳統(tǒng)教育的束縛，一邊無法全面提高創(chuàng)新能力。

綜上所述：3D打印室創(chuàng)新教育的發(fā)展應(yīng)趨向于以傳統(tǒng)教學(xué)與實踐教學(xué)相結(jié)合的方式帶動學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自主管理的方向。3D打印的高校創(chuàng)新教育旨在讓更多的學(xué)生了解3D打印，提高動手能力與創(chuàng)新能力，發(fā)揮自主管理的靈活性，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

四、3D打印的創(chuàng)新教育及模式

隨著國務(wù)院“大眾創(chuàng)業(yè)，萬眾創(chuàng)新”口號的提出，我校成立大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)基地，旨在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。我校3D打印室將進行創(chuàng)新教學(xué)改革，具體內(nèi)容如下：

（一）傳統(tǒng)教學(xué)與實踐教學(xué)相結(jié)合

創(chuàng)造的基礎(chǔ)是動手實踐，因此，我們將傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式，與實踐教學(xué)活動相結(jié)合。在這種兩相結(jié)合的模式下，采用“任務(wù)教學(xué)法+活動教學(xué)法”，培養(yǎng)學(xué)生動手能力，提升學(xué)生綜合素養(yǎng)。任務(wù)教學(xué)法對學(xué)生完成任務(wù)的流程進行規(guī)范?；顒咏虒W(xué)法使學(xué)生在更加開放的環(huán)境中闡述自己的觀點，使彼此的想法更容易碰撞，促進團隊之間的溝通交流，在自由的氛圍中產(chǎn)生更加合理的解決問題的方法。前者更加強調(diào)學(xué)，后者更加強調(diào)做，兩者優(yōu)勢互補，賦予學(xué)生更多的學(xué)習(xí)自主性，在自己動手完成任務(wù)的過程中，對所制作的物品的結(jié)構(gòu)、功能等屬性有了更加深刻的了解，從而可以對作品進行優(yōu)化處理，更好的利用3D打印機進行作品制作。

（二）3D打印室運作模式

我校的3D打印機主要由機電工程學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)基地負責管理，目前實驗室中有8臺先臨3D打印機，一臺工業(yè)打印機，且本校實驗室面向全校師生開放。

為提高工作效率，避免出現(xiàn)人員過于集中增大工作量的現(xiàn)象，我校將預(yù)約表的相關(guān)文件及所填信息注意事項發(fā)布到官網(wǎng)上，讓學(xué)生自行打印。學(xué)生填寫預(yù)約表之后應(yīng)交與老師審核，審核通過后，聯(lián)系打印室負責人員以便安排打印。如果審核未通過，應(yīng)自行改進或者聯(lián)系老師進行指導(dǎo)，再次進行預(yù)約。預(yù)約后若長時間或無故不按時不進行實驗，以及違反3D打印室規(guī)定者，取消其本次實驗資格并予以警告。如下圖所示為3D打印室運作模式流程圖。

（三）3D打印室實驗內(nèi)容

實驗內(nèi)容我們分為三個階段：基礎(chǔ)實驗階段，提升實驗階段，創(chuàng)新實驗階段。

基礎(chǔ)實驗階段：依據(jù)自由開放的原則，學(xué)生們進行自由創(chuàng)意創(chuàng)作，使之熟悉整個學(xué)習(xí)流程，了解打印機的使用方法，最后由老師點評，指出不足之處。

提升實驗階段：由老師進行命題，并且給出初步思路，或者在學(xué)生討論時、進行打印時給予教師意見。在此過程中，循序漸進的培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識、提高創(chuàng)新能力，最后由老師給出指導(dǎo)意見。

創(chuàng)新實驗階段：由老師進行命題，給與學(xué)生完全的自主權(quán)，學(xué)生在規(guī)定的時間段內(nèi)完成相應(yīng)的任務(wù)，任務(wù)結(jié)束之后，由老師進行點評指導(dǎo)。

五、總結(jié)

3D打印發(fā)展前景良好，目前3D打印技術(shù)仍處于研發(fā)階段，但隨著各國對3D打印技術(shù)的深入研究和重視，3D打印將會以更為優(yōu)越的性能被引入到高校的教學(xué)之中。本文以我校3D打印室為例，將傳統(tǒng)教學(xué)與實驗教學(xué)相結(jié)合、改進實驗室運作模式、革新實驗階段，提出創(chuàng)新教育模式。高校對3D打印技術(shù)的不斷關(guān)注和投入，將會拉動高校創(chuàng)新教育的發(fā)展。

參考文獻：

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[3]孫江山，吳永和，任友群.3D打印教育創(chuàng)新：創(chuàng)客空間，創(chuàng)新實驗室和STEAM[J].現(xiàn)代遠程教育研究，2015，4：96-103.

[4]尚雯，譚躍剛，張帆，等.面向大學(xué)生創(chuàng)新教育的3D打印教學(xué)實驗平臺研究與應(yīng)用[J].中國輕工教育，2016，3：73-76.

作者簡介：劉德生（1999-），男，漢族，山東德州人，河南科技大學(xué)機電工程學(xué)院本科在讀生。