淺析新工科理念下的3D打印實踐教學形式改革探討與實踐

鞠錦勇

摘要：新工科理念下，按照“與當前工業(yè)主流技術(shù)相銜接”的原則，結(jié)合3D打印技術(shù)的原理及特點和工程訓練實踐教學的宗旨，提出將3D打印實踐教學與企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)流程相結(jié)合的教學組織模式。首先，以培養(yǎng)學生的基本建模和設(shè)備操作能力為目的。其次，根據(jù)工程訓練實踐教學的宗旨，結(jié)合實際在教學過程中對學生提出具體產(chǎn)品設(shè)計要求，讓學生有目的地進行設(shè)計創(chuàng)新。最后，打印出符合設(shè)計要求的實體模型。讓學生體會從設(shè)計理念到設(shè)計過程，從概念設(shè)計到成品加工的過程，達到增強學生工程意識和工程實踐創(chuàng)新能力的目的。

關(guān)鍵詞：新工科;3D打印;實踐教學;產(chǎn)品研發(fā);教學改革

中圖分類號：G420 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2020）14-0198-03

一、引言

隨著科技的進步，有些傳統(tǒng)的加工方式逐漸被工業(yè)生產(chǎn)淘汰，工程訓練教學中這部分加工內(nèi)容存在限制學生認知和創(chuàng)新拓展能力的局限。因此，在“新工科”理念下，傳統(tǒng)的實習加工形式已經(jīng)不能滿足學生工程訓練的要求[1，2]。

3D打印技術(shù)屬于新興的制造業(yè)技術(shù)，被稱為“第三次工業(yè)技術(shù)革命最具代表性的技術(shù)”。目前，3D打印技術(shù)廣泛應(yīng)用在醫(yī)療、生物科學、加工制造等各行各業(yè)[3]。工程訓練中引入3D打印技術(shù)，可以拓寬學生的認知，讓學生了解科學技術(shù)的前沿[4]。但是3D打印由于其自動化程度高，設(shè)備操作相對簡單。傳統(tǒng)的教學組織模式下，主要是對基礎(chǔ)知識和設(shè)備的操作進行介紹，制作簡單的加工作品，課程內(nèi)容長時間一成不變，難以激發(fā)學生的學習積極性。這種傳統(tǒng)的教學模式雖然鍛煉了學生的實踐操作能力，但忽視了對工程意識和工程素質(zhì)的培養(yǎng)，學生也會覺得沒有挑戰(zhàn)性，很難讓學生體會到實習的真正意義。因此，在3D打印教學中除了讓學生了解3D打印的基本知識和設(shè)備基礎(chǔ)操作外，還需結(jié)合產(chǎn)品開發(fā)的流程重新組織教學形式，對學生提出產(chǎn)品設(shè)計要求，讓學生有目的地進行設(shè)計創(chuàng)新。這樣，學生在實習中不僅學到科學理論知識，而且能夠了解研發(fā)的流程和研發(fā)的意義，提高自身的工程意識和素質(zhì)，這也符合“新工科”倡導的產(chǎn)教融合、科教協(xié)同的理念[5，6]。

二、3D打印技術(shù)原理及工藝流程

為了改進現(xiàn)有3D打印工程訓練教學，首先需要詳細了解3D打印技術(shù)原理及工藝流程，從3D打印實際工藝流程中探討改進方式，因此，首先對3D打印技術(shù)的原理及工藝流程進行介紹。市場上大部分3D打印設(shè)備主要基于熔融沉積（FDM）成型原理，F(xiàn)DM成型原理主要是通過打印機噴頭擠出絲材，按照模型的截面輪廓進行循環(huán)堆疊，經(jīng)過后處理最終打印出與數(shù)據(jù)模型一致的實體模型。3D打印的基本是三維數(shù)據(jù)模型文件，首先需要將其保存為3D打印機能夠識別的文件類型（.stl）。接著導入3D打印軟件將三維數(shù)據(jù)模型分割為二維數(shù)據(jù)文件，通過設(shè)置相關(guān)打印參數(shù)打印模型。最后，完成打印后對模型進行后處理，包括模型的固化及無關(guān)支撐的剝離。圖1所示為3D打印技術(shù)的工藝流程。

對比傳統(tǒng)的加工方式，3D打印不需要任何刀具、夾具等，加工過程中不產(chǎn)生其他廢物廢渣，材料利用率高，可以有效降低生產(chǎn)成本。而且3D打印加工精度高，可以實現(xiàn)復(fù)雜模型的一次成型，減少加工工藝流程，大大降低了時間成本。因此，3D打印是前景廣闊的現(xiàn)代加工技術(shù)。我校工程訓練旨在培養(yǎng)應(yīng)用型人才，結(jié)合3D打印技術(shù)特點和技術(shù)優(yōu)勢，符合我校大學生的培養(yǎng)目標，并且通過有效的組織3D打印教學，幫助大學生樹立工程概念和工程意識，提高大學生的社會競爭力。

三、結(jié)合產(chǎn)品研發(fā)流程的3D打印教學模式

傳統(tǒng)的教學組織模式下，3D打印技術(shù)實習主要是對打印原理及技術(shù)特點和打印機的操作進行介紹，通過打印模型庫的文件讓學生認識這種加工方式。由于3D打印設(shè)備自動化程度高，設(shè)備操作非常簡單，同時受成型原理的影響，3D打印需要等待的時間比較長，實習過程中學生將大部分時間花費在等待產(chǎn)品成型上，時間利用率低。因此，實習過程中，很容易讓學生產(chǎn)生一種錯誤的認識：3D打印技術(shù)沒有什么技術(shù)含量，學生也會覺得沒有挑戰(zhàn)性。這種傳統(tǒng)的教學模式雖然提高了大學生的認知，鍛煉了大學生實踐操作的能力，但忽視了對大學生工程意識和工程素質(zhì)的培養(yǎng)，學生難以真正體會到實習的意義。

在實際教學中，發(fā)現(xiàn)學生對于模型庫中的文件更有興趣。因此，可以結(jié)合學生的興趣讓學生進行自主創(chuàng)新建立三維模型并打印。同時，還可以彌補3D打印等待時間長的問題，學生的設(shè)計和加工過程可以同時進行，既可以充實課程內(nèi)容，也符合高等學校培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力的要求。但是學生漫無目的地設(shè)計，在實際教學中也沒有取得較好的效果，學生的作品存在趨于簡單化和應(yīng)付作業(yè)的傾向，難以增強大學生的工程意識和提高工程素質(zhì)。因此，對傳統(tǒng)的3D打印教學組織形式進行改革勢在必行。

在3D打印技術(shù)教學中，將自主創(chuàng)新與產(chǎn)品研發(fā)相結(jié)合可以有效解決現(xiàn)有教學模式的缺陷。產(chǎn)品研發(fā)方向源于銷售人員對市場需求的把握，研發(fā)人員根據(jù)市場需求明確產(chǎn)品的設(shè)計要求，然后按照設(shè)計要求完成產(chǎn)品的設(shè)計，經(jīng)驗證合格后進行加工并進入市場銷售。在市場競爭中，產(chǎn)品的質(zhì)量和性能直接影響產(chǎn)品的銷量。同樣，按照產(chǎn)品研發(fā)的思路，讓學生自主調(diào)研，分析現(xiàn)有產(chǎn)品的不足，進而提出具體的產(chǎn)品設(shè)計要求進行自主創(chuàng)新。最后，組織學生對比分析各自設(shè)計的優(yōu)勢和不足。在此過程中，學生通過擔當和體會不同的角色，不僅可以鍛煉自主學習、自主創(chuàng)新的實踐能力，還可以從總體上把握產(chǎn)品的設(shè)計流程，增強自身的工程意識和提高工程素質(zhì)。

四、結(jié)合產(chǎn)品研發(fā)的3D打印教學組織

在3D打印技術(shù)教學中，首先介紹3D打印技術(shù)的基本原理、技術(shù)特點、工藝流程、打印機使用、3D打印的優(yōu)勢等基本理論和操作知識，強調(diào)三維數(shù)據(jù)建模的重要性，介紹三維軟件的基本建模思想，讓學生熟悉簡單命令的使用，并體會建模的基本原理，自主學習復(fù)雜建模操作。在此基礎(chǔ)上，重點向?qū)W生介紹產(chǎn)品研發(fā)的基本流程，主要包括立項階段、設(shè)計階段、樣機階段、小批階段、市場化階段，明確分析各階段的任務(wù)。關(guān)鍵是通過介紹產(chǎn)品研發(fā)流程，讓學生在自主設(shè)計中遵守實際的產(chǎn)品研發(fā)流程，通過調(diào)研和分析提出合理的產(chǎn)品設(shè)計要求。讓學生根據(jù)設(shè)計要求，完成各自的創(chuàng)新產(chǎn)品。最后讓學生對所設(shè)計作品進行當眾講解并分析優(yōu)勢和不足。整個過程中學生自己把握設(shè)計要求、設(shè)計過程和加工過程，認識設(shè)計產(chǎn)品的特點，增強自身工程意識，從根本上認識3D打印實習的意義。

由于教學過程中不具備實驗驗證條件和大批量生產(chǎn)能力，因此忽略產(chǎn)品研發(fā)中的樣機階段、小批階段兩部分。在學生掌握了基本的建模方法及打印機的使用方法后，引導自主創(chuàng)新，不限制類型和方式，可以是其他的生活用品、玩具、藝術(shù)品等。表1以手機支架的設(shè)計為例，闡述結(jié)合產(chǎn)品研發(fā)的打印教學組織形式。

手機支架的設(shè)計意義在于解放人的雙手，滿足固定手機的要求?，F(xiàn)有手機支架存在的缺點包括：①手機支撐角度不能滿足多種使用條件;②手機支架尺寸不能滿足大屏幕手機發(fā)展趨勢，穩(wěn)定性不足;③手機發(fā)熱嚴重，手機支架影響散熱;④一體式手機支架占空間，不方便攜帶。根據(jù)提出的缺點和不足，讓學生確定設(shè)計要求，并按照以下設(shè)計要求設(shè)計相應(yīng)的產(chǎn)品：①確定整體尺寸、支撐角度，保證舒適性和穩(wěn)定性;②考慮支撐面積對手機散熱性能的影響，但也應(yīng)兼顧穩(wěn)定性;③避免妨礙其他部位，如攝像頭、耳機插孔、擴音器等;④支撐角度可調(diào)節(jié)，滿足不同的人對不同角度的需求;⑤可折疊，方便攜帶。

3D打印加工階段，學生按照以上要求完成一定結(jié)構(gòu)的手機支架，自主評價合格后，可打印加工，打印完成后需使用手機驗證設(shè)計強度是否合格，能否滿足日常需求。不滿足設(shè)計要求的，需要對模型進行修改和完善，直到完成合格的模型設(shè)計。確認設(shè)計合格后，組織學生分析創(chuàng)新件的優(yōu)勢和不足，從而驗證其市場競爭性。在此過程中，不僅讓學生設(shè)計模型，更讓學生體會到產(chǎn)品研發(fā)的過程，產(chǎn)品的設(shè)計不是漫無目的的，需要滿足設(shè)計需求才有意義。同時，讓學生體會到研發(fā)過程并非一次就能成功，只有反復(fù)地修正和完善，才能創(chuàng)造出合格的產(chǎn)品。結(jié)合產(chǎn)品研發(fā)的3D打印教學組織形式實現(xiàn)了產(chǎn)品從設(shè)計理念到設(shè)計過程，從概念設(shè)計到成品加工的過程，增強了學生的工程意識，提高了學生的工程素質(zhì)，并起到了鍛煉學生工程實踐和創(chuàng)新能力的作用。

五、結(jié)論

針對傳統(tǒng)3D打印實踐教學模式存在的不足，將3D打印技術(shù)的教學組織形式與產(chǎn)品的研發(fā)流程相結(jié)合，讓學生在實踐中有目的地進行創(chuàng)新。通過對比兩種教學模式發(fā)現(xiàn)，學生對于漫無目的的創(chuàng)新顯得束手無策，大部分學生將時間花費在“做什么”的問題上，做出的創(chuàng)新件也不太滿意。而通過結(jié)合產(chǎn)品研發(fā)流程，學生根據(jù)設(shè)計要求，很快就有了創(chuàng)新思路，課堂氣氛積極活躍，充分調(diào)動每位學生的學習主動性。這種新型3D打印實踐教學模式能夠最大限度地激發(fā)學生的學習熱情。

參考文獻：

[1]周劍峰，韓民.新工科專業(yè)實踐教學體系構(gòu)建[J].教育教學論壇，2017，（44）：109-110.

[2]龔曉嘉.綜合性高校在實踐教學中培養(yǎng)新工科創(chuàng)新型人才的探索[J].高教學刊，2017，（12）：141-142.

[3]馮春梅，楊繼全，施建平.3D打印成型工藝及技術(shù)[M].南京師范大學出版社，2016.

[4]吳蘭岸，劉延申.基于逆向工程的工程課程開放式教學[J].高等工程教育研究，2016，（6）：185-189.

[5]劉玉飛，許德章，梁利東，等.基于OBE理念的理工科專業(yè)《計算方法》課程教學改革探索與實踐[J].教育教學論壇，2018，（09）：135-137.

[6]王美，王良輝，劉中曉，等.基于3D打印技術(shù)的特色課程研究——以“3D打印創(chuàng)意工作室”課程為例[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2015，25（8）：120-126.

Abstract：According to the principle of "linking up with the current mainstream technology of industry" and combining the principle and characteristics of 3D printing technology，this paper puts forward a teaching organization mode that combines 3D printing practice teaching with enterprise product research and development process.Firstly，students are trained in basic modeling and equipment operation ability.Then，according to the purpose of engineering training practice teaching，combined with the actual teaching process，specific product design requirements are put forward for students，so that undergraduates can design innovations purposefully.Finally，the entity model that meets the design requirements is printed out.Under this teaching organization mode，undergraduates can experience the process from design concept to design process and the process from conceptual design to finished product processing.Then，the engineering consciousness and innovation ability of the undergraduates can be effectively improved in engineering practice.

Key words：Emerging Engineering Education;3D printing;practical teaching;product development;teaching reform