3D打印技術(shù)在增殖工程與海洋牧場(chǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

盛化香　唐衍力　黃六一　溫海深

[摘 要]文章針對(duì)增殖工程與海洋牧場(chǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題，結(jié)合課堂教學(xué)與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出引進(jìn)3D打印技術(shù)改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新思路。文章首先介紹3D打印技術(shù)的原理和特點(diǎn)，然后圍繞3D打印技術(shù)與材料、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式和考核形式等方面進(jìn)行探討與創(chuàng)新，建立以學(xué)生為中心，從人工魚(yú)礁模型設(shè)計(jì)到3D打印制造再到模型進(jìn)一步優(yōu)化的綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。實(shí)踐表明，3D打印技術(shù)的應(yīng)用可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，提高學(xué)生的空間想象能力，提高學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，進(jìn)而提高本課程的綜合教學(xué)效果。

[關(guān)鍵詞]3D打印技術(shù);實(shí)驗(yàn)教學(xué);人工魚(yú)礁;海洋牧場(chǎng)

[中圖分類(lèi)號(hào)] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2021）06-0074-03

增殖工程與海洋牧場(chǎng)是海洋漁業(yè)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)的必修課，也是水產(chǎn)養(yǎng)殖專(zhuān)業(yè)和海洋資源與環(huán)境專(zhuān)業(yè)的選修課。其內(nèi)容主要依據(jù)人工魚(yú)礁的集魚(yú)機(jī)理，著力闡述和介紹人工魚(yú)礁材料的種類(lèi)和性能、人工魚(yú)礁區(qū)的本底調(diào)查與選址、礁體結(jié)構(gòu)與水動(dòng)力學(xué)特性、人工魚(yú)礁的工程設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以及人工魚(yú)礁生物附著和增殖效果評(píng)價(jià)等內(nèi)容，是一門(mén)理論與實(shí)踐緊密結(jié)合的專(zhuān)業(yè)課。其要求學(xué)生既要具備一定的工程學(xué)方面的基礎(chǔ)理論，也需要掌握一定的生物學(xué)和魚(yú)類(lèi)學(xué)知識(shí)。

增殖工程與海洋牧場(chǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是本課程的重要組成部分，要求學(xué)生設(shè)計(jì)、制作人工魚(yú)礁模型，并結(jié)合水阻力實(shí)驗(yàn)、流場(chǎng)實(shí)驗(yàn)以及魚(yú)類(lèi)誘集實(shí)驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)模型性能，并進(jìn)一步優(yōu)化模型。傳統(tǒng)教學(xué)中存在的問(wèn)題有以下幾個(gè)方面。1.人工魚(yú)礁模型制作是由教師指定形狀與結(jié)構(gòu)，然后由學(xué)生手工切割有機(jī)玻璃板，通過(guò)電鉆進(jìn)行打孔，再進(jìn)行黏合制作。整個(gè)過(guò)程費(fèi)時(shí)費(fèi)力，制作的魚(yú)礁模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度較低，無(wú)法培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新性。2.傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式是教師向?qū)W生講授實(shí)驗(yàn)原理、操作步驟和注意事項(xiàng)，學(xué)生按部就班地完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)。這種被動(dòng)式的學(xué)習(xí)，無(wú)法激發(fā)學(xué)生的興趣和創(chuàng)新能動(dòng)性。3.魚(yú)礁模型制作精度不高，后續(xù)水阻力實(shí)驗(yàn)、流場(chǎng)實(shí)驗(yàn)和生物誘集實(shí)驗(yàn)也受影響，無(wú)法達(dá)到優(yōu)化的目的。4.考核方式簡(jiǎn)單，沒(méi)有綜合考慮其他因素，無(wú)法調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。5.實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果不好，沒(méi)有調(diào)動(dòng)學(xué)生的創(chuàng)新主動(dòng)性，沒(méi)有提高學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，不利于培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)[1]。

3D打印技術(shù)，又名增材制造（additive manufacturing，AM）技術(shù)，作為一種新興技術(shù)，其在高校創(chuàng)新教育領(lǐng)域中的應(yīng)用也備受重視。中國(guó)工業(yè)和信息化部于2017年12月發(fā)布的《增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（2017-2020年）》明確指出，要實(shí)施學(xué)校增材制造技術(shù)普及工程，鼓勵(lì)增材制造技術(shù)在教育領(lǐng)域推廣，配置增材制造設(shè)備及教學(xué)軟件，開(kāi)設(shè)增材制造知識(shí)培訓(xùn)課程，建立增材制造實(shí)驗(yàn)室，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)的興趣、愛(ài)好、意識(shí)。美國(guó)、英國(guó)等國(guó)的相關(guān)部門(mén)很早就開(kāi)展針對(duì)3D打印技術(shù)的試驗(yàn)項(xiàng)目，將3D打印技術(shù)應(yīng)用到工程技術(shù)等相關(guān)課程中，探索3D打印技術(shù)的教學(xué)應(yīng)用，推動(dòng)教學(xué)創(chuàng)新，激發(fā)學(xué)生對(duì)工程、設(shè)計(jì)和科學(xué)相關(guān)課程的興趣，培養(yǎng)工程人才 [2-3]。本文通過(guò)將3D打印技術(shù)應(yīng)用于增殖工程與海洋牧場(chǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，探討適合本課程的打印技術(shù)和材料，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，改進(jìn)教學(xué)方式，完善考核程序，以提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果。

一、3D打印技術(shù)簡(jiǎn)介

3D打印技術(shù)是一項(xiàng)發(fā)源于20世紀(jì)80年代集機(jī)械、計(jì)算機(jī)、數(shù)控和材料于一體的先進(jìn)制造技術(shù)[4]，其基本原理是根據(jù)三維實(shí)體零件經(jīng)切片處理獲得的二維截面信息，以點(diǎn)、線或面作為基本單元進(jìn)行逐層堆積制造，最終獲得實(shí)體零件或模型[5]。增材制造區(qū)別于傳統(tǒng)的減材（如切削加工）和等材（如鍛造）制造方法，是在計(jì)算機(jī)的控制下，逐層堆積或固化材料，最終制造出立體工件，可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)方法無(wú)法或很難達(dá)到的復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的制造，具有智能化、定制化、生態(tài)化和高效快速等特點(diǎn)[6]，已廣泛應(yīng)用于食品、服裝、家具、醫(yī)療、建筑、教育等領(lǐng)域[7]。

3D打印的制造技術(shù)根據(jù)打印原理和材料的不同可以分為幾類(lèi)：熔融沉積成型（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM）、光固化成型技術(shù)（Stereo Lithography Apparatus，SLA）、選擇性激光燒結(jié)（Selecting Laser Sintering，SLS）、數(shù)字化光處理（Digital Light Processing，DLP）、三維噴涂黏結(jié)（Three Dimensional Printing and Gluing，3DPG）、3D噴墨技術(shù)（Ployjet）技術(shù)等， 其在打印的材料、精度、速度等方面存在不同特點(diǎn)[8]。

二、3D打印技術(shù)在本實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

（一）選擇3D打印技術(shù)與耗材

熔融沉積成型（FDM）是目前比較成熟的3D打印技術(shù)，以各種絲材作為原料，通過(guò)電加熱的方式將絲材在噴頭內(nèi)加熱到橡膠態(tài)，噴頭在計(jì)算機(jī)的控制下作平面運(yùn)動(dòng)，根據(jù)分層數(shù)據(jù)，將熔融的絲材從噴頭中擠出涂覆在工作臺(tái)上，熔融的絲材料冷卻固化后形成打印件的一個(gè)薄層截面。當(dāng)一層固化結(jié)束后，噴頭向上移動(dòng)一層的高度，繼續(xù)按照分層數(shù)據(jù)進(jìn)行該層的涂覆，如此重復(fù)直至零件全部堆疊完成。FDM技術(shù)被廣泛用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中的模型制作上，其原材料主要是生產(chǎn)級(jí)別熱塑性絲狀塑料，成型件的力學(xué)性能相當(dāng)于工程塑料或者蠟?zāi)?，具有?yōu)秀的機(jī)械、耐熱性和化學(xué)強(qiáng)度，可用于制造蠟?zāi)?、塑料零件、模型或者產(chǎn)品樣件等[9]。

丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料（ABS）和聚乳酸（PLA ）是FDM 技術(shù)最常用的耗材，因價(jià)格便宜而十分普及。ABS 是常見(jiàn)的工程塑料，具有較好的機(jī)械性能，但3D打印條件要求苛刻，在打印過(guò)程中容易翹曲變形，且易產(chǎn)生刺激性氣味。PLA 是可降解環(huán)保塑料，打印性能較好，是一種較為理想的3D打印熱塑性聚合物，已廣泛應(yīng)用于教育、醫(yī)療、建筑、模具設(shè)計(jì)等行業(yè)[5]。

實(shí)踐證明，使用PLA打印的模型，拉伸變形均勻，具有良好的力學(xué)性能[10]。在保證3D打印力學(xué)性能的情況下，可以設(shè)置填充率為20%～40%，且為同心線填充，進(jìn)行FDM工藝成型，這樣既節(jié)省材料、時(shí)間和費(fèi)用，又能得到較好的成型模型[11]。在增殖工程與海洋牧場(chǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，3D打印技術(shù)選擇FDM，材料選擇PLA，可以很好地制作人工魚(yú)礁模型，能夠滿足水動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)，符合實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求。

（二）改革教學(xué)內(nèi)容

在增殖工程與海洋牧場(chǎng)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生以有機(jī)玻璃作為材料，利用勾刀進(jìn)行切割，再利用臺(tái)式鉆機(jī)進(jìn)行打孔，最后進(jìn)行粘合成魚(yú)礁模型。由于材料和工具的限制，學(xué)生制作的人工魚(yú)礁模型形狀和結(jié)構(gòu)比較固定和單一，可選擇的空間很小，而且制作出來(lái)的模型精度較低，且費(fèi)時(shí)費(fèi)力，局限性較大。學(xué)生在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中是被動(dòng)學(xué)習(xí)，積極性不高，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果較差。

3D打印技術(shù)操作簡(jiǎn)單，對(duì)于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境條件要求較低，可實(shí)現(xiàn)快速、精細(xì)地打印人工魚(yú)礁模型。通過(guò)3D打印技術(shù)，可將設(shè)計(jì)的人工魚(yú)礁模型的外觀和結(jié)構(gòu)進(jìn)行快速的實(shí)體呈現(xiàn)，以方便進(jìn)行結(jié)構(gòu)確認(rèn)、功能驗(yàn)證、后續(xù)優(yōu)化等相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

教師可以在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用3D打印技術(shù)，開(kāi)展教學(xué)活動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)與了解3D打印的基本原理和基礎(chǔ)知識(shí)，讓學(xué)生掌握三維模型的創(chuàng)建和Cura 15切片軟件的使用，讓學(xué)生熟悉3D打印機(jī)的操作步驟，利用專(zhuān)業(yè)知識(shí)設(shè)計(jì)人工魚(yú)礁模型，最終打印出自己設(shè)計(jì)的人工魚(yú)礁模型。

在教學(xué)活動(dòng)中，3D打印過(guò)程分為5個(gè)步驟：設(shè)計(jì)、建模、格式轉(zhuǎn)換、打印和后處理[12-13]。1.設(shè)計(jì)：根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵?，利用已學(xué)專(zhuān)業(yè)知識(shí)，設(shè)計(jì)出具有良好水動(dòng)力性能和生物性能的人工魚(yú)礁模型。2.建模：在計(jì)算機(jī)上，使用Solidworks、AutoCAD等三維建模軟件把設(shè)計(jì)好的人工魚(yú)礁模型繪制出來(lái)，或者利用三維掃描儀對(duì)已有的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行掃描，直接生成三維模型數(shù)據(jù)。3.格式轉(zhuǎn)換：將三維模型轉(zhuǎn)化為STL格式文件，使用Cura 15進(jìn)行切片將生成Gcode代碼，期間可以設(shè)置分層厚度為350μm、噴頭溫度為210℃、打印速度為70mm/s時(shí)，3D打印模型在垂直層面方向可以得到較高的壓縮力學(xué)性能[14]。4.打?。簩code代碼載入3D打印機(jī)進(jìn)行打印。在打印區(qū)域內(nèi)，噴頭沿著由Gcode代碼給出的圖層數(shù)據(jù)，進(jìn)行一層一層由下到上的打印。打印時(shí)間由工件大小、打印方式、材料、精度決定。5.后處理：打印后的工件會(huì)存在多余支撐、毛刺等問(wèn)題，需要進(jìn)行清潔和打磨，打磨后可使工件達(dá)到精度的要求，從而完成工件。

3D打印機(jī)制做出的人工魚(yú)礁模型，憑借其較好的整體性和較高的精度，可以結(jié)合后續(xù)的水阻力實(shí)驗(yàn)、流場(chǎng)實(shí)驗(yàn)以及魚(yú)類(lèi)誘集實(shí)驗(yàn)等實(shí)驗(yàn)，獲取相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)。通過(guò)使用層次分析法對(duì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行權(quán)重分析，以此來(lái)綜合評(píng)估人工魚(yú)礁模型的水動(dòng)力性能和生物學(xué)性能。通過(guò)對(duì)比分析不同魚(yú)礁模型的優(yōu)缺點(diǎn)，可以優(yōu)化人工魚(yú)礁模型性能，進(jìn)一步設(shè)計(jì)更好的魚(yú)礁模型。3D打印技術(shù)為人工魚(yú)礁的設(shè)計(jì)、創(chuàng)新和優(yōu)化提供了方便、快捷、精確的手段。

（三）改善教學(xué)方式

海洋漁業(yè)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生，都修過(guò)漁業(yè)工程CAD課程，具備很好的圖形設(shè)計(jì)與繪圖能力。為此，可以讓學(xué)生自行分組，一般4～5人為一組，要求學(xué)生利用增殖工程與海洋牧場(chǎng)教學(xué)課堂中學(xué)習(xí)到的理論知識(shí)，以及相關(guān)的生物學(xué)和流體力學(xué)等專(zhuān)業(yè)知識(shí)來(lái)設(shè)計(jì)魚(yú)礁模型，如魚(yú)礁模型的結(jié)構(gòu)、水動(dòng)力性能（水阻力、流場(chǎng)效應(yīng)）以及對(duì)魚(yú)類(lèi)誘集效果等，發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)新能力。課程要求每人均要完成1個(gè)魚(yú)礁模型的設(shè)計(jì)與3D圖形繪制，這樣可以保證每一位學(xué)生都參與到設(shè)計(jì)與繪制的過(guò)程當(dāng)中，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，避免有些學(xué)生只是在一旁觀望的現(xiàn)象。

小組每個(gè)成員在完成各自的模型設(shè)計(jì)與繪制之后，由小組成員和指導(dǎo)教師一起對(duì)魚(yú)礁模型進(jìn)行點(diǎn)評(píng)討論，選出最優(yōu)模型，直接在課堂上通過(guò)3D打印機(jī)打印出來(lái)，以備后續(xù)實(shí)驗(yàn)使用。學(xué)生在運(yùn)用專(zhuān)業(yè)知識(shí)來(lái)設(shè)計(jì)與創(chuàng)作魚(yú)礁模型就是理論知識(shí)的實(shí)踐化，這進(jìn)一步提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力。這種小組合作的方式增加了學(xué)生間的溝通，在點(diǎn)評(píng)討論小組的最優(yōu)魚(yú)礁模型中引入了學(xué)生間的競(jìng)爭(zhēng)，這種方式不僅彌補(bǔ)了個(gè)人設(shè)計(jì)的缺陷，還激發(fā)了學(xué)生創(chuàng)作的熱情。

（四）改變考核形式

實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，學(xué)生要完成人工魚(yú)礁模型設(shè)計(jì)、優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)報(bào)告書(shū)，包括設(shè)計(jì)圖紙、說(shuō)明書(shū)、模型優(yōu)化參數(shù)等。由指導(dǎo)教師評(píng)定成績(jī)，成績(jī)以百分制記分，考核內(nèi)容包括：1.人工魚(yú)礁模型結(jié)構(gòu)形式、幾何形狀的合理性，圖紙的展示效果;2.教師評(píng)價(jià)，通過(guò)問(wèn)答考核學(xué)生對(duì)設(shè)計(jì)理論的熟悉程度，對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程的掌握程度;3.學(xué)生小組間互評(píng)和學(xué)生小組內(nèi)自評(píng);4.檢查3D打印機(jī)打印人工魚(yú)礁模型的過(guò)程和質(zhì)量;5.檢查人工魚(yú)礁模型后續(xù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù);6.檢查人工魚(yú)礁模型的水動(dòng)力性能及生物性能，并查看優(yōu)化參數(shù)及建議;7.考核實(shí)驗(yàn)報(bào)告是否符合要求。指導(dǎo)教師對(duì)每一部分分別進(jìn)行評(píng)分，最后以每一部分的分?jǐn)?shù)之和作為綜合實(shí)驗(yàn)成績(jī)。

三、教學(xué)實(shí)踐應(yīng)用及效果

增殖工程與海洋牧場(chǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求學(xué)生系統(tǒng)掌握人工魚(yú)礁的功能、結(jié)構(gòu)組成、水動(dòng)力性能、流場(chǎng)分布及集魚(yú)效果等，從而形成專(zhuān)業(yè)的海洋工程思維意識(shí)、模型效果分析基本能力。實(shí)踐證明，將3D打印技術(shù)應(yīng)用到增殖工程與海洋牧場(chǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，能夠讓學(xué)生受益匪淺，大大提高了實(shí)驗(yàn)效果。

1.將3D打印技術(shù)應(yīng)用到增殖工程與海洋牧場(chǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，能讓學(xué)生掌握行業(yè)前沿技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。3D打印技術(shù)綜合了數(shù)字建模技術(shù)、三維掃描技術(shù)、機(jī)電控制技術(shù)、信息技術(shù)、材料科學(xué)與化學(xué)等諸多方面的前沿技術(shù)知識(shí)，具有很高的科技含量[4]。將3D打印技術(shù)應(yīng)用到增殖工程與海洋牧場(chǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，不僅可以讓學(xué)生掌握3D打印技術(shù)，還可以讓學(xué)生及時(shí)掌握行業(yè)前沿技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，從而拓寬學(xué)生的視野、提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2.提高學(xué)生的專(zhuān)業(yè)實(shí)踐能力。3D打印技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，能夠讓學(xué)生將所學(xué)的專(zhuān)業(yè)理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合，讓學(xué)生將專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)理念和模型制作快速地融會(huì)貫通，將設(shè)計(jì)方案迅速地轉(zhuǎn)化成現(xiàn)實(shí)的實(shí)物。學(xué)生通過(guò)完成一個(gè)魚(yú)礁模型的設(shè)計(jì)與制作，并結(jié)合后續(xù)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，可對(duì)模型設(shè)計(jì)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行評(píng)估與優(yōu)化，這能提高學(xué)生的專(zhuān)業(yè)實(shí)踐能力。

3.培養(yǎng)學(xué)生的綜合創(chuàng)新能力。3D打印技術(shù)不僅解放了學(xué)生的雙手，開(kāi)闊了學(xué)生的視野，拓寬了學(xué)生的思維空間，調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，而且提高了學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，強(qiáng)化了課堂互動(dòng)效果，鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手能力和綜合創(chuàng)新能力，達(dá)到了本課程設(shè)置的學(xué)習(xí)效果與意義。

四、結(jié)語(yǔ)

教育信息化和教育裝備現(xiàn)代化是教育現(xiàn)代化的兩大重要支柱。3D 打印技術(shù)教育既關(guān)聯(lián)著教育裝備建設(shè)，又關(guān)聯(lián)著教育信息化的推進(jìn)，是教育信息化和教育裝備建設(shè)相互結(jié)合的典型代表，也是未來(lái)教育的發(fā)展方向[15]。3D打印技術(shù)教學(xué)與增殖工程與海洋牧場(chǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，能夠讓學(xué)生對(duì)創(chuàng)新設(shè)計(jì)、數(shù)字建模、3D打印制作和人工魚(yú)礁模型優(yōu)化設(shè)計(jì)等過(guò)程有更全面的學(xué)習(xí)和認(rèn)識(shí)，也取得了很好的教學(xué)效果。

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[責(zé)任編輯：陳 明]