新工科背景下工程訓(xùn)練中心新技術(shù)教學(xué)探索與應(yīng)用實(shí)踐

劉文康 王黎航

（1.浙江科技學(xué)院自動化與電氣工程學(xué)院 浙江 杭州 310023；2.浙江科技學(xué)院創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院 浙江 杭州 310023）

新工科建設(shè)旨在培養(yǎng)一批實(shí)踐能力強(qiáng)、綜合素質(zhì)高、理論基礎(chǔ)深厚、思維能力突出、善于主動學(xué)習(xí)的復(fù)合型人才［1］。習(xí)近平總書記于2018年9月10日在全國教育大會上號召高校加強(qiáng)大學(xué)生的勞動教育，引導(dǎo)學(xué)生崇尚勞動、尊重勞動，懂得勞動最光榮、勞動最崇高、勞動最偉大、勞動最美麗的道理，長大后能夠辛勤勞動、誠實(shí)勞動、創(chuàng)造性勞動［2］。工程訓(xùn)練實(shí)訓(xùn)課程在本科教育中起到了舉足輕重的作用，作為本科教育必修課程之一，其在工程教育中具有重要意義［3］。工程訓(xùn)練實(shí)訓(xùn)課程可以達(dá)到理論聯(lián)系實(shí)際、培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生綜合能力的目的［4］。針對面向新工科對創(chuàng)新實(shí)踐人才的培養(yǎng)要求，就需要高校在現(xiàn)有的實(shí)踐教育體系下進(jìn)行新的探索，與創(chuàng)新教育更好地結(jié)合，培養(yǎng)出滿足新工科需求的工程實(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)、具備國際視野的高素質(zhì)復(fù)合型人才。

3D打印技術(shù)是一種廣義上的概念，是一種通過逐層累加材料的方法制造實(shí)體零件的技術(shù)，相對于傳統(tǒng)的材料去除（切削加工）技術(shù)與材料重塑（鑄造加工）技術(shù)，是一種材料累加制造方法。3D打印作為先進(jìn)制造技術(shù)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、機(jī)電應(yīng)用、航空航天等重要領(lǐng)域，具有材料環(huán)保、加工效率高、可創(chuàng)造性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，極其適合新產(chǎn)品的研發(fā)與制造［5］。3D打印設(shè)備是集機(jī)械、控制及計(jì)算機(jī)技術(shù)等為一體的系統(tǒng)，涉及范圍廣泛，滿足了新工科對學(xué)生具備全面的知識結(jié)構(gòu)的要求［6］。為此，浙江科技學(xué)院工程訓(xùn)練中心近年來開設(shè)了3D 打印加工實(shí)訓(xùn)課程，將3D 打印技術(shù)與傳統(tǒng)的金工實(shí)習(xí)教學(xué)相結(jié)合，做出了新工科背景下工程訓(xùn)練中心新技術(shù)應(yīng)用的探索與實(shí)踐。

1 3D打印技術(shù)課程的教學(xué)要求

1.1 以培養(yǎng)具有實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力人才為目標(biāo)

通過引入3D打印的新技術(shù)，推動了工程訓(xùn)練培養(yǎng)計(jì)劃的發(fā)展，增強(qiáng)了學(xué)生工程創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。3D打印技術(shù)加工實(shí)訓(xùn)課程的主要目的是讓學(xué)生了解先進(jìn)制造技術(shù)的原理和制造方法，學(xué)生可以掌握并熟練運(yùn)用3D打印技術(shù)，培養(yǎng)自身的工程創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。

1.2 以3D打印作品設(shè)計(jì)制造為主要內(nèi)容

3D打印作品設(shè)計(jì)制造可以讓學(xué)生在3D打印課程學(xué)習(xí)中提升，不斷適應(yīng)新工科對創(chuàng)新實(shí)踐的需求，有利于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力和提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。在3D打印課程上開展課程作品設(shè)計(jì)制造，學(xué)生上交作品后，老師們對作品展開評選與交流活動，以此為載體，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新實(shí)踐能力與工程實(shí)踐能力的提升。通過課程作品設(shè)計(jì)制造比賽的形式，擴(kuò)大3D打印技術(shù)課程的影響力，使之與其他學(xué)科專業(yè)相結(jié)合，如機(jī)械專業(yè)的機(jī)械建模、藝術(shù)專業(yè)的作品染色。學(xué)生在3D打印技術(shù)課上學(xué)習(xí)先進(jìn)制造技術(shù)的同時，也學(xué)習(xí)了其他學(xué)科專業(yè)的知識。在學(xué)生參與課程作品設(shè)計(jì)制造的過程中，通過學(xué)習(xí)先進(jìn)制造技術(shù)，將多學(xué)科知識融合，通過以小組的形式完成，不僅提高了創(chuàng)新實(shí)踐能力，同時還可以實(shí)現(xiàn)團(tuán)隊(duì)合作能力、溝通表達(dá)能力等綜合素養(yǎng)的提升。

1.3 結(jié)合引入通識教育的運(yùn)行機(jī)制與發(fā)展

在3D打印技術(shù)加工實(shí)訓(xùn)課程中，通過引入通識教育，使學(xué)生深入理解和形成馬克思主義勞動觀，提升學(xué)生文化自信，培養(yǎng)學(xué)生社會責(zé)任感，樹立正確的人生觀、價(jià)值觀［7］。通過設(shè)計(jì)制造型課程中命題式建模實(shí)踐為五角星建模與創(chuàng)新提高型課程中課程創(chuàng)意設(shè)計(jì)主題為“慶祝建黨百年，圍繞紅船精神”，使學(xué)生理解愛崗敬業(yè)、吃苦耐勞，通過“紅船精神”的課程創(chuàng)意設(shè)計(jì)主題，可以培養(yǎng)學(xué)生對中華民族燦爛文明的自豪感和對中華民族偉大復(fù)興的自信，增強(qiáng)學(xué)生的社會責(zé)任感，幫助學(xué)生樹立正確的人生觀和價(jià)值觀。

2 3D打印技術(shù)課程的教學(xué)探索

2.1 3D打印技術(shù)課程的教學(xué)改革要點(diǎn)

（1）增加學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐環(huán)節(jié)。學(xué)生進(jìn)行3D打印的基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)之后，為了進(jìn)一步加強(qiáng)對3D打印的基礎(chǔ)知識記憶和使用，應(yīng)當(dāng)鼓勵學(xué)生自主設(shè)計(jì)相關(guān)內(nèi)容。自主設(shè)計(jì)實(shí)踐更能提升學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力，應(yīng)當(dāng)給予學(xué)生一定程度上的指導(dǎo)與幫助，讓學(xué)生更好地在3D打印技術(shù)課程中提升自我。

（2）完善學(xué)生課程考核機(jī)制。工程訓(xùn)練中心的實(shí)訓(xùn)課程往往通過實(shí)操成績和實(shí)驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行評估，對自主創(chuàng)新過程考核較少，這極大地限制了學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力的發(fā)展，使得學(xué)生對知識的獲取與認(rèn)識只停留在課堂上的所學(xué)所練之中。通過課程創(chuàng)意設(shè)計(jì)的形式激發(fā)學(xué)生的參與熱情迫在眉睫，同時，通過宣傳與展示優(yōu)秀的自主設(shè)計(jì)作品，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生互相競爭學(xué)習(xí)的熱情與動力。

（3）豐富課程教學(xué)內(nèi)容方式。除了3D打印技術(shù)加工實(shí)訓(xùn)課程的正常基礎(chǔ)知識教學(xué)以外，更應(yīng)該培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力和自主發(fā)現(xiàn)問題解決問題的能力。當(dāng)學(xué)生在實(shí)踐過程中遇到困難時，可以讓學(xué)生以小組討論的形式進(jìn)行交流，讓學(xué)生在交流學(xué)習(xí)中收獲，可以更好地解決問題。

2.2 3D打印技術(shù)課程的教學(xué)安排內(nèi)容

3D 打印技術(shù)加工實(shí)訓(xùn)課程的教學(xué)安排內(nèi)容是學(xué)生了解以3D 打印為例的先進(jìn)制造技術(shù)的原理和制造方法，并熟練使用3D 打印技術(shù)，用以培養(yǎng)自己的工程創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。工程訓(xùn)練實(shí)訓(xùn)課程的受眾群體是全校本科生，則在課程內(nèi)容的安排上應(yīng)當(dāng)滿足循序漸進(jìn)和分專業(yè)模塊的設(shè)置。

在課程安排上設(shè)置了3 類課程，即認(rèn)知理解型課程、設(shè)計(jì)制造型課程、創(chuàng)新提高型課程，課程內(nèi)容循序漸進(jìn)。課程內(nèi)容與課程要求如表1所示。

表1 3D 打印技術(shù)加工實(shí)訓(xùn)課程安排與目標(biāo)

（1）認(rèn)知理解型課程。教學(xué)方式主要以講述、演示為主，教學(xué)過程多運(yùn)用課件、演示視頻等多媒體方式，并且結(jié)合3D打印課程實(shí)例。通過3D打印實(shí)物、課件、視頻相結(jié)合的教學(xué)手段，使3D打印教學(xué)過程課堂氣氛生動活潑，同時實(shí)現(xiàn)理論知識直觀、內(nèi)容形象，學(xué)生易于接受。

（2）設(shè)計(jì)制造型課程。設(shè)計(jì)制造型課程主要采用綜合型實(shí)踐教學(xué)，讓學(xué)生學(xué)習(xí)理論知識和培養(yǎng)動手能力。學(xué)生首先通過認(rèn)知理解型課程學(xué)習(xí)“3D 打印”相關(guān)理論知識；再通過設(shè)計(jì)制作過程，強(qiáng)調(diào)學(xué)生自主性，讓學(xué)生體驗(yàn)從產(chǎn)品創(chuàng)意設(shè)計(jì)、3D模型到打印制作的全過程，讓學(xué)生在這個過程中提高分析問題和解決問題的能力，如圖1、圖2所示。

圖1 學(xué)生于設(shè)計(jì)制造型課程中設(shè)計(jì)與制造五角星

圖2 學(xué)生于設(shè)計(jì)制造型課程中設(shè)計(jì)與制造“永遠(yuǎn)跟黨走”系列作品

（3）創(chuàng)新提高型課程。綜合提高課程主要采用基于項(xiàng)目驅(qū)動的教學(xué)方法，學(xué)生任務(wù)是綜合運(yùn)用SOLIDWORKS、Rhino 等建模軟件親手操作3D 打印機(jī)器。教師明確設(shè)計(jì)任務(wù)和要求后，學(xué)生應(yīng)充分發(fā)揮自主性，從建模和制作等都由學(xué)生自行完成，為學(xué)生能動性的發(fā)揮和創(chuàng)新留下足夠的空間。

3D 打印技術(shù)課程的開展使傳統(tǒng)工程訓(xùn)練中心的內(nèi)容更加完善，將先進(jìn)制造技術(shù)與傳統(tǒng)工程技術(shù)的結(jié)合，讓學(xué)生接觸新技術(shù)、開拓新思維，使學(xué)生的實(shí)踐精神與創(chuàng)新精神有機(jī)結(jié)合。

3 3D打印技術(shù)課程的應(yīng)用實(shí)踐

3.1 3D打印技術(shù)應(yīng)用于課外創(chuàng)新實(shí)踐活動

為了實(shí)現(xiàn)科技強(qiáng)國、建設(shè)創(chuàng)新型國家，需要我國教育工作者努力探索培養(yǎng)創(chuàng)新型人才。當(dāng)學(xué)生試圖將創(chuàng)意想法實(shí)踐時，常囿于現(xiàn)實(shí)而被迫終止：標(biāo)準(zhǔn)零部件需要在市場逐一選擇，過程繁雜；對于非標(biāo)準(zhǔn)零部件，學(xué)生自主加工精度不高，代工廠加工周期長且加工昂貴，難以實(shí)現(xiàn)學(xué)生的創(chuàng)想，消減了學(xué)生創(chuàng)新的主動性。以3D 打印為例的先進(jìn)制造技術(shù)可以很好地改變這一現(xiàn)狀。通過3D打印技術(shù)，有利于學(xué)生進(jìn)行科技發(fā)明或創(chuàng)新制作，3D打印技術(shù)能為學(xué)生創(chuàng)新制作提供一種更為高效、簡單的方式。

3.2 3D打印技術(shù)應(yīng)用于培養(yǎng)學(xué)生的綜合技能

3D打印設(shè)備是集機(jī)械、控制及計(jì)算機(jī)技術(shù)等為一體的系統(tǒng)，涉及范圍廣，具體包括了機(jī)械設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、光學(xué)技術(shù)、材料科學(xué)等多種新興技術(shù)，其促使學(xué)生加強(qiáng)多領(lǐng)域知識的學(xué)習(xí)融合，符合新工科對于當(dāng)今綜合性創(chuàng)新人才的需求。因此，對于大學(xué)生來說，3D 打印課程不僅是一種創(chuàng)新實(shí)踐課程，更應(yīng)該通過對3D打印技術(shù)的系統(tǒng)學(xué)習(xí)，深入了解學(xué)習(xí)所涉及的各種技術(shù)知識。

3.3 3D打印技術(shù)應(yīng)用于學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力展示載體

以3D 打印技術(shù)為例的先進(jìn)制造技術(shù)可以將學(xué)生的創(chuàng)新思維想法很好地展示，通過應(yīng)用3D 打印技術(shù)，達(dá)到技術(shù)是為人所服務(wù)、為人所用的目的。在實(shí)際操作中，很多情況只通過3D 打印技術(shù)不能夠?qū)崿F(xiàn)，需要學(xué)生結(jié)合各種技術(shù)知識，使3D打印技術(shù)更好地體現(xiàn)。

如圖3所示，學(xué)生將傳統(tǒng)3D打印技術(shù)作品增添后續(xù)處理，將其進(jìn)行上色。因3D 打印材料本身上色不易，因此，學(xué)生在創(chuàng)新實(shí)踐中同時，提升了上色技術(shù)。

圖3 3D 打印技術(shù)與上色技術(shù)相結(jié)合

如圖4所示，學(xué)生通過將3D打印技術(shù)與銑削技術(shù)相結(jié)合，解決了傳統(tǒng)3D 打印材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不高的問題，制作出3D打印花盆。

圖4 3D 打印技術(shù)與銑削技術(shù)相結(jié)合

4 結(jié)語

新工科背景下，對于新技術(shù)應(yīng)用于工程訓(xùn)練中心課程的教學(xué)探索與應(yīng)用實(shí)踐的討論詳述了3D 打印課程對于工程訓(xùn)練中心課程的教學(xué)改革的方案，此方案旨在增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐學(xué)習(xí)興趣和自主實(shí)踐的積極性，推動學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育與通識教育的融合發(fā)展，提升學(xué)生的實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力。將結(jié)合引入思政內(nèi)容，融入“大國工匠”等愛國情懷，提出一種新的通識教育思政教育模式。多學(xué)科交叉融合是思維創(chuàng)新的源泉，3D 打印設(shè)計(jì)制造將多學(xué)科知識融合，不僅提高了創(chuàng)新實(shí)踐能力，同時還可以實(shí)現(xiàn)團(tuán)隊(duì)合作能力、溝通表達(dá)能力等綜合素養(yǎng)的提升。3D 打印技術(shù)課程的探索與實(shí)踐為其他模式的發(fā)展建設(shè)提供了參考，具有借鑒作用。