基于學(xué)科競(jìng)賽的3D打印實(shí)踐教學(xué)模式的研究

安芬菊，張靜，吳敬權(quán)

（廣東海洋大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，廣東 湛江 524088）

1 前言

當(dāng)前國(guó)內(nèi)工科專業(yè)學(xué)生的創(chuàng)新能力較弱是高等工程教育中的一個(gè)痛點(diǎn)，是制約創(chuàng)新型工程科技人才培養(yǎng)的關(guān)鍵因素之一，如何提高大學(xué)生的創(chuàng)新能力并建立以學(xué)生為中心的工程實(shí)踐教育是需要持續(xù)建設(shè)與探索的重要問(wèn)題。其中大學(xué)生學(xué)科競(jìng)賽尤其是工科機(jī)械、機(jī)電類的學(xué)科競(jìng)賽，是培養(yǎng)大學(xué)生綜合創(chuàng)新能力的重要途徑，具有常規(guī)實(shí)踐教學(xué)沒(méi)法替代的特別教育模式，是提高大學(xué)生理論設(shè)計(jì)能力、創(chuàng)新實(shí)踐能力、團(tuán)隊(duì)合作能力等綜合能力的有效教學(xué)活動(dòng)。比如，全國(guó)大學(xué)生機(jī)械設(shè)計(jì)創(chuàng)新大賽、全國(guó)機(jī)器人創(chuàng)意設(shè)計(jì)大賽、中國(guó)大學(xué)生工程實(shí)踐與創(chuàng)新能力大賽（原全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽）、廣東省工科大學(xué)生實(shí)技能競(jìng)賽等學(xué)科競(jìng)賽中零件的制造是參賽學(xué)生都必須解決的難點(diǎn)問(wèn)題。參賽學(xué)生如果采用數(shù)控加工或其他傳統(tǒng)的減材制造的方法，由于受到機(jī)械加工工藝的限制，零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須符合加工工藝的要求，設(shè)計(jì)的零件數(shù)量多，零件加工需要不同的人員和機(jī)械設(shè)備進(jìn)行聯(lián)合生產(chǎn)，生產(chǎn)過(guò)程煩瑣，制造周期長(zhǎng)，對(duì)于參賽時(shí)間緊張的學(xué)生來(lái)說(shuō)是不小的技術(shù)挑戰(zhàn)。然而3D打印作為一種制造業(yè)領(lǐng)域迅速發(fā)展的新興技術(shù)，采用先離散再堆積的方式來(lái)逐層生成三維實(shí)體，不同于傳統(tǒng)的車、銑、刨、磨、鉗等去除材料的加工方式，是一種全新的材料逐層增加制造方式，具有自動(dòng)、快速、直接和比較精確的將CAD三維模型設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為實(shí)物產(chǎn)品的特點(diǎn)，適合在學(xué)科競(jìng)賽中制造各種連接零件，也非常方便實(shí)現(xiàn)零件制作的再設(shè)計(jì)與再制造，具有零件的制造成本低，生產(chǎn)周期短的優(yōu)點(diǎn)。采用3D打印技術(shù)加工零件，則可以將零件進(jìn)行整合的設(shè)計(jì)，減少零件的個(gè)數(shù)，簡(jiǎn)化加工流程，提高設(shè)計(jì)作品的制作周期。同時(shí)，便于設(shè)計(jì)作品的升級(jí)改進(jìn)。最重要的是相對(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)械加工，3D打印技術(shù)加工工藝易學(xué)易懂，3D打印設(shè)備操作簡(jiǎn)單，自動(dòng)化程度高，安全性好，這些特點(diǎn)都非常適合在校學(xué)生從事創(chuàng)新設(shè)計(jì)與制作活動(dòng)。

由于3D打印技術(shù)在大學(xué)生學(xué)科競(jìng)賽中對(duì)于外形的制作、結(jié)構(gòu)件的制作可以發(fā)揮重要的輔助作用，因此基于學(xué)科競(jìng)賽的3D打印實(shí)踐教學(xué)模式的研究顯得非常必要，下面從構(gòu)建“基礎(chǔ)+提高”相結(jié)合的3D打印實(shí)踐教學(xué)體系、建立“一大+一小”雙3D打印實(shí)踐硬平臺(tái)、 建立了完善、開放、有序、安全的軟平臺(tái)、創(chuàng)建良好的3D打印工程競(jìng)賽文化環(huán)境氛圍等多方面進(jìn)行了基于學(xué)科競(jìng)賽的3D打印實(shí)踐教學(xué)模式的探究，全面提升學(xué)科競(jìng)賽中學(xué)生的創(chuàng)新能力。下面對(duì)該教學(xué)實(shí)踐模式進(jìn)行具體闡述。

2 構(gòu)建“基礎(chǔ)+提高”遞進(jìn)式的3D打印實(shí)踐教學(xué)體系

“基礎(chǔ)+提高”相結(jié)合的3D打印實(shí)踐教學(xué)體系，具體包括“基礎(chǔ)認(rèn)知、基礎(chǔ)訓(xùn)練、提高拓展、創(chuàng)新實(shí)踐”4個(gè)階段。其中基礎(chǔ)認(rèn)知、基礎(chǔ)訓(xùn)練階段屬于“基礎(chǔ)”模塊，提高拓展、創(chuàng)新實(shí)踐階段屬于“提高”模塊。“基礎(chǔ)”模塊階段主要學(xué)習(xí)3D打印技術(shù)實(shí)踐課的通識(shí)性教學(xué)內(nèi)容，教學(xué)對(duì)象為全校的理工科學(xué)生。“提高”模塊學(xué)習(xí)3D打印零件的制作工藝，3D打印設(shè)備的維護(hù)，教學(xué)對(duì)象為學(xué)科競(jìng)賽及創(chuàng)新項(xiàng)目、創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)的大學(xué)生。教學(xué)方式上注重“課內(nèi)+課外+互聯(lián)網(wǎng)”三方聯(lián)動(dòng)，夯實(shí)基礎(chǔ)，突出創(chuàng)新。

3 建立“一大+一小”雙3D打印實(shí)踐硬平臺(tái)

這里的“一大”是指工程訓(xùn)練中心建立的3D打印實(shí)踐平臺(tái)，屬于大平臺(tái)，主要承擔(dān)全校的3D打印教學(xué)任務(wù)，建筑面積有400多m2，包括多媒體設(shè)計(jì)室與3D打印室，其中3D打印室-1全部放置桌面級(jí)3D打印機(jī)，3D打印室-2室用于放置工業(yè)級(jí)3D打印機(jī)。多媒體設(shè)計(jì)室配有48臺(tái)臺(tái)式電腦，滿足學(xué)生設(shè)計(jì)的要求，2間打印室擺放有不同種類和不同工藝的3D打印設(shè)備，具體包括工業(yè)級(jí)SLS激光選區(qū)燒結(jié)設(shè)備2臺(tái)（一臺(tái)用于燒結(jié)尼龍PA材料，另一臺(tái)用于燒結(jié)聚苯乙烯PS材料）；工業(yè)級(jí)FDM熔融沉積快速成形設(shè)備3臺(tái)；工業(yè)級(jí)立體激光固化3D打印機(jī)1臺(tái)；桌面級(jí)FDM 3D打印機(jī)20臺(tái)。以上設(shè)備硬件與場(chǎng)地為開展實(shí)踐教學(xué)提供了充分的保障。

這里的“一小”是指大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新基地，在大學(xué)生創(chuàng)新基地配備了5臺(tái)桌面型3D打印機(jī)，其中包括有4臺(tái)太爾時(shí)代UP plus 2型，1臺(tái)太爾時(shí)代UP 300型。太爾時(shí)代的3D打印機(jī)為全國(guó)大學(xué)生先進(jìn)成圖技術(shù)與產(chǎn)品信息建模創(chuàng)新大賽、廣東省工科大學(xué)生實(shí)技能競(jìng)賽官方指定的比賽設(shè)備，配備這樣的機(jī)型給參加學(xué)科競(jìng)賽的學(xué)生進(jìn)行日常的訓(xùn)練提供開放平臺(tái)，管理上采用學(xué)生自主管理和老師日常管理的方式，確保設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)率，為學(xué)生的創(chuàng)新訓(xùn)練提供安全可靠保障。

4 建立了完善、開放、有序、安全的軟平臺(tái)

4.1 創(chuàng)立了教師指導(dǎo)團(tuán)隊(duì)和學(xué)生創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)

根據(jù)不同的學(xué)科競(jìng)賽項(xiàng)目，建立了各自動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的學(xué)科競(jìng)賽團(tuán)隊(duì)，組建了具有相應(yīng)理論知識(shí)、工程技術(shù)水平、凝聚力強(qiáng)的教師指導(dǎo)團(tuán)隊(duì)，根據(jù)廣大海洋大學(xué)教職工考核評(píng)價(jià)的文件精神，老師指導(dǎo)學(xué)生獲得各級(jí)各類的比賽，就有相應(yīng)的業(yè)績(jī)積分和績(jī)效獎(jiǎng)勵(lì)，所以老師的指導(dǎo)學(xué)生學(xué)科競(jìng)賽的積極性非常高，同時(shí)，根據(jù)廣東海洋大學(xué)創(chuàng)新學(xué)分和考研保研的相關(guān)規(guī)定，獲得學(xué)科比賽的學(xué)生有相應(yīng)的創(chuàng)新分，因此，學(xué)生的參與度及參與熱情很高，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)或?qū)W科競(jìng)賽團(tuán)隊(duì)成員，一般都要通過(guò)校內(nèi)選拔，方可進(jìn)入創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)或是競(jìng)賽團(tuán)隊(duì)，進(jìn)入團(tuán)隊(duì)的學(xué)生是包括各個(gè)年級(jí)的優(yōu)秀學(xué)生，形成了多支梯隊(duì)合理的創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，特別有助于團(tuán)隊(duì)的持續(xù)發(fā)展。

4.2 建立健全開放共享與實(shí)驗(yàn)室安全保障機(jī)制

為了提高3D打印實(shí)踐平臺(tái)的使用效率，高效服務(wù)于學(xué)生，“一大+一小”雙3D打印實(shí)踐平臺(tái)均采用開放共享的管理方式，最大化地發(fā)揮作用。第一，拓寬了雙3D打印實(shí)踐平臺(tái)的使用范圍，面向?qū)W科競(jìng)賽的師生開放，對(duì)學(xué)生通過(guò)學(xué)科競(jìng)賽項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的形式實(shí)施管理，設(shè)備的使用與耗材的管理由學(xué)生與實(shí)驗(yàn)教師共同管理，建立了完善的審批與登記制度。第二，在3D打印實(shí)踐平臺(tái)開放的過(guò)程中，優(yōu)化的運(yùn)行環(huán)境，保證實(shí)驗(yàn)設(shè)備的低故障率是關(guān)鍵，審批通過(guò)后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室的同學(xué)，一律進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室安全培訓(xùn)，為了保證設(shè)備的低故障率，對(duì)每一批次的學(xué)生進(jìn)行設(shè)備的安全操作培訓(xùn)同時(shí)提醒學(xué)生，如果設(shè)備有故障發(fā)生的情況下，不要在自己不懂的情況下，進(jìn)行自行修理，需要第一時(shí)間告知指導(dǎo)老師或?qū)嶒?yàn)管理老師，進(jìn)行維修或報(bào)修。第三，實(shí)驗(yàn)室開放，安全保護(hù)是關(guān)鍵，建立了從實(shí)驗(yàn)室主任、實(shí)驗(yàn)員、學(xué)生三級(jí)安全管理制度，明確了各自的安全職責(zé)，并且每學(xué)期進(jìn)行一次實(shí)驗(yàn)室的防火、實(shí)驗(yàn)室急救等方面的安全演練，不斷強(qiáng)化指導(dǎo)老師、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師和參加創(chuàng)新活動(dòng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)室安全和防范意識(shí)，消除實(shí)驗(yàn)室的安全隱患。

4.3 建立穩(wěn)定的經(jīng)費(fèi)支持制度

學(xué)校創(chuàng)建了創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院，設(shè)立了規(guī)范化的學(xué)科競(jìng)賽專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)，同時(shí)鼓勵(lì)通過(guò)向企業(yè)、地方政府等多方拉取贊助經(jīng)費(fèi)，根據(jù)各類學(xué)科競(jìng)賽的要求，每年定期舉辦校內(nèi)學(xué)課競(jìng)賽選拔賽，提高學(xué)生的參與度，搭建起持續(xù)發(fā)展的競(jìng)賽氛圍。通過(guò)學(xué)院支持、學(xué)校支持、校外贊助等多層次籌取經(jīng)費(fèi)的方式，能夠保證學(xué)科競(jìng)賽的持續(xù)性建設(shè)。學(xué)科競(jìng)賽所需的材料費(fèi)、差旅費(fèi)等都能夠得到充分地保障。

5 創(chuàng)建良好的3D打印工程競(jìng)賽文化環(huán)境氛圍

隨著3D打印技術(shù)的快速發(fā)展，3D打印已成為不少學(xué)科競(jìng)賽的一個(gè)重要組成部分。如教育部主辦的全國(guó)大學(xué)生工程實(shí)踐與創(chuàng)新能力大賽（原全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽）、全國(guó)大學(xué)生先進(jìn)成圖技術(shù)與產(chǎn)品信息建模中都設(shè)有3D打印競(jìng)賽內(nèi)容，采用學(xué)生創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)的引領(lǐng)作用營(yíng)造競(jìng)賽氛圍，開展多層次的宣傳，激發(fā)學(xué)生參與競(jìng)賽的欲望，定期舉辦學(xué)科競(jìng)賽宣講活動(dòng)，帶領(lǐng)低年級(jí)學(xué)生參觀競(jìng)賽獲獎(jiǎng)作品，進(jìn)行獲獎(jiǎng)比例與獲獎(jiǎng)級(jí)別的情況分析，感受良好的3D打印工程競(jìng)賽文化環(huán)境氛圍，激發(fā)學(xué)生參與的激情。同時(shí)通過(guò)獲獎(jiǎng)的師兄師姐的傳幫帶，在拓展師弟師妹的創(chuàng)新思路的同時(shí)協(xié)助解決技術(shù)創(chuàng)新訓(xùn)練中遇到的技術(shù)難題，一屆接著一屆形成良好的3D打印工程競(jìng)賽文化環(huán)境氛圍。

6 教學(xué)效果

6.1 提升學(xué)生在學(xué)科競(jìng)賽中零件設(shè)計(jì)的自由度

3D打印技術(shù)引入學(xué)科競(jìng)賽，有效地打破了傳統(tǒng)零件結(jié)構(gòu)的限制，給予學(xué)生更多進(jìn)行零件結(jié)構(gòu)和功能創(chuàng)新設(shè)計(jì)的機(jī)會(huì)，尤其是通過(guò)3D打印與輕量化結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)相結(jié)合，設(shè)計(jì)打印出重量輕、力學(xué)性能強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)性能良好的零件。零件的設(shè)計(jì)與修改更加簡(jiǎn)單快捷，易于實(shí)現(xiàn)，在不斷的設(shè)計(jì)與打印，再設(shè)計(jì)與再打印的過(guò)程中，促進(jìn)與培養(yǎng)了學(xué)生的綜合能力，不斷地提高了學(xué)科競(jìng)賽的成績(jī)。

6.2 助力學(xué)科競(jìng)賽成績(jī)的提高

在目前機(jī)械類工科學(xué)生參與度高的全國(guó)大學(xué)生機(jī)械設(shè)計(jì)創(chuàng)新大賽、全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽、全國(guó)機(jī)器人創(chuàng)意設(shè)計(jì)大賽、廣東省工科大學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能競(jìng)賽、全國(guó)大學(xué)生先進(jìn)成圖技術(shù)與產(chǎn)品信息建模等學(xué)科競(jìng)賽中，都有3D打印技術(shù)的具體應(yīng)用，其中全國(guó)大學(xué)生先進(jìn)成圖技術(shù)與產(chǎn)品信息建模大賽、廣東省工科大學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能競(jìng)賽中直接設(shè)有3D設(shè)計(jì)與制作的競(jìng)賽項(xiàng)目，其他沒(méi)有設(shè)置3D設(shè)計(jì)與制作的競(jìng)賽項(xiàng)目的上述學(xué)科競(jìng)賽項(xiàng)目中，其中的零件設(shè)計(jì)與制作環(huán)節(jié)中有不少結(jié)構(gòu)零件可以通過(guò)3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)快速的設(shè)計(jì)與制造，助力學(xué)科競(jìng)賽成績(jī)的提高。如在2020年廣東省工科大學(xué)生實(shí)驗(yàn)綜合技能競(jìng)賽中組建了9支代表隊(duì)參加比賽，9支代表隊(duì)最終有7支隊(duì)獲獎(jiǎng)，其中獲得省級(jí)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)，省級(jí)二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，省級(jí)三等獎(jiǎng)5項(xiàng)。

如在2021年第二屆粵港澳大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽暨第七屆全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽廣東省分賽中，組建了6支隊(duì)伍代表參賽，6支代表隊(duì)最終有4支隊(duì)獲獎(jiǎng)，其中獲得省級(jí)一等獎(jiǎng)2項(xiàng)、省級(jí)二等獎(jiǎng)1項(xiàng)和省級(jí)三等獎(jiǎng)1項(xiàng)，逐年刷新該項(xiàng)賽事的最好成績(jī)；如在全國(guó)大學(xué)生先進(jìn)成圖技術(shù)與產(chǎn)品信息建模大賽國(guó)賽中在3D打印團(tuán)體項(xiàng)目中，近3年都取得不錯(cuò)的成績(jī)，其中獲得國(guó)家級(jí)一等獎(jiǎng)2項(xiàng)，二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、三等獎(jiǎng)1項(xiàng)。這些學(xué)科競(jìng)賽成績(jī)的取得與我校3D打印實(shí)踐教學(xué)的創(chuàng)新與實(shí)踐有重要的相關(guān)性。

7 教學(xué)展望

通過(guò)近幾年指導(dǎo)學(xué)生參加學(xué)科競(jìng)賽的經(jīng)歷來(lái)看，不僅學(xué)科競(jìng)賽的學(xué)生對(duì)3D打印技術(shù)的需求越來(lái)越大，同時(shí)機(jī)械類畢業(yè)設(shè)計(jì)的學(xué)生以及工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)的學(xué)生對(duì)于3D打印的開放也有較大的需求，希望有一個(gè)開放共享的實(shí)踐平臺(tái)，后續(xù)將在基于學(xué)科競(jìng)賽的3D打印實(shí)踐教學(xué)模式研究的基礎(chǔ)上，探索面向全校開放的3D打印實(shí)踐教學(xué)模式，更好助力創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。