3D 打印技術(shù)融入包裝材料學(xué)教學(xué)的改革探索

梁芬芬，王亞麗，尹琳娜

（山西工程技術(shù)學(xué)院，山西 陽泉 045000）

包裝材料學(xué)是我國高等院校包裝工程本科專業(yè)的核心課程，也是學(xué)習(xí)其他專業(yè)課程（如包裝工藝學(xué)、包裝機械學(xué)、包裝結(jié)構(gòu)設(shè)計等）的基礎(chǔ)，主要講授紙、塑料、玻璃、金屬等包裝材料和復(fù)合包裝材料及包裝輔料的種類、性能、特點及應(yīng)用。這門課程涵括各種包裝材料的化學(xué)組成、物理性能及成型加工工藝、質(zhì)量測試和評價方法，涉及的知識點多、內(nèi)容繁雜，是一門多種學(xué)科交叉的綜合學(xué)科。但由于包裝材料學(xué)的理論性不強，以往的教學(xué)內(nèi)容和方法無法和現(xiàn)代包裝材料學(xué)知識、前沿的材料技術(shù)發(fā)展有機結(jié)合起來。而且由于課時量（理論課時40 學(xué)時）有限，無法兼顧到不同需求和興趣學(xué)生的需要，多數(shù)教學(xué)還是只注重傳統(tǒng)的填鴨式模式，往往忽略培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識。因此，包裝材料學(xué)課程的教學(xué)改革勢在必行[1,2]。

3D 打印是一種快速成型的新技術(shù)，它基于數(shù)字模型，可以使用紙、塑料、陶瓷、金屬等多種材料，逐層打印構(gòu)造實物。其快捷性和便利性極易帶領(lǐng)學(xué)生主動參與教學(xué)，尤其好奇心的驅(qū)使，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，明確和引導(dǎo)他們主動參與學(xué)習(xí)活動的動機。3D 打印技術(shù)作為機械、材料、計算機科學(xué)等多學(xué)科交叉融合的技術(shù)，能將新工科的創(chuàng)新能力培養(yǎng)及OBE 教學(xué)模式引用進行無縫集成，是新工科背景下高校智能制造相關(guān)專業(yè)的教學(xué)熱點。將3D 打印技術(shù)融合在工科課程教學(xué)中已經(jīng)有一些研究和實踐，如在機械原理教學(xué)[3,4]、塑料制品設(shè)計課程[5]、力學(xué)課程[6]和航空儀表設(shè)備課程教學(xué)[7]等。目前，尚未發(fā)現(xiàn)3D 打印在包裝材料學(xué)課程教學(xué)上的應(yīng)用探索，因此本文有一定的創(chuàng)新性。

1 建立課程體系

包裝材料學(xué)的課程一般開設(shè)在大學(xué)第四學(xué)期或者第五學(xué)期，先修課程為無機及分析化學(xué)、有機化學(xué)、高分子科學(xué)基礎(chǔ)、高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、工程力學(xué)、機械設(shè)計基礎(chǔ)等理工科基礎(chǔ)課程。學(xué)生已經(jīng)具備一定的空間想象能力、CAD 設(shè)計和CAM 加工等方面的基礎(chǔ)能力。因此，教學(xué)中，融入3D 打印技術(shù)的原理背景、設(shè)備工藝和實際應(yīng)用，能在很大程度上調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，起到了良好的教學(xué)效果（圖1）。

圖1 融合課程體系示意圖Fig.1 Schematic diagram of integrated curriculum system

1.1 增強學(xué)生學(xué)習(xí)信心，激發(fā)學(xué)習(xí)積極性

包裝材料學(xué)課程的章節(jié)較多，課程中材料的很多性質(zhì)都與加工工藝有關(guān)，這些工藝流程以及工藝條件在課本上的概念很抽象，難以理解。教師在授課的時候可以結(jié)合現(xiàn)階段3D 打印技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，制定課前知識預(yù)習(xí)任務(wù)，讓學(xué)生在課前對該技術(shù)有初步的了解與認知。隨著課程的深入，學(xué)生的自主思考與創(chuàng)新能力得到促進和開發(fā)，在跟進理論教學(xué)的同時，能及時進行對應(yīng)的知識掌握和消化。在指導(dǎo)教師的指引下進行知識的融合，開展項目式的學(xué)習(xí)和設(shè)計，學(xué)生不會覺得理論知識的枯燥無味，相反有興趣地主動開展學(xué)習(xí)。

3D 打印技術(shù)最大特點是能夠讓學(xué)生很好地進行體驗式學(xué)習(xí)，將創(chuàng)意設(shè)計和實物驗證有機地結(jié)合。學(xué)生借助3D 打印機將創(chuàng)新設(shè)計的圖形或想法通過真實的實物呈現(xiàn)，可以直觀觀察到設(shè)計作品的效果，進而獲得強烈、真實的認知體驗，有利于進入深度學(xué)習(xí)狀態(tài)。這種方式既能增加學(xué)生的參與度，促進學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，又能拓寬學(xué)生的設(shè)計思路，拓展空間思維，激發(fā)學(xué)生的個性化創(chuàng)意[8]。

1.2 創(chuàng)新教師教學(xué)理念，提高教學(xué)效果

以天津科技大學(xué)王建清的包裝材料學(xué)為例，該課程由9 個章節(jié)的內(nèi)容組成，各章節(jié)內(nèi)容相互獨立，知識點較為分散。傳統(tǒng)的教學(xué)方式，教師照本宣科，學(xué)生沒有學(xué)習(xí)興趣，對課程內(nèi)容非常容易遺忘。3D 打印技術(shù)的融合，打破章節(jié)壁壘，可以實現(xiàn)章節(jié)融合。除此之外，還能解決理論教學(xué)和實踐教學(xué)脫離的問題。很多高校的實驗或?qū)嵱?xùn)課程都是在理論課程學(xué)習(xí)完成之后進行，導(dǎo)致實訓(xùn)課在時間上滯后太久，學(xué)生理論知識遺忘較多；而且實訓(xùn)課堂時間有限，學(xué)生很難將理論知識與實踐操作快速結(jié)合。如果將3D 打印加入在實訓(xùn)課程中，改變傳統(tǒng)的實訓(xùn)課程安排，分時分段完成實訓(xùn)課程的設(shè)置，將使實訓(xùn)教學(xué)與理論教學(xué)聯(lián)系得更緊密。

在課堂教學(xué)過程中，教師利用3D 打印機打印出的與課程教學(xué)匹配的教學(xué)用具展現(xiàn)給學(xué)生，可以擴展學(xué)生的直接感官和知覺體驗，使隱性知識和認知結(jié)構(gòu)顯現(xiàn)化，教學(xué)資料更為具體化、形象化，視覺的認知更為簡單化。這不僅解決了教學(xué)設(shè)備與器材短缺的問題，還能彌補傳統(tǒng)課堂教學(xué)中教師經(jīng)驗不足的劣勢。

材料科學(xué)的發(fā)展日新月異，結(jié)合案例教學(xué)，將本課程所涉及相關(guān)理論的最新發(fā)展動態(tài)和科研前沿熱點進行拓展，能有效提高學(xué)生學(xué)習(xí)包裝材料學(xué)相關(guān)知識的興趣，達到更好的教學(xué)效果。表1 匯總了學(xué)生挖掘的各類材料相關(guān)領(lǐng)域中3D 打印技術(shù)的最新報道，以及3D 打印技術(shù)在包裝材料上的應(yīng)用?？梢钥吹剑m然3D 打印技術(shù)在材料學(xué)科多個研究領(lǐng)域取得明顯進展，但是在包裝材料上的應(yīng)用還剛剛起步，發(fā)展?jié)摿Ψ浅４蟆?/p>

1.3 促使課程考核方式、教學(xué)質(zhì)量評價標準改變

包裝材料學(xué)的理論知識雖然有些復(fù)雜，但是有很強的實用性，對包裝的設(shè)計具有非常強的啟發(fā)性。因此，可以利用3D 打印技術(shù)的結(jié)合針對不同章節(jié)內(nèi)容挖掘出對應(yīng)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目。將課程設(shè)計任務(wù)培育成大創(chuàng)訓(xùn)練，學(xué)生能主動地去思考，以主人翁的心態(tài)去探索，保持持久的興趣和好奇心。通過各類項目鼓勵學(xué)生將課程知識進行課外拓展，不僅鍛煉了學(xué)生的科研和實踐操作能力，又培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力和科學(xué)素養(yǎng)。不僅是創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)比賽，其他類型的一些比賽也可以考慮通過3D 打印技術(shù)制作出包裝類的比賽作品參加比賽。在對學(xué)生的綜合能力進行評價時，適當將3D 打印設(shè)計與制造的能力加入到考核中，合理地設(shè)置其比例，建立新的綜合評定方式。相比于傳統(tǒng)考核方式，新的考核方式注重學(xué)習(xí)的過程，能夠較為全面地考查學(xué)生的知識掌握情況和解決問題的綜合能力，更符合新工科人才培養(yǎng)目標和要求。

推進學(xué)科深度交叉融合是培養(yǎng)符合國家經(jīng)濟社會發(fā)展需求的復(fù)合型高層次人才的重要途徑。3D 打印目前沒有一個完整的學(xué)科體系，它是非常典型的交叉學(xué)科體系，是機械、材料、計算機科學(xué)、藝術(shù)設(shè)計等多學(xué)科交叉融合。學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域?qū)處煹囊蟾?、更多，因此教師也需要不斷學(xué)習(xí)吸納新的知識，培養(yǎng)跨學(xué)科能力。通過對包裝材料學(xué)課程與3D 打印技術(shù)融合的教改項目，將學(xué)科交叉融合建設(shè)監(jiān)測與成效評價、學(xué)科評估等高校的教學(xué)績效考核結(jié)合，探索出新的評價考核體系，有利于推動學(xué)科交叉融合更好的發(fā)展。

2 課程實例

2.1 三維模型設(shè)計

以一個圓形包裝盒為例，圖2 是某小組利用三維軟件(SOLIDWORKS)設(shè)計出的包裝盒的三維造型圖。該包裝裝置由盒身和盒蓋組成，學(xué)生在自主學(xué)習(xí)三維造型的過程中，熟悉了工程制圖的基本知識和三維軟件常用的命令。

圖2 包裝盒三維造型圖：a)整體；b)盒蓋；c)盒身Fig.2 Three-dimension Shapes of packing box: a)the overall of the box; b)the lid of the box; c)the body of the box

2.2 軟件數(shù)據(jù)處理

將SOLIDWORKS 軟件造型好的產(chǎn)品模型，保存成stp 格式，然后利用3D 打印的切片軟件進行數(shù)據(jù)處理（圖3）。

圖3 3D 打印切片軟件處理圖Fig.3 The slicing software processing diagram of 3D printing

2.3 產(chǎn)品3D 輸出

將處理后的數(shù)據(jù)導(dǎo)入3D 打印設(shè)備，借助設(shè)備進行模型的輸出打印工作（圖4）。

圖4 3D 打印成型件實物圖Fig.4 The physical map of 3D printing molding

具體步驟如下：將設(shè)備進行初始化→將樹脂(ABS)料絲或者塑料（尼龍）料絲擠出→打印預(yù)覽，進行相關(guān)參數(shù)設(shè)置→打印。

3 教學(xué)建議

本實驗可以面向多個學(xué)科專業(yè)的學(xué)生，例如包裝工程專業(yè)、材料科學(xué)專業(yè)和機械設(shè)計專業(yè)等。課程可以在大學(xué)二年級或者三年級開展，這時學(xué)生已經(jīng)具備基本的工程制圖能力，對科研興趣也在逐步加深。該項目設(shè)置的時長可以為8 ～10 個學(xué)時，項目分組可以設(shè)置為3 ～4 人一組。首先，布置資料收集和文獻檢索任務(wù)，讓學(xué)生選擇某一章節(jié)對應(yīng)的包裝材料的研究和3D 打印技術(shù)進展進行信息檢索和文獻綜述。再進行包裝材料設(shè)計項目討論，主要是由各小組提出設(shè)計思路和構(gòu)圖。教師在指導(dǎo)軟件操作、數(shù)據(jù)處理和實物打印后，對每組實驗活動進行點評。學(xué)生通過打印出的實物，在小組范圍內(nèi)再進行創(chuàng)新設(shè)計的修正和操作流程的完善，最終以個性化的成品實物進行項目總結(jié)。完成的成品可以作為各類創(chuàng)新創(chuàng)造的比賽作品。

4 結(jié)語

包裝材料學(xué)是一門概念抽象、理論性較強的課程，傳統(tǒng)的授課模式不能很好地調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性，也無法滿足新工科工程教育體系中卓越工程師培養(yǎng)的要求。本文利用3D 打印技術(shù)與包裝材料學(xué)的交叉融合，通過項目式小組，讓理論學(xué)習(xí)與實踐操作有機結(jié)合，不但能提高非材料學(xué)專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，讓學(xué)生接觸材料領(lǐng)域最新的前沿技術(shù)，還能將學(xué)生的設(shè)計及時展現(xiàn)，有效地培養(yǎng)和提高了學(xué)生的創(chuàng)新思維。這種新工科背景下的包裝材料學(xué)課程教改工作，不僅推動了學(xué)科交叉融合，也極大提升了專業(yè)教師的教學(xué)能力，為培養(yǎng)高素質(zhì)復(fù)合型新工科人才提供保障。