基于創新能力培養的3D打印實驗室開放模式研究與探索

鄭紅偉，張艷蕊，馬玉瓊，李世杰，戴士杰

（1.河北工業大學 工程訓練中心，天津 300401；2.河北工業大學 機械工程學院，天津 300130）

作為高校實驗教學改革的重大舉措之一，實驗室開放［1－2］是提高教師教學、科研水平及培養大學生自主創新能力的有效平臺［3］。教育部下發的《普通高等學校本科教學工作水平評估方案（試行）》中，在實踐教學評估指標體系中明確規定實驗室要開放，且要求開放時間長、范圍及覆蓋面廣、效果好。《教育部關于開展高等學校實驗教學示范中心建設和評審工作的通知》、《教育部財政部關于實施高等學校本科教學質量與教學改革工程的意見》等文件中也明確要求實驗室開放運行管理［4］。

近年來，3D打印技術引發了人們越來越多的關注［5］。2014年北京國慶花展“歌唱祖國”與“公平誠信”兩個立體花壇的制作［6］、上海張江高新青浦園區內的辦公用房［7］、北京大學第三醫院成功完成的世界首例3D打印椎骨植入手術［8］都用到了3D打印技術。借助3D打印技術能夠使復雜的產品結構快速得到實物模型，使產品結構、設計、制造的一體化趨勢更為明顯［9］。目前，一些高校在工程訓練中增加了關于3D打印的實訓內容［10］，使3D打印技術實驗教學成為培養學生實踐能力和創新能力的重要環節［11－12］。鑒于此，河北工業大學工程訓練中心（國家級實驗教學示范中心）建立了3D打印實驗室，并實現了實驗室在時間、空間、服務對象、實驗內容上的開放［13］，改變了以往實踐教學環節中存在的時間固定、空間固定、對象固定、內容固定的狀況［14］。

筆者對3D打印實驗室的開放內容、教學方法、運行模式等進行了重點的研究，構建了適用于3D打印實驗室的開放教學體系。

1 3D打印實驗室開放體系

依托中心已有的設備資源，3D打印實驗室目前可完成三維掃描、逆向建模、三維造型設計以及3D打印等多類實驗。為使有興趣參加開放實驗的學生不受專業、年級、時間的限制，實驗室面向全校學生實行周一至周日全天候開放，做到了開放范圍及覆蓋面廣、時間靈活。基于時間、空間、對象、內容等多個維度，3D打印實驗室建立了如圖1所示的開放體系，重點是開放實驗內容、實驗教學方法（含成績評定）和網絡化預約的運行模式。

圖1 3D打印實驗室開放體系架構

2 3D打印實驗室開放內容

3D打印實驗室設置了層次化的開放實驗項目，涵蓋基礎層、提高層以及綜合創新層，力求通過完整的開放實驗訓練，培養學生的自主創新意識和能力，提高學生分析問題和解決問題的能力，鍛煉學生的實踐動手能力以及團隊合作能力。此外，為使參加開放實驗的學生切實掌握3D打印的知識和技能，激發學生的創新意識，中心還搭建了3D打印競賽平臺，鼓勵和支持在開放實驗中表現優異的學生參加校級、省級和國家級的各類3D打印競賽。

目前開放實驗的內容主要涉及3D打印基本知識、3D打印機的操作及維護、模型的三維設計與打印、逆向建模與3D打印的結合等。具體的開放內容與目標如圖2所示。

圖2 3D打印實驗室開放內容與目標

3 教學方法——任務教學法

3.1 任務教學法

任務教學法（task－based approach）是一種建立在“建構主義”（constructivism）理論基礎上的教學法［15］，其原則是：學生的學習活動與任務相結合，以探索問題來引導和維持學生的學習興趣，通過創建真實的教學環境，讓學生帶著任務去學習，提高學生學習的主動性。教師對學習過程進行引導和激勵，使學生真正掌握所學內容。學生一直處于主體地位，是學習活動的中心；教師處于主導地位，是學習活動的引導者。在任務教學法中，任務、教師、學生的角色關系如圖3所示。

圖3 任務、教師、學生角色關系圖

基于任務教學法和Jane Willis提出的理論框架，3D打印開放實驗各個教學活動可分為前任務階段、任務環階段、后任務階段3個環節，各個階段中教師和學生的活動如表1所示。

表1 3D打印開放實驗教學各階段教師、學生的活動

本文以2個綜合創新層的實驗項目為例，簡述任務教學法的應用。

3.2 實驗項目例1——自設計三維模型并打印

前任務階段：教師確定設計、打印一套創意家居的任務，并對任務的具體要求進行介紹，如設計的作品個數不少于3件，作品要有實用性、美觀性及可操作性等。學生通過查閱資料尋求完成任務的途徑和方法。

任務環階段：教師根據學生的創意和思路，引導學生選用P/roe、Solid Works等三維造型軟件進行設計。學生選定造型軟件，通過充分的思考和學習，將自己的創意轉變成三維數字模型，經教師審核后完成模型打印。

后任務階段：學生撰寫實驗報告和參加開放實驗的心得。教師分析學生的實驗過程，進行總體效果的評價，對創意優秀的團隊/個人給予加分鼓勵。

3.3 實驗項目例2——結合逆向建模的3D打印

前任務階段：教師確定打印與實驗室現有玩具娃娃相同的3D實體模型的任務，并對任務的具體要求進行介紹，如實體模型的比例、色彩、個性化等。學生通過網絡、圖書館等各種途徑尋求解決辦法。

任務環階段：教師根據學生提出的解決辦法，引導并提示學生采用實驗室現有設備完成任務，學生以小組合作的形式通過學習、探索，執行并完成任務。根據作品的個性化要求，加入自己的小創意，如為作品添加自己小組的隊標、簽名等，培養創新意識和能力。

后任務階段：學生撰寫實驗報告和參加開放實驗的心得。教師分析學生的實驗過程，進行總體效果的評價，對創意優秀的團隊給予加分鼓勵。

在3D打印實驗室開放過程中應用任務教學法，改變了以教師為中心的工程訓練教學模式，使學生成為教學活動的主體，獲得了充足的自主學習及自由空間，有利于培養學生的創新意識和創新能力。

3.4 實驗成績評定

為保證實驗的效果，在參加開放實驗前，學生需根據網站上公布的實驗資料進行預習；實驗完成后，要按時、按要求提交實驗報告。教師根據學生課前的預習情況、實驗過程中的表現以及實驗報告的完成情況，對學生的學習效果進行評價。完成全部實驗且成績合格的學生可獲得1個創新學分，并可申請獲得實訓合格證書。實驗成績的評定不局限于實驗報告的書寫，而是突出實驗過程，避免了因實驗報告類似而形成的實驗成績的不合理問題。創新附加分項的設置，能夠更好地激發學生的創新意識，有利于促進學生創新能力的培養。各次實驗成績評定的計算公式如下：

4 開放運行模式

為提高工作效率，3D打印實驗室的開放運行以中心工程訓練開放教學管理系統為平臺，采用學生預約、教師審核的網上預約方式。學生網上預約實驗的基本流程如圖4所示。

圖4 學生預約實驗流程圖

學生預約的實驗經指導教師審核通過后，以4～6人/組參加實驗。如未通過審核，則需參考未通過原因重新預約。為督促選課成功的學生積極參加實驗，避免人員集中，便于實驗室管理，無故不按時實驗3次者，即取消其參加開放實驗的資格。

自2013年10月至今，已有200余名學生參加3D打印開放實驗并成績合格。其中有40余名學生報名參加了2014年第四屆河北工業大學實踐與創新能力大賽——“3D打印：創意變成現實”，并取得優異成績。學生參加開放實驗及競賽的部分成果如圖5所示。

圖5 開放實驗及競賽成果

5 結束語

在高校開放實驗教學中引入3D打印實驗，豐富了學生工程實訓的內容。通過基于特定任務的層次化實驗項目，培養了學生的創新意識和創新能力，鍛煉了學生的實踐動手能力，運行效果良好。

（

）

［1］宋大雷，彭利軍，王明泉，等.教學開放實驗室建設的探索與實踐［J］.實驗室研究與探索，2011，30（3）：338－341.

［2］廖慶敏，秦鋼年.建立開放實驗室 提高學生的實踐能力和創新能力［J］.實驗室研究與探索，2010，29（4）：162－165.

［3］黃傳連.淺談高等學校開放實驗室管理［J］.科技視界，2013（31）：139.

［4］陳立君，楊麗艷.高校實驗室開放保障和激勵機制的研究與探索［J］.實驗室科學，2008，11（10）：135－136.

［5］王忠宏，李揚帆，張曼茵.中國3D打印產業的現狀及發展思路［J］.經濟縱橫，2013（1）：90－93.

［6］魏夢佳.國慶天安門花展首用3D打印技術“大花籃”可抗10級大風［EB/OL］.（2014－9－21）［2015－03－09］.http：//news.xinhuanet.com/politics/2014－09/21/c＿1112563201.htm.

［7］裴鑫.10幢3D打印建筑在上海青浦交付使用［EB/OL］.（2014－8－21）［2015－03－09］.http：//news.xinhuanet.com/shuhua/2014－08/21/c＿126898193.htm.

［8］兀旦暉，趙晨飛.3D打印技術在教學中的應用研究［J］.課程教育研究，2013（21）：185－186.

［9］孫春華，陳雪芳，杜建紅.“逆向工程與快速成型技術應用”課程教學探討［J］.蘇州市職業大學學報，2011（2）：56－58.

［10］成思源，周小東，楊雪榮，等.基于數字化逆向建模的3D打印實驗教學［J］.實驗技術與管理，2015，32（1）：30－33.

［11］田運生，劉維華，王景春.綜合性設計性實驗項目建設的探索與實踐［J］.實驗技術與管理，2012，29（2）：126－129.

［12］焦緯洲，劉有智，袁志國，等.基于工程實踐能力培養的化工原理實驗教學模式的研究與探索［J］.實驗技術與管理，2014，31（3）：166－168.

［13］王要利，肖宏濱，張柯柯，等.開放焊接實驗室探索與實踐［J］.實驗室研究與探索，2009，28（2）：157－158.

［14］張楠，李飛.3D打印技術的發展與應用對未來產品設計的影響［J］.機械設計，2013，30（7）：97－99.

［15］董科，殷玉楓.任務教學法在機械設計課程雙語教學中的建構與實踐［J］.理工高教研究，2010，29（1）：128－130.