工程訓練3D打印實訓教學的探索與實踐

楊 洋　李金良　耿冬妮　周 亮

1.吉林大學工程訓練中心　吉林長春　130025 2.吉林大學材料科學與工程學院　吉林長春　130025

工程訓練3D打印實訓教學的探索與實踐

楊 洋1李金良2耿冬妮1周 亮1

1.吉林大學工程訓練中心吉林長春130025 2.吉林大學材料科學與工程學院吉林長春130025

在工業4.0時代及“互聯網+”的新形勢下，3D打印已成為時代發展的焦點。高等院校工程訓練的實踐課程體系在不斷地改革和創新，已從傳統的制造技術逐步拓展為現代先進制造技術，注重多學科知識交叉運用，注重創新思維和工程實踐能力的培養。為適應新形勢的發展，吉林大學工程訓練中心開設了3D打印訓練模塊，為培養應用創新型工程技術人才提供了強有力的保證。

工程訓練；實訓教學；3D打印；創新

3D打印是一種新興的現代先進制造技術，可以在不準備工裝夾具、刀具和模具的情況下，通過CAD三維模型直接快速地制造模型、模具或樣件，它與傳統制造技術的“去除材料法”不同，3D打印是將材料逐層堆積制造模型［1］。3D打印使設計和制造更靈活，實現了既快、又好、又省的敏捷制造［2］。

高校工程訓練的實踐課程體系在不斷地改革和創新［3］，已從車削加工、銑削加工、鉗工等傳統的制造技術逐步拓展為數控車削加工、數控銑削加工、激光加工、機器人等現代 先進制造技術，加強了新技術、新材料、新工藝的實踐教學內容，注重多學科知識交叉綜合運用，注重工程實踐能力和創新意識的培養［3，4］。為適應新形勢的發展，吉林大學工程訓練中心開設了3D打印訓練模塊［4］。

1　教學目標

了解3D打印的發展、應用及工藝過程，了解選擇性沉積成型、液態光敏樹脂選擇固化成型、選擇性激光燒結成型等方法的成型原理、工藝特點；進行選擇性沉積成型零件原型的操作訓練；觀摩其他3D打印工藝方法的操作過程。通過3D打印的基礎訓練，使學生了解現代先進制造技術的一般過程和基礎知識，初步建立起現代制造工程的概念，為后續相關課程學習打下良好的基礎。

2　教學建設

2.1教學文件建設

2.1.1教學大綱

實訓教學大綱是指導實訓教學的綱領性文件［5］。3D打印實訓模塊針對機械、汽車、材料、農機、管理等機械類及近機械類專業的學生設置8個教學學時。3D打印實訓教學大綱見表1。

表1

2.1.2教材

為配合工程訓練中心加強現代先進制造技術的實訓教學內容［6］，并結合高等工科院校機械工程訓練體系教學改革的實際需要編寫了工程訓練系列教材之《現代工程訓練》［7］，以提高學生的工程實踐能力。編寫該教材的思路是教學內容力求精選，注重實際訓練，講求實用、圖文并茂，便于自學。編寫過程中力求文字簡潔，同時注重知識的系統性和科學性，對3D打印實訓教學有重要的作用。

2.1.3實訓教案

按照教學大綱對3D打印相關基礎知識的要求，編寫了《3D打印實訓教案》。該教案的應用，規范了3D打印實訓教學內容的講解，避免了因實訓教學指導人員的個人因素造成實訓教學過程中知識點的遺漏，因而保證了3D打印實訓教學的規范性，達到3D打印實訓教學大綱的要求。

2.1.4實訓指導書

為了幫助學生在有限的時間內全面、完整的掌握3D打印實訓教學的安全操作規程和基本操作步驟，提高學生在3D打印實訓過程中操作的準確性和安全性，保障3D打印實訓教學的順利開展，編寫了《3D打印實訓指導書》。

2.1.5實訓報告書

為檢驗學生在3D打印實訓中所學的理論基礎知識和操作技能能否達到實訓教學大綱要求，針對3D打印的實訓教學內容，采用選擇、填空和簡答等靈活多變的題型，編寫了《3D打印實訓報告書》。

2.1.6實訓理論考試題庫

為了測試學生對工程訓練相關基礎知識的理解和掌握程度，針對3D打印的實訓教學內容編寫了實訓理論考試題，采用多種類型的題目，緊扣3D打印實訓中的各個環節，考核學生關于3D打印應知應會的基礎知識。

2.2教學硬件建設

（1）按照3D打印教學大綱要求，3D打印訓練模塊硬件包括：up2 3D打印機28臺，S250 3D打印機2臺，object30液態光敏樹脂3D打印機1臺，三維掃描儀1臺，計算機32臺，后處理加熱平臺1個。

（2）教學軟件建設。由于3D打印是逐層打印，分層層厚決定打印的時間及產品質量，分層層厚越小打印時間越長，打印質量越好，反之打印時間短，打印質量較差。使用3D打印機打印，大部分產品不能在工作時間內打印完成，在無人狀態下設備運轉存在危險性。針對這一問題，工程訓練中心開發了網絡3D打印平臺，網絡3D打印平臺的開發可以使用App遠程操控和分享3D打印文件并完成打印。網絡3D打印平臺的開發可以通過網絡攝像頭監控3D打印機的運行情況，遠程設置打印機各項參數，接收打印進度提醒、可能發生的錯誤、打印完成等。

3D打印機一旦開始工作，App用戶就可以通過網絡攝像頭監控3D打印加工過程。如果打印模型不理想，可以隨時遠程關閉3D打印機，節省材料，等回到打印機邊再解決問題。網絡3D打印平臺的開發解決了打印時間長、危險性大的問題，同時也實現了3D打印設備的資源共享。

2.3師資建設

為順利有序地開展3D打印實訓教學，工程訓練中心配備比較穩定的、多層次的實訓教學指導教師，以具有教學資歷深、經驗豐富、專家型、高水平特點的正高級職稱的實訓教師作為3D打印的專業帶頭人，以接受新技術、新工藝能力較強的碩士研究生學歷人員作為實訓教學指導教師。對每一位上崗的實訓教學人員進行試講考核，競爭上崗，以知識多、能力強、綜合素質高的實訓指導教師保障3D打印實訓教學的有序進行［8］。

3　教學過程實施

在3D打印實訓教學大綱的指導下，教學過程遵循學生的認知規律，循序漸進的設計3D打印實訓教學內容，逐層深入的進行3D打印實訓教學。

實訓指導教師先利用多媒體教學課件講解3D打印的發展歷史；選擇性沉積成型、液態光敏樹脂選擇固化成型、選擇性激光燒結成型等方法的成型原理、工藝特點［9］；3D打印的基本工藝流程及3D打印在各個領域的應用。結合典型的傳統加工制造方法的零件講解3D打印同傳統加工制造方式在加工過程、加工原理等的區別；實訓指導教師針對具體模型講解建三維模型時的注意事項，學生進行三維建模訓練；實訓指導教師講解up23D打印機的操作流程及相關的注意事項，學生進行3D打印機的操作訓練；實訓指導教師組織學生分組討論，對3D打印成型件缺陷的成因分析并提出相應的預防對策，對實訓過程進行分析與總結；學生實訓后獨立完成3D打印實訓報告。

4　考核和成績評定

考核與實訓的過程化管理相結合，學生工程訓練最終成績由兩部分組成，工程訓練實訓成績占80%，基本知識考核占20%。工程訓練實訓成績由所有實訓環節成績的加權和確定，各實訓環節的權重根據各實習環節的教學時數比重確定，其中實訓報告占20%，操作訓練占70%，實習態度占10%。

5　結束語

建設3D打印實訓模塊，可以讓學生了解最前沿的現代先進制造技術，縮小與現代先進制造技術的差距，提高實訓質量［10］。本文詳細介紹了3D打印實訓教學模塊的建設思路、建設內容和實施過程［11］，為其他院校工程訓練3D打印實訓教學的建設提供了可資借鑒的做法。

［1］ 伍倪燕，廖磷志，傅貴興.3D打印對模具制造技術的影響分析［J］.模具制造，2014（10）：86-88.

［2］ 譚語夷.3 D打印的技術現狀與發展趨勢［J］.中國機械，2014（11）：55.

［3］ 范乃強，李恩普.深層次工程實踐訓練平臺建設的思考與探索［J］.西北工業大學學報，2015（1）：109-112.

［4］ 楊洋，周亮，李曉春.3D打印訓練項目建設的探索與實踐［J］.山東工業技術，2014（14）：110.

［5］ 張慶陽.高職機械制造專業實驗實訓教學研究［J］.佳木斯教育學院學報，2015（8）：237-238.

［6］ 王金學.工程訓練中心建設與教學管理改革探討［J］.實驗室科學，2008（4）：1-4.

［7］ 王新榮，王冬，馮憑.優化理論課程強化實踐環節 ［J］.黑龍江教育：高教研究與評估版，2007（5）：69-70.

［8］ 朱瑞富，孫康寧，賀業建.綜合性大學工程訓練中心發展模式設計與實踐［J］.實驗技術與管理，2011（4）：85-87.

［9］ 洪慎章.快速成型技術是模具加工的創新［J］.機械制造，2004（2）：54-56.

［10］ 丁洪生，周郴知，楊志兵.工程訓練實踐教學體系的改革與創新［J］.實驗技術與管理，2005（6）：1-4.

［11］ 黃海龍，曲曉海，楊洋.工程訓練拆裝實訓教學的探索與實踐［J］.實驗室研究與探索，2014（12）：147-150.

Exploration and Practice of the 3D Printing Practical Teachingon Engineering Training

Yang Yang1， Li Jinliang2， Geng Dongni1， Zhou Liang1
1. Engineering Training Center， Jilin University， Changchun， 130025， China 2. College of Materials and Engineering， Jilin University， Changchun， 130025， China

In the Industry 4.0 era and the "Internet +" new situation， 3D printing has become the focus of development of the times. The practical curriculum system of engineering training is reformed and innovated continuously in higher education institution. It has gradually expanded from the traditional manufacturing technology for modern advanced manufacturing technology. It not only focuses on cross-use of multi-disciplinary knowledge， and focuses on cultivating innovative thinking and engineering practice ability. In order to adapt to the development of the new situation， Jilin University Engineering Training Center opened a 3D print training module. It provides a powerful guarantee to train applied and innovative engineering students.

engineering training； practical teaching； 3D printing； innovation

2016-03-11

楊洋，碩士，工程師。