張幫亮
(廣東石油化工學(xué)院 石油工程學(xué)院, 廣東 茂名 525000)
現(xiàn)代教育技術(shù)
3D打印技術(shù)在燃?xì)夤こ谭较虻慕虒W(xué)應(yīng)用探討
張幫亮
(廣東石油化工學(xué)院 石油工程學(xué)院, 廣東 茂名 525000)
從理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)兩方面闡述了3D打印技術(shù)在燃?xì)夤こ谭较蚪虒W(xué)中應(yīng)用的優(yōu)勢、存在的問題和改進(jìn)意見,探討了3D打印技術(shù)在促進(jìn)燃?xì)夤こ谭较虍a(chǎn)學(xué)研合作方面的應(yīng)用與展望,為3D打印技術(shù)應(yīng)用于燃?xì)夤こ滔嚓P(guān)專業(yè)的教學(xué)提供借鑒。
燃?xì)夤こ探虒W(xué); 教學(xué)改革; 3D打印技術(shù)
3D打印技術(shù)被譽(yù)為第三次工業(yè)革命的重大標(biāo)志[1],已經(jīng)應(yīng)用于諸多領(lǐng)域[2-12],并將對人類未來生活的各個(gè)方面產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。3D打印技術(shù)最突出的優(yōu)點(diǎn)是無需機(jī)械加工和任何模具,能夠直接從計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)中生成任何形狀的物件,實(shí)現(xiàn)虛擬世界與實(shí)體世界的結(jié)合。
目前,3D打印技術(shù)已在高校工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)教學(xué)[13]、機(jī)械工程創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)[14]、外科臨床教學(xué)[15]、土木工程教學(xué)[16]、基礎(chǔ)地質(zhì)礦物教學(xué)[17]中得到應(yīng)用。尤其中國石油大學(xué)[18]首先將3D打印技術(shù)應(yīng)用于石油工程實(shí)驗(yàn)教學(xué),具有很大的啟示作用。本文將探討3D打印技術(shù)在廣東石油化工學(xué)院燃?xì)夤こ谭较蚪虒W(xué)中的應(yīng)用,為3D打印技術(shù)在工程類相關(guān)學(xué)科專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)上的應(yīng)用提供借鑒。
燃?xì)夤こ讨溉細(xì)獾纳a(chǎn)、儲(chǔ)存、輸配、應(yīng)用、工程施工、設(shè)計(jì)和安全管理等一體化的工程技術(shù)(見圖1)。
廣東石油化工學(xué)院在油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專業(yè)基礎(chǔ)上,增加了燃?xì)夤こ探虒W(xué)方向,結(jié)合本校專業(yè)優(yōu)勢和區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展方向,燃?xì)夤こ谭较虻闹鞲烧n程除了以上內(nèi)容外,外延了少量海上天然氣集輸、伴生氣燃燒利用以及海洋天然氣運(yùn)輸?shù)葍?nèi)容,強(qiáng)化了天然氣分布式能源[19 ]和工程施工知識內(nèi)容,并積極探討3D打印技術(shù)在燃?xì)夤こ谭较蚶碚摻虒W(xué)、實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用。

圖1 燃?xì)夤こ毯喗?/p>
2.1 應(yīng)用優(yōu)勢
2.1.1 激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,提高學(xué)習(xí)效果
利用3D打印技術(shù)能相對快速地將虛擬變成現(xiàn)實(shí),制作現(xiàn)代化的教學(xué)用具。按照燃?xì)馍a(chǎn)、燃?xì)廨斔秃腿細(xì)鈶?yīng)用知識脈絡(luò),結(jié)合本校燃?xì)夤こ谭较蛞蕴烊粴鉃橹鞯膶I(yè)定位,利用3D打印技術(shù)可在燃?xì)夤こ谭较蛑谱鞯慕叹呷绫?所示。

表1 天然氣工程教學(xué)內(nèi)容可用3D技術(shù)打印的教具
從表1可以看出,燃?xì)馍a(chǎn)和燃?xì)馊紵龖?yīng)用工藝所涉及的機(jī)件、設(shè)備等幾乎都可用3D 打印機(jī)打印出來,不僅是外形的展示,連設(shè)備內(nèi)部的細(xì)節(jié)、附件都能一體化地展示。3D打印的教具還可以與聲、光、電結(jié)合,打印出微縮的可操作的“真實(shí)工廠”。課堂上極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探究欲望,調(diào)動(dòng)起學(xué)生學(xué)習(xí)燃?xì)夤こ汤碚撜n的積極性和主動(dòng)性,提高了對抽象知識點(diǎn)理解能力,增強(qiáng)理論課程的教學(xué)效果。
2.1.2 培養(yǎng)學(xué)生的協(xié)作精神和實(shí)踐能力
學(xué)生不僅可以近距離觀看教具,而且可以現(xiàn)場打印出小的零件,甚至可以打印出整體裝備。通過實(shí)物教具,強(qiáng)化了學(xué)生對知識點(diǎn)的掌握。教師可以將學(xué)生分成若干小組并布置課下3D打印任務(wù),尤其是設(shè)定一些相對復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件讓學(xué)生完成。學(xué)生經(jīng)過討論設(shè)計(jì)方案、進(jìn)行3D建模、模型修正、3D打印的過程,培養(yǎng)了實(shí)踐能力和協(xié)作精神。
2.2 存在的問題
3D打印技術(shù)在燃?xì)夤こ汤碚摻虒W(xué)中具有明顯的優(yōu)勢,但是也存在以下一些問題。
(1) 學(xué)生掌握3D打印技術(shù)的基礎(chǔ)知識不均衡。因國內(nèi)尚無燃?xì)忸惤虒W(xué)用3D打印技術(shù)應(yīng)用的教材,少部分學(xué)生在做專業(yè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)時(shí)才有機(jī)會(huì)與相關(guān)教師溝通,接觸3D打印機(jī),而多數(shù)本專業(yè)的學(xué)生短時(shí)間內(nèi)應(yīng)用3D打印機(jī)感覺力不從心。
(2) 3D打印技術(shù)的速度較慢,3D打印機(jī)和打印材料較貴。目前比較適合教學(xué)用的3D打印機(jī)一般采用的熔融擠出技術(shù)(FDM),打印材料為熱塑性塑料,但打印速度較慢,很難做到在課堂上和課間的有限時(shí)間內(nèi)打印出大型、復(fù)雜的物件。另外,廉價(jià)的3D打印機(jī)打印質(zhì)量并不理想。
(3) 對于燃?xì)夤こ探虒W(xué)中涉及的機(jī)理和內(nèi)在規(guī)律等內(nèi)容無法通過3D打印技術(shù)呈現(xiàn)。雖然3D打印技術(shù)能夠?qū)⑻摂M變成現(xiàn)實(shí),能制作現(xiàn)代化的教具,但是它基于看得見、能夠物化的燃?xì)夤こ躺a(chǎn)工藝設(shè)備等,而對于工藝計(jì)算涉及到的燃?xì)獾南嗥胶饽芰繐Q算、燃?xì)馊紵芰康霓D(zhuǎn)化等視覺看不到的知識點(diǎn),3D打印技術(shù)也無法呈現(xiàn)。
2.3 改進(jìn)意見
(1) 自編3D打印教材,合理調(diào)整教學(xué)安排。借鑒2016年2月發(fā)行的國內(nèi)首本《3D打印基礎(chǔ)教程》[20]和其他教材,自行編制適合燃?xì)夤こ谭较蚪虒W(xué)的3D打印教材,納入“計(jì)算機(jī)工程制圖”課在大學(xué)一年級開設(shè),夯實(shí)學(xué)生應(yīng)用3D打印技術(shù)的基礎(chǔ)。
(2) 改進(jìn)教學(xué)方法,合理分配授課學(xué)時(shí),解決目前教學(xué)用3D打印機(jī)打印速度慢、打印質(zhì)量不高和價(jià)格成本高等問題。對于燃?xì)夤こ谭较蚪虒W(xué)的專業(yè)課教師來說可能無能為力,但是作為主講教師可以揚(yáng)長避短,將演示法、講授法、討論法和任務(wù)驅(qū)動(dòng)法4種教學(xué)方法有機(jī)地結(jié)合起來,充分利用課上、課下時(shí)間,完成課堂教學(xué)任務(wù)。例如在講授天然氣水路運(yùn)輸時(shí),借助3D打印船模講解LNG運(yùn)輸船的結(jié)構(gòu)、用途和優(yōu)勢,并現(xiàn)場打印和展示LNG儲(chǔ)倉截面,時(shí)間可控制在10 min以內(nèi)。在講授天然氣陸路運(yùn)輸時(shí),先讓學(xué)生討論陸上靜態(tài)LNG儲(chǔ)罐的結(jié)構(gòu);如果將儲(chǔ)罐移動(dòng)起來,就將知識點(diǎn)引到LNG的公路和鐵路運(yùn)輸上。最后教師給學(xué)生布置課余任務(wù),分組打印出LNG的4種運(yùn)輸方式的典型運(yùn)輸工具。學(xué)生得到了鍛煉,教具也得到了補(bǔ)充。
(3) 創(chuàng)設(shè)理論應(yīng)用情境,多手段結(jié)合,提高對理論知識的認(rèn)知。類似規(guī)律、能量轉(zhuǎn)化等不可見的抽象知識,可以間接用3D打印技術(shù)制作出其應(yīng)用情景。例如制作出換熱器,輔以公式、圖表,精心組織、合理運(yùn)用,提高學(xué)生對能量轉(zhuǎn)化知識的認(rèn)知。
3.1 應(yīng)用優(yōu)勢
3D打印本身就是設(shè)計(jì)、制造一體化的實(shí)踐過程。在燃?xì)夤こ谭较驅(qū)嵺`教學(xué)環(huán)節(jié)中應(yīng)用的3D打印教具,更是創(chuàng)新思想物化的強(qiáng)有力的工具,有著很大的發(fā)揮空間。3D打印技術(shù)在燃?xì)夤こ谭较驅(qū)嵺`教學(xué)環(huán)節(jié)上的應(yīng)用如表2所示。
優(yōu)勢一:在實(shí)驗(yàn)課中應(yīng)用。燃?xì)夤こ虒?shí)驗(yàn)課都有非常專業(yè)的實(shí)驗(yàn)儀器、設(shè)備,有些如管道腐蝕防護(hù)實(shí)驗(yàn)、燃?xì)廨斉鋵?shí)驗(yàn)等可以不用3D打印技術(shù)。但是為了更好地理解實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)設(shè)備工作原理,可3D打印出大部分實(shí)驗(yàn)所用儀器設(shè)備的內(nèi)部剖視教具,展示核心部件的結(jié)構(gòu),輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)。另外,在不影響安全的情況下,可以用3D打印機(jī)臨時(shí)修補(bǔ)一些實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的非核心部件,如二氧化碳臨界點(diǎn)觀測及P-V-T關(guān)系實(shí)驗(yàn)儀、燃?xì)庀鄬γ芏葴y定儀、有機(jī)玻璃外罩的修補(bǔ)以及燃?xì)鉄嶂禍y定儀冷卻水管裂口的3D打印修補(bǔ)等。
優(yōu)勢二:在實(shí)訓(xùn)課中應(yīng)用。燃?xì)夤こ谭较驅(qū)嵱?xùn)課包括仿真實(shí)訓(xùn)和實(shí)際操作兩部分。3D打印技術(shù)在仿真實(shí)訓(xùn)中大有作為。利用3D打印技術(shù)不僅可以制造單個(gè)機(jī)具件,還可以將整個(gè)LNG接收站打印成沙盤,配以聲、光呈現(xiàn)在學(xué)生面前,使學(xué)生有身臨其境的感覺,強(qiáng)化了仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)效果。另外,利用3D打印技術(shù)可以低成本、高效率、個(gè)性化制作大型的仿真實(shí)訓(xùn)沙盤。在機(jī)泵拆裝、管路和閥門連接實(shí)訓(xùn)中,可以用3D打印機(jī)制作泵、閥門等剖視模型,給學(xué)生拆卸和安裝實(shí)際設(shè)備起到提示作用。
表2 燃?xì)夤こ谭较驅(qū)嵺`教學(xué)環(huán)節(jié)中3D打印技術(shù)的應(yīng)用

類別課程內(nèi)容3D打印應(yīng)用實(shí)驗(yàn)課燃?xì)馊紵c應(yīng)用①燃?xì)饨M分分析;②燃?xì)庀鄬γ芏葴y定;③燃?xì)饪焖贌崴鳠峁ば阅軠y定;④長玻璃管中火焰?zhèn)鞑パ菔?⑤燃?xì)夥ㄏ蚧鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣葴y定;⑥燃?xì)獗砹髁啃U?⑦濕式氣體流量計(jì)校正;⑧燃?xì)鉄嶂禍y定;⑨二氧化碳臨界點(diǎn)態(tài)觀測及P-V-T關(guān)系實(shí)驗(yàn);⑩甲烷爆炸演示實(shí)驗(yàn)③⑥⑦實(shí)驗(yàn)裝備剖析油氣集輸①氣液兩相流流型測試;②氣液兩相流壓降及截面含液率的測量;③二氧化碳填料塔吸收實(shí)驗(yàn)③實(shí)驗(yàn)裝備剖析管道腐蝕與防護(hù)①陽極接地電阻測定實(shí)驗(yàn);②土壤電阻率測定實(shí)驗(yàn);③極化曲線測土壤腐蝕性;④管-地電位差測量不用液化天然氣技術(shù)①單級蒸氣壓縮制冷系統(tǒng)的循環(huán)實(shí)驗(yàn)原理與方法;②活塞式制冷壓縮機(jī)的性能實(shí)驗(yàn)原理與方法;③渦旋式制冷壓縮機(jī)性能實(shí)驗(yàn)原理與方法;④液氦的輸送和實(shí)驗(yàn)室杜瓦瓶的灌注;⑤液氮水下排放實(shí)驗(yàn)①—④實(shí)驗(yàn)裝備剖析燃?xì)廨斉洧偃細(xì)夤芫W(wǎng)水力工況實(shí)驗(yàn);②天然氣分配管道計(jì)算,流量確定實(shí)驗(yàn)不用實(shí)訓(xùn)課仿真實(shí)訓(xùn)①LNG接收終端仿真實(shí)訓(xùn);②壓縮機(jī)仿真實(shí)訓(xùn);③加熱爐仿真實(shí)訓(xùn)展示教具實(shí)際操作①金工實(shí)訓(xùn);②機(jī)泵拆裝;③管路和閥門連接實(shí)訓(xùn)②③設(shè)備結(jié)構(gòu)剖析課程設(shè)計(jì)①天然氣處理原理與工藝;②燃?xì)廨斉?③燃?xì)夤こ淌┕?輔助實(shí)習(xí)①認(rèn)識實(shí)習(xí);②畢業(yè)實(shí)習(xí);③生產(chǎn)實(shí)習(xí)不用畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)①設(shè)計(jì)類;②科學(xué)研究;③調(diào)查研究類部分競賽①創(chuàng)新訓(xùn)練;②科技競賽勝任
優(yōu)勢三:在課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)、科技競賽等實(shí)踐環(huán)節(jié)得到應(yīng)用。不論是單門課程的設(shè)計(jì)課、綜合課程的設(shè)計(jì)課,還是在畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)環(huán)節(jié),都可以發(fā)揮3D打印技術(shù)能快速地將虛擬變成現(xiàn)實(shí)的優(yōu)勢。例如,可以打印單個(gè)天然氣凈化裝置、換熱器等,也可以打印山區(qū)管道施工現(xiàn)場、燃?xì)夤艿来┰胶恿鞯膶?dǎo)流施工現(xiàn)場、天然氣分輸站等畢業(yè)設(shè)計(jì)內(nèi)容。3D打印技術(shù)在實(shí)踐課程的應(yīng)用,最重要的不是實(shí)物的呈現(xiàn),而是學(xué)生從生產(chǎn)工藝、設(shè)備等設(shè)計(jì)到模型的呈現(xiàn),本身就是一個(gè)自主探索和學(xué)習(xí)的過程,是一個(gè)研究性學(xué)習(xí)過程。其中涉及多學(xué)科知識的交叉和大量理論、實(shí)物模型的反復(fù)論證和不斷完善,才呈現(xiàn)出最終的成果。這一過程培養(yǎng)了學(xué)生科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)木?鍛煉了動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。尤其在學(xué)生參加“挑戰(zhàn)杯”“創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練”等大學(xué)生科技創(chuàng)新競賽和輔助教師完成科研項(xiàng)目、完成畢業(yè)論文中,3D打印技術(shù)大有作為。
3.2 存在的問題
3D打印技術(shù)在燃?xì)夤こ虒?shí)踐教學(xué)中大有用武之地。但是,對于以石化特色教學(xué)為主的普通本科院校——廣東石油化工學(xué)院來說,3D打印技術(shù)是新生事物,在本校現(xiàn)有條件下,還無力進(jìn)行前期資金投入和場地建設(shè),無法一次性地為油氣儲(chǔ)運(yùn)燃?xì)夤こ探虒W(xué)大手筆運(yùn)作,后期政策性的扶持、耗材的持續(xù)供應(yīng)、師資力量的完善等也無法保證。目前,只有個(gè)別教師利用科研項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)購置3D打印機(jī)用于燃?xì)夤こ虒?shí)踐教學(xué),但可持續(xù)性無法保障。另外,教師自身對3D打印技術(shù)掌握的程度有限,同樣制約著3D打印技術(shù)在燃?xì)夤こ谭较驅(qū)嵺`教學(xué)中的應(yīng)用。
3.3 改進(jìn)意見
將3D打印技術(shù)運(yùn)用于燃?xì)夤こ谭较驅(qū)嵺`教學(xué),專業(yè)教師是最先踐行者。專業(yè)教師要高度重視3D打印技術(shù)的應(yīng)用,洞悉新技術(shù)對專業(yè)發(fā)展可能起到的促進(jìn)作用。此外,教師要從技術(shù)和教學(xué)設(shè)計(jì)層面學(xué)習(xí)和提高,做好領(lǐng)路人。教師可以將3D 打印技術(shù)的優(yōu)勢應(yīng)用到科學(xué)研究上,根據(jù)需要,自行設(shè)計(jì)流程、研制儀器設(shè)備,縮短研發(fā)周期,有利于教師自身科研水平的提高、素質(zhì)的提升,增強(qiáng)所在學(xué)科的競爭實(shí)力。
廣東石油化工學(xué)院是華南地區(qū)唯一一所具有石油化工行業(yè)背景的省屬本科院校。2007年承辦油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專業(yè)以來,已有6屆半數(shù)以上的畢業(yè)生從事燃?xì)庀嚓P(guān)行業(yè),遍布廣東省絕大多數(shù)燃?xì)馄髽I(yè),許多燃?xì)馄髽I(yè)與我校達(dá)成燃?xì)忸愒O(shè)計(jì)、員工培訓(xùn)等項(xiàng)目合作意向,合作內(nèi)容包括:
(1) 設(shè)計(jì)圖紙的數(shù)字化整理;
(2) 企業(yè)員工理論培訓(xùn);
(3) 非常規(guī)設(shè)計(jì),包括分布式能源、燃?xì)馓娓恼w設(shè)計(jì)、投資回收期概算;
(4) 復(fù)雜地形施工設(shè)計(jì);
(5) 企業(yè)員工理論培訓(xùn)
(6) 接收優(yōu)質(zhì)畢業(yè)生。
校企合作為3D打印技術(shù)應(yīng)用提供了用武之地。燃?xì)忸惿a(chǎn)運(yùn)行單位的設(shè)計(jì)圖紙可以整理成二維的CAD圖,還能建立3D圖,并且能夠打印出微縮的實(shí)物。不僅能夠永久保存設(shè)計(jì)資料,還能為企業(yè)的改擴(kuò)建設(shè)計(jì)提供借鑒。
作為培養(yǎng)燃?xì)夤こ虒I(yè)人才的院校,廣東石油化工學(xué)院不僅能夠與設(shè)計(jì)單位合作,攻克燃?xì)夥浅R?guī)設(shè)計(jì)遇到的難題,而且能夠向設(shè)計(jì)單位輸出具有3D打印技能、掌握燃?xì)夤こ虒I(yè)知識的復(fù)合型人才,提高設(shè)計(jì)單位的競爭實(shí)力。同樣,對于燃?xì)夤こ淌┕挝?利用3D打印技術(shù)考量在山區(qū)、河流等復(fù)雜地形施工設(shè)計(jì)方案,提高安全施工效率。學(xué)校利用3D打印技術(shù)在培訓(xùn)企業(yè)員工和人才輸出上發(fā)揮特長。達(dá)到企業(yè)提高生產(chǎn)效益、學(xué)校強(qiáng)化辦學(xué)實(shí)力、學(xué)生增加就業(yè)機(jī)會(huì)多方共贏的可持續(xù)發(fā)展模式。
目前,以熱塑性塑料為基材的熔融擠出3D打印技術(shù)(FDM)的性價(jià)比高、容易推廣應(yīng)用。利用該技術(shù)自制輔助教學(xué)用具,將在燃?xì)夤こ虒I(yè)理論教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)中大有用武之地。在應(yīng)用3D打印技術(shù)的過程中,可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率,訓(xùn)練學(xué)生的動(dòng)手能力、協(xié)作能力和培養(yǎng)創(chuàng)新精神。教師利用3D打印機(jī),方便自行設(shè)計(jì)流程、研制儀器設(shè)備,縮短研發(fā)周期,提高研發(fā)效率,增強(qiáng)所在學(xué)科的競爭實(shí)力,促進(jìn)燃?xì)夤こ谭较虻漠a(chǎn)學(xué)研合作,更好地服務(wù)燃?xì)庑袠I(yè)和區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。
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Discussion on teaching application of 3D printing technology in gas engineering direction
Zhang Bangliang
(School of Petroleum Engineering,Guangdong University of Petrochemical Engineering, Maoming 525000,China)
From two aspects of theory teaching and practice teaching,this paper discusses application advantages,existing problems and improvements of 3D printing technology applied to the teaching of gas engineering direction. Besides, this paper also discusses the application and expectation of 3D printing technology applied to promote the industrial-academic-research cooperation in gas engineering direction and provides reference for 3D printing technology application to the gas engineering majors.
gas engineering teaching; teaching reform; 3D printing technology
10.16791/j.cnki.sjg.2017.04.039
2016-10-31
廣東省高等教育教學(xué)改革項(xiàng)目“儲(chǔ)運(yùn)專業(yè)燃?xì)夤こ谭较蚪虒W(xué)體系構(gòu)建”(2015);廣東石油化工學(xué)院教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目“儲(chǔ)運(yùn)專業(yè)新增燃?xì)夤こ谭较蚪虒W(xué)體系構(gòu)建”(2014)
張幫亮(1973—),男,陜西西鄉(xiāng),碩士,工程師,主要研究方向?yàn)槭突すに嚰坝蜌鈨?chǔ)運(yùn).
E-mail:blzhang89@sohu.com
G642.0;TH164
A
1002-4956(2017)4-0156-05