新工科背景下應用型本科Fab Lab實驗平臺構建

倪偉傳， 李 佳， 王 鳳， 劉少江， 許志明， 萬智萍

(中山大學新華學院 設備與實驗室管理處， 廣東 廣州 510520)

2017年，綜合性高校工程教育發展戰略研討會在復旦大學召開，研討會達成了“新工科”建設復旦大學共識。隨后，教育部發布了《教育部高等教育司關于開展新工科研究與實踐的通知》，啟動“新工科研究與實踐”項目[1]，“新工科”的概念在高校成為討論的重要話題?！靶鹿た啤比瞬排囵B的主旨是在新一輪科技和工業革命中提前布局跨學科和學科交叉的復合創新創業人才的培養，解決未來產業發展的人才巨大缺口，升級傳統學科的知識結構和培養體系。同時在專業認證的大背景下，學習國際先進理念和先進教育、深化實踐教育改革，借助創客教育的發展、推動創新實踐教學的變革[2-3]。作為地方本科高校，在轉型過程中，須依托區域經濟發展和產業升級，對接到地方經濟發展的需求和地方企業所需的技術創新，充分發揮自身優勢和特色，加強跨界整合能力的技術技能型人才的培養。培養優秀的合格人才離不開優秀的實踐教育平臺，根據目前全球流行的創客空間和國內流行的眾創空間等經驗，建設符合應用型高校的創新實踐新平臺。

國外高校均建立了自己特色的創客空間，以MIT的Fab Lab (微觀裝配實驗室) 最具代表。建設方案可以根據學校條件選擇配置相應的基礎儀器和設備，并根據經費情況合理選擇符合要求、覆蓋面廣的方案。Fab Lab作為具有代表性的創客空間，也建立了全球的網絡平臺，充分發揮了共享和創新的精神。國內從2014年起，從中學到大學、從學校到社會，建立了不同類型的Fab Lab空間。2015年深圳國際創客周期間與MIT正式簽署“國際微觀裝配實驗室(全球旗艦)授權書”及“Fab Lab 2.0聯合研發協議書”[4]。由此深圳作為國內的前沿創客基地，推動了Fab Lab 1.0到2.0階段的轉變。2016年第十二屆國際微觀裝配實驗室年會(FAB12)在深圳舉辦。地方應用型高校建立Fab Lab實驗室，加入到全球創客空間網絡當中，可以鏈接到世界范圍內的Fab Lab空間，獲取共享資源和推進創客教育。

1 Fab Lab產生的背景

Fab Lab是美國MIT比特與原子研究中心發起的一項新穎的實驗，可以制造任何產品和工具的小型工廠。最初靈感來源于Gershenfeld教授于1998年在MIT開設的一門課程[5-6]。2013年9月，中國大陸第一家“數制”工坊Fab Lab O-Shanghai在同濟大學落成。隨后相繼在國內多地建立了各種類型的Fab Lab實驗室，截止到目前國內共有18家Fab Lab實驗室[7-8]。通過Fab Lab的官方網站可以查到實驗室的分布，各類基于Fab Lab的創客活動也在積極地進行，與全球的創客進行廣泛的交流與互動。

2 Fab Lab的規劃與建設

Fab Lab實驗室的建設可以參考MIT的CBA中心的官網網站所提供的資料，一般在建設的時候要考慮學校的實際情況，在場地充足的條件下，可以采用更大的建設面積，這樣容納的人數較多，可以保證多人工作的時候空間比較充足[9-12]。如果因場地受限的話，可以添置基本的設備，完成一定人數的實際操作，采取分組分批分時開放的原則。Fab Lab實驗室主要是桌面型小型工廠，那么主要以操作為主，相關的設計和安排需要滿足安全規范，一般需要配套的場地，這樣方便開展教學和科研活動。這里主要介紹地方應用型本科院校的Fab Lab實驗室的規劃和建設，力圖節約場地和經費。地方高校的大型創客空間，應能滿足學生基本的實踐動手要求，還可以根據經費和學科分布情況逐步增加設備和配套場地。

圖1 Fab Lab實驗室整體參考布局

核心部分是制造間、設計間和電子應用間，相關的設備主要放在制造間，是基礎的桌面制造工具，布局方面也是以鋼化玻璃隔斷，可以在不同的區間完成不同的工作，這樣可以互相不受干擾，當然容納的人數會因為面積而受到限制，合理的布局也可以提高使用效率。圖2顯示了放置基礎設備的實驗室詳細設計，根據Fab Lab實驗室的采購清單的設備主要是放置在制造間和設計間，可以根據不同的學科需求和用途進行合理的放置。可以按照采購配置清單的最低要求進行配置，成本可以控制在60萬元左右。

圖2 制作間、設計間和應用間設計

Fab Lab實驗室的核心是設備和工具，表1所表示的是常見設備、工具和軟件。根據需求采購設備進行配置，核心設備是激光切割機、雕刻機、CNC銑床和3D打印機等。由于這些設備帶有一定的危險性，要根據其安全性等要求合理放置。還要根據設備的大小、耗電大小和通風的要求，進行擺放和安裝，保證使用者的安全。設備在使用過程中還要合理評估其噪聲的大小，機器噪聲會嚴重影響空間的配置和非操作人員的工作，以及噪聲的傳播，這些都需要在建設過程中綜合考慮。對噪聲大的設備一般安放在比較偏的位置，這樣可以用玻璃隔斷減小噪聲的影響，同時對使用者須有嚴格的時間限制以及護耳工具。

表1 常見設備、工具和軟件

首先，基礎設備的布置和安裝，涉及到安全、操作和通風方面的問題。對于激光切割機這樣的設備需要購置抽風機，或者將其放置在窗邊排氣管道附近，排氣管道也要盡量接入到外面遠離人群的地方，保證室內空氣環境清潔。CNC銑床一類的大型設備特別要注意安全性，大型設備在使用過程中存在操作危險性，因根據具體的安全規范進行操作，避免操作失誤出現安全性的問題。3D打印機采用堆疊的方式制作模型，一般購買的是桌面級小型機，采用1～2個噴頭，成型的根據機器的快慢需要一定的時間，在無人值守的情況下尤其要注意安全，防止發生意外狀況。圖3顯示的是3種基礎設備，常規設備可以配置電腦進行控制和操作。其他類基礎設備按照基本要求操作即可，把基礎制造設備統一布置管理。

其次，在Fab Lab實驗室要配置常用的基礎工具，主要是完成手動制作和安全的手動和電動工具。手動工具主要用來拆卸、組合、彎曲和處理各類材料的工具，包含基本的工具箱，如螺絲刀、鉗子、扳手、錘子、鋸子、打磨和沖孔工具等，這類工具主要是使用者通過熟練動作來使用，遵循操作規范就可以。另一種類就是電動工具，這類工具分桌面固定型和手持型，各類大小型臺鉆、溫控電烙鐵等屬于桌面固定型和立式電動工具，手持型如電鉆、沖擊鉆、熱風槍、手電鋸等，電動工具要遵循操作規范和用電安全，根據指導手冊經過熟練的訓練才可以使用。

圖3 常見設備

最后，還需要應用軟件、工作臺和計算機進行計算機輔助設計。設計三維模型使用的Autodesk 123D，是由歐特克公司發布的一款免費的 3D CAD 工具，特別是適合入門建模，能夠提供強大的功能。采用一些圖形處理軟件，如CorelDRAW等，可以用于刻字機等機器的設計，Altium Designer主要功能是繪制電路原理圖和PCB制板，還可以采購一些開源硬件并安裝相關的開發軟件，軟件的使用可以盡可能采取免費版，這樣可以節約成本，同樣可以實現各種功能和需求。根據實驗室規劃和設備、工具等的擺放原則，盡可能充分利用場地空間，保證設備的使用和安全性。圖4表示了Fab Lab實驗室的主體規劃，包括設備和工具的擺放設計和布置，以及隔斷的鋼化玻璃，并布置多臺3D打印機，可以同時工作，節約打印時間。

3 Fab Lab的管理及運作

Fab Lab實驗室主要是給學生提供創新實操的場地，須要根據學校實驗室建設的要求，建立管理規章制度，其中包括實驗室安全管理制度、實驗室設備使用規定、實驗室應急應變措施、實驗室火災應急處理預案、學生實驗守則以及開放制度等。對進入實際操作的學生需要經過培訓，未培訓的學生嚴禁使用，并且須要配備設備和工具說明書，在使用工具前要求學生充分閱讀使用說明書和安全規則及安全警告。實驗室需要配備防護設備，特別是穿戴好個人防護用品，如操作時會有金屬屑、木屑或其他粉塵，須要佩戴護目鏡和口罩；危險設備和工具的擺放地方須要張貼注意事項和危險預警提示，做到最大限度地保護師生安全。Fab Lab實驗室須建立各項制度，并要安排設備管理人員、指導教師和行政人員。實驗室管理人員主要負責實驗室的建設和日常管理，并對設備進行維護，根據需要申請購買相關的耗材；指導教師主要從技術方面對學生進行培訓，以課程的形式按照學期要求培養創新實踐人才，并以短期培訓的形式教授使用方面的技術技能；行政人員主要負責管理各項活動的安排和組織，處理日常的行政事務，把實驗室的管理制度化和規范化，并納入到整個學校的實驗室管理體系。各成員各司其職管理日常的工作和實驗室的開放，根據學生的需求，定期舉辦各類活動，周末舉辦科技周活動，月舉辦科技月活動，參加全球的創客活動以及參加FAB年會。以課程和活動的形式推動創新人才的培養。

圖4 Fab Lab實驗室主體規劃

4 結語

創客教育的開展需要專門的場地，需要配套的基礎設備和工具，包括計算機等軟硬件資源，Fab Lab實驗室的建設提供了一種新的人才培養的思路。在這種思路下，合理利用有限的資源，建立符合地方應用型高校實際情況的實驗室。在使用過程中，根據需求可以進一步完善和添置設備，充分利用現有資源、降低成本，大力提倡共享機制，以Fab Lab實驗室為平臺因材施教，建立長效機制，培養創新創業技術技能型人才。在新工科背景下，注重跨學科的融合和合作，充分利用全校各學科的教師資源，形成創客教育的教師團隊，通過這種方式可以彌補創客教師的不足，創客教師培養也是專業專職教師的業務能力的提升，把創新技術技能的培養融入到專業課程當中，培養學生的綜合創新能力，在高校發揮創客教育理念的積極作用。

References)

[1] 教育部.關于開展新工科研究與實踐的通知:教高司函[2017]6號[Z].2016.

[2] Herman L， Borzi R. CMORE: Fast track from LAB to FAB[J]. American Society of Mechanical Engineers， 2008(6):755-762.

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[4] 深圳商報多媒體數字版[EB/OL]. (2015-06-19).http://szsb.sznews.com/html/2015-06/19/content_3257493.htm.

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