淺析新工科理念下的3D打印實踐教學形式改革探討與實踐

鞠錦勇

摘要：新工科理念下，按照“與當前工業主流技術相銜接”的原則，結合3D打印技術的原理及特點和工程訓練實踐教學的宗旨，提出將3D打印實踐教學與企業產品研發流程相結合的教學組織模式。首先，以培養學生的基本建模和設備操作能力為目的。其次，根據工程訓練實踐教學的宗旨，結合實際在教學過程中對學生提出具體產品設計要求，讓學生有目的地進行設計創新。最后，打印出符合設計要求的實體模型。讓學生體會從設計理念到設計過程，從概念設計到成品加工的過程，達到增強學生工程意識和工程實踐創新能力的目的。

關鍵詞：新工科;3D打印;實踐教學;產品研發;教學改革

中圖分類號：G420 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2020）14-0198-03

一、引言

隨著科技的進步，有些傳統的加工方式逐漸被工業生產淘汰，工程訓練教學中這部分加工內容存在限制學生認知和創新拓展能力的局限。因此，在“新工科”理念下，傳統的實習加工形式已經不能滿足學生工程訓練的要求[1，2]。

3D打印技術屬于新興的制造業技術，被稱為“第三次工業技術革命最具代表性的技術”。目前，3D打印技術廣泛應用在醫療、生物科學、加工制造等各行各業[3]。工程訓練中引入3D打印技術，可以拓寬學生的認知，讓學生了解科學技術的前沿[4]。但是3D打印由于其自動化程度高，設備操作相對簡單。傳統的教學組織模式下，主要是對基礎知識和設備的操作進行介紹，制作簡單的加工作品，課程內容長時間一成不變，難以激發學生的學習積極性。這種傳統的教學模式雖然鍛煉了學生的實踐操作能力，但忽視了對工程意識和工程素質的培養，學生也會覺得沒有挑戰性，很難讓學生體會到實習的真正意義。因此，在3D打印教學中除了讓學生了解3D打印的基本知識和設備基礎操作外，還需結合產品開發的流程重新組織教學形式，對學生提出產品設計要求，讓學生有目的地進行設計創新。這樣，學生在實習中不僅學到科學理論知識，而且能夠了解研發的流程和研發的意義，提高自身的工程意識和素質，這也符合“新工科”倡導的產教融合、科教協同的理念[5，6]。

二、3D打印技術原理及工藝流程

為了改進現有3D打印工程訓練教學，首先需要詳細了解3D打印技術原理及工藝流程，從3D打印實際工藝流程中探討改進方式，因此，首先對3D打印技術的原理及工藝流程進行介紹。市場上大部分3D打印設備主要基于熔融沉積（FDM）成型原理，FDM成型原理主要是通過打印機噴頭擠出絲材，按照模型的截面輪廓進行循環堆疊，經過后處理最終打印出與數據模型一致的實體模型。3D打印的基本是三維數據模型文件，首先需要將其保存為3D打印機能夠識別的文件類型（.stl）。接著導入3D打印軟件將三維數據模型分割為二維數據文件，通過設置相關打印參數打印模型。最后，完成打印后對模型進行后處理，包括模型的固化及無關支撐的剝離。圖1所示為3D打印技術的工藝流程。

對比傳統的加工方式，3D打印不需要任何刀具、夾具等，加工過程中不產生其他廢物廢渣，材料利用率高，可以有效降低生產成本。而且3D打印加工精度高，可以實現復雜模型的一次成型，減少加工工藝流程，大大降低了時間成本。因此，3D打印是前景廣闊的現代加工技術。我校工程訓練旨在培養應用型人才，結合3D打印技術特點和技術優勢，符合我校大學生的培養目標，并且通過有效的組織3D打印教學，幫助大學生樹立工程概念和工程意識，提高大學生的社會競爭力。

三、結合產品研發流程的3D打印教學模式

傳統的教學組織模式下，3D打印技術實習主要是對打印原理及技術特點和打印機的操作進行介紹，通過打印模型庫的文件讓學生認識這種加工方式。由于3D打印設備自動化程度高，設備操作非常簡單，同時受成型原理的影響，3D打印需要等待的時間比較長，實習過程中學生將大部分時間花費在等待產品成型上，時間利用率低。因此，實習過程中，很容易讓學生產生一種錯誤的認識：3D打印技術沒有什么技術含量，學生也會覺得沒有挑戰性。這種傳統的教學模式雖然提高了大學生的認知，鍛煉了大學生實踐操作的能力，但忽視了對大學生工程意識和工程素質的培養，學生難以真正體會到實習的意義。

在實際教學中，發現學生對于模型庫中的文件更有興趣。因此，可以結合學生的興趣讓學生進行自主創新建立三維模型并打印。同時，還可以彌補3D打印等待時間長的問題，學生的設計和加工過程可以同時進行，既可以充實課程內容，也符合高等學校培養學生創新能力的要求。但是學生漫無目的地設計，在實際教學中也沒有取得較好的效果，學生的作品存在趨于簡單化和應付作業的傾向，難以增強大學生的工程意識和提高工程素質。因此，對傳統的3D打印教學組織形式進行改革勢在必行。

在3D打印技術教學中，將自主創新與產品研發相結合可以有效解決現有教學模式的缺陷。產品研發方向源于銷售人員對市場需求的把握，研發人員根據市場需求明確產品的設計要求，然后按照設計要求完成產品的設計，經驗證合格后進行加工并進入市場銷售。在市場競爭中，產品的質量和性能直接影響產品的銷量。同樣，按照產品研發的思路，讓學生自主調研，分析現有產品的不足，進而提出具體的產品設計要求進行自主創新。最后，組織學生對比分析各自設計的優勢和不足。在此過程中，學生通過擔當和體會不同的角色，不僅可以鍛煉自主學習、自主創新的實踐能力，還可以從總體上把握產品的設計流程，增強自身的工程意識和提高工程素質。

四、結合產品研發的3D打印教學組織

在3D打印技術教學中，首先介紹3D打印技術的基本原理、技術特點、工藝流程、打印機使用、3D打印的優勢等基本理論和操作知識，強調三維數據建模的重要性，介紹三維軟件的基本建模思想，讓學生熟悉簡單命令的使用，并體會建模的基本原理，自主學習復雜建模操作。在此基礎上，重點向學生介紹產品研發的基本流程，主要包括立項階段、設計階段、樣機階段、小批階段、市場化階段，明確分析各階段的任務。關鍵是通過介紹產品研發流程，讓學生在自主設計中遵守實際的產品研發流程，通過調研和分析提出合理的產品設計要求。讓學生根據設計要求，完成各自的創新產品。最后讓學生對所設計作品進行當眾講解并分析優勢和不足。整個過程中學生自己把握設計要求、設計過程和加工過程，認識設計產品的特點，增強自身工程意識，從根本上認識3D打印實習的意義。

由于教學過程中不具備實驗驗證條件和大批量生產能力，因此忽略產品研發中的樣機階段、小批階段兩部分。在學生掌握了基本的建模方法及打印機的使用方法后，引導自主創新，不限制類型和方式，可以是其他的生活用品、玩具、藝術品等。表1以手機支架的設計為例，闡述結合產品研發的打印教學組織形式。

手機支架的設計意義在于解放人的雙手，滿足固定手機的要求。現有手機支架存在的缺點包括：①手機支撐角度不能滿足多種使用條件;②手機支架尺寸不能滿足大屏幕手機發展趨勢，穩定性不足;③手機發熱嚴重，手機支架影響散熱;④一體式手機支架占空間，不方便攜帶。根據提出的缺點和不足，讓學生確定設計要求，并按照以下設計要求設計相應的產品：①確定整體尺寸、支撐角度，保證舒適性和穩定性;②考慮支撐面積對手機散熱性能的影響，但也應兼顧穩定性;③避免妨礙其他部位，如攝像頭、耳機插孔、擴音器等;④支撐角度可調節，滿足不同的人對不同角度的需求;⑤可折疊，方便攜帶。

3D打印加工階段，學生按照以上要求完成一定結構的手機支架，自主評價合格后，可打印加工，打印完成后需使用手機驗證設計強度是否合格，能否滿足日常需求。不滿足設計要求的，需要對模型進行修改和完善，直到完成合格的模型設計。確認設計合格后，組織學生分析創新件的優勢和不足，從而驗證其市場競爭性。在此過程中，不僅讓學生設計模型，更讓學生體會到產品研發的過程，產品的設計不是漫無目的的，需要滿足設計需求才有意義。同時，讓學生體會到研發過程并非一次就能成功，只有反復地修正和完善，才能創造出合格的產品。結合產品研發的3D打印教學組織形式實現了產品從設計理念到設計過程，從概念設計到成品加工的過程，增強了學生的工程意識，提高了學生的工程素質，并起到了鍛煉學生工程實踐和創新能力的作用。

五、結論

針對傳統3D打印實踐教學模式存在的不足，將3D打印技術的教學組織形式與產品的研發流程相結合，讓學生在實踐中有目的地進行創新。通過對比兩種教學模式發現，學生對于漫無目的的創新顯得束手無策，大部分學生將時間花費在“做什么”的問題上，做出的創新件也不太滿意。而通過結合產品研發流程，學生根據設計要求，很快就有了創新思路，課堂氣氛積極活躍，充分調動每位學生的學習主動性。這種新型3D打印實踐教學模式能夠最大限度地激發學生的學習熱情。

參考文獻：

[1]周劍峰，韓民.新工科專業實踐教學體系構建[J].教育教學論壇，2017，（44）：109-110.

[2]龔曉嘉.綜合性高校在實踐教學中培養新工科創新型人才的探索[J].高教學刊，2017，（12）：141-142.

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[4]吳蘭岸，劉延申.基于逆向工程的工程課程開放式教學[J].高等工程教育研究，2016，（6）：185-189.

[5]劉玉飛，許德章，梁利東，等.基于OBE理念的理工科專業《計算方法》課程教學改革探索與實踐[J].教育教學論壇，2018，（09）：135-137.

[6]王美，王良輝，劉中曉，等.基于3D打印技術的特色課程研究——以“3D打印創意工作室”課程為例[J].現代教育技術，2015，25（8）：120-126.

Abstract：According to the principle of "linking up with the current mainstream technology of industry" and combining the principle and characteristics of 3D printing technology，this paper puts forward a teaching organization mode that combines 3D printing practice teaching with enterprise product research and development process.Firstly，students are trained in basic modeling and equipment operation ability.Then，according to the purpose of engineering training practice teaching，combined with the actual teaching process，specific product design requirements are put forward for students，so that undergraduates can design innovations purposefully.Finally，the entity model that meets the design requirements is printed out.Under this teaching organization mode，undergraduates can experience the process from design concept to design process and the process from conceptual design to finished product processing.Then，the engineering consciousness and innovation ability of the undergraduates can be effectively improved in engineering practice.

Key words：Emerging Engineering Education;3D printing;practical teaching;product development;teaching reform