3D打印創客教育實踐教學研究

令紫娟

（甘肅工業職業技術學院<測繪學院>，甘肅 天水741025）

0 引言

從2011年開始，全球逐漸掀起3D打印的高潮。當前，3D打印在航空航天、汽車、醫療健康等領域的市場應用已經取得積極的進展，我國3D打印產業發展至今，呈現出不斷深化、不斷擴大應用的態勢。習近平總書記提出：隨著3D打印技術規模產業化，傳統的工藝流程、生產線、工廠模式、產業鏈組合都將面臨深度調整。我們必須高度重視、密切跟蹤、迎頭趕上。李克強總理提到：既要瞄準世界產業技術發展前沿，加強3D打印核心技術和原創技術研發，又要加快成果推廣運用和產業化進程[1]。3D打印不僅是一項前沿性的制造技術，更是一項國家戰略。為推動我國增材制造（3D打印）產業快速、持續健康發展，從國家發展戰略層面，出臺了系列文件和通知，如工信部等十二部門聯合發布的《增材制造產業發展行動計劃（2017-2020年）》（工信部聯裝〔2017〕311號）、《中國制造2025甘肅行動綱要》（甘政發〔2015〕90號）等文件。

在“大眾創業，萬眾創新”時代背景下，3D打印成為大學生進行創新創業的重要輔助工具，也是創客進行創造的重要技術途徑。各大院校實施增材制造技術普及工程，進一步促進3D打印技術在學校教育領域的推廣。通過開設3D打印培訓課程、建立相關實驗室，參與各類3D打印比賽活動，激發和培養學生創新設計的興趣與愛好。針對“3D打印+創客教育”需求，結合甘肅工業職業技術學院專業設置及教學情況，通過開發有趣的實踐項目，激發學生自主探究的意識，培養學生勇于創新的精神，提高學生創新實踐能力，從而促進實踐教學的改革與創新。

1 教學手段改革

1.1 興趣驅動的課堂教學改革

以3D打印為興趣驅動的課堂教學模式，讓學生有參與感、設計感以及成就感，使其樂在其中，并享受自己動手的制作過程。不僅達到了教學目的，對教學過程也起到催化劑的作用。而且對教學質量的提高起到積極的推動作用。在課堂教學中，從學生的興趣愛好出發，以課程項目為核心，設計項目制教學的實施環節，通過：（1）組建團隊、研討計劃；（2）溝通計劃、設計方案；（3）組織實施、檢查控制；（4）實際運行、反饋改進；（5）獲取信息、構思項目，構成閉合環路，形成完整的實踐周期。通過實踐教學項目培養學生團隊協作能力、創新能力以及跨學科解決問題的能力。一方面可以提高學生的想象力，另一方面還可以活躍學生的思維，構造一種高效有趣的教學模式。

1.2 開發多學科交叉、多層次的3D打印實踐教學項目

開發多學科交叉的3D打印實踐教學項目，往往需要多個學科知識技能支撐，將多學科交叉融合的創新性思維融入人才培養的全過程。由于3D打印技術與學科教學深度融合的優勢，將3D打印技術引入跨學科工程項目的科技創新實踐教學中，設置不同難度的教學目標，從簡單的演示型實驗，到復雜的綜合型實驗以及自主創新型實驗，通過由易到難逐層遞進的實踐練習，增強學生對3D打印技術的理解。打通創新實踐教學的各環節，從而實現了多個學科知識技能的有機融合，培養學生在各專業領域的交叉學習，提高學生綜合技能。使其就業方向更加廣闊，應聘競爭力更強。

1.3 創立3D打印創客空間

為加強對學生創新創業能力的培養，在原有3D打印創新實訓室的基礎上，依托創新創業孵化園、測繪學院師資隊伍、電子信息協會等組織機構，建立3D打印創客空間，開展3D打印、逆向設計、數字化設計與智能制造相關的課外教學、應用型技術人才培養及創新、創業工作。對培養學生的文化創意、3D設計等提供了先進的實驗條件，進一步培養學生的創新精神、創新思維和創新能力，為學生全面發展提供了良好的實踐平臺，結合所學專業知識，引導學生從創意到產品并將其轉化成具有商業價值的創客項目。

2 教學實例

按照“面向全體、分類施教、結合專業、強化實踐”的原則，基于3D打印技術開展實踐訓練項目，通過創新設計、軟件建模、打印制造等環節，培養學生的創新思維和實踐能力。以3D打印無人機為例，以學生為主體組建團隊，采用小組討論分工協作的形式研討計劃、查閱資料、設計方案，學生從被動接受轉換成主動創造，進一步提升學生的發散思維、溝通意識和協作意識。

其具體過程主要包括以下五個步驟：

（1）三維數據采集，應用三維掃描儀對現有無人機進行三維掃描，獲取空間數據，然后對點云處理，通過逆向工程進行創新設計。

（2）產品外觀設計，利用建模軟件，學生可以進行創作加工處理，自主創作無人機產品。

（3）3D打印軟件切片，創建的無人機模型經過切片處理，才能將數據輸入到3D打印機中。即將設計轉換為一組3D打印機打印所需的移動指令，需要調節切片的層高、放置角度、熔融溫度、噴嘴移動速度等參數，在軟件中預覽輸出結果，掌握噴嘴的行走軌跡、模型結構，及時做出調整和改進。

（4）打印模型，將切片處理的模型導入打印機，通過控制噴頭的移動，一層一層地打印出產品。注意進絲、調平等操作設置，等待設備預熱完成后，便開始逐層排列耗材以進行3D模型的實體打印。

（5）無人機調試飛行，對無人機進行飛控電路設計、飛控焊接組裝、重力感應或遙控器無線控制等調試后，最后進行無人機飛行演練。

3D打印在無人機領域的應用實踐項目，是3D打印技術與無人機制造的完美融合。一是使學生理解3D打印“設計即生產”的特性，拋棄了夾具、模具、工具的束縛，運用軟件設計3D模型，全程數字化靈活實現定制生產。二是將課堂學習的理論知識進行實踐運用，提高學生的創新設計能力和三維軟件的實踐操作能力。三是通過無人機的組裝調試飛行，不僅提高了學生的動手能力，更能通過實踐項目使學生了解無人機的原理，進一步提升學生的自身技能。這種多學科交叉的實踐項目，極大地激發學生的學習興趣，提高了教學效果。

3 結語

3D打印作為一種數字化的直接制造技術，優化了傳統的制作工藝，讓“創物、創材、創意”變得無限制、無邊界。多學科交叉、多層次實驗項目結合，通過由易到難逐層遞進的實驗，使學生圍繞趣味主題進行設計與制作，形成多學科交叉的典型、實用、難度階梯化的3D打印教學模式。通過創立3D打印創客空間，為學生提供自主創新創業機會，結合所學專業知識，引導學生從創意到產品并將其轉化成具有商業價值的創客項目。