新工科背景下3D打印開放實驗室的探索與研究

摘要：3D打印技術是新興的智能制造技術，具有先進性、創新性和實踐性等特點，其與新工科建設的要求和目標相契合，本文結合我校開放實驗室實踐性教學，圍繞管理模式和運行機制等問題進行了探討，可為其他高校實踐教學改革提供借鑒與參考。

關鍵詞：新工科;開放實驗室;3D打印;實踐教學

一、新工科背景下的3D打印實驗室開放

教育部在2017年發布的《關于開展新工科研究與實踐的通知》中提及，為主動應對新一輪科技革命與產業變革，支撐服務創新，驅動發展“一帶一路”、“中國制造2025”、“互聯網+”等一系列國家戰略，提出了“新工科”建設構想，即：相對于傳統工科型人才，未來新興產業和新經濟需要的是實踐能力強、創新能力強、具備國際競爭力的高素質復合型新工科人才。這就要求高校在人才培養環節上，必須將傳統工科專業隨時代發展進行逐步轉型升級，將實踐創新創業教育貫穿大學生人才培養的全過程，達到“新工科”多維度、多層次、復合型大學生人才的培養目標[1]。

實驗室開放是指各類實驗室在完成計劃內教學、科研任務的前提下，利用現有師資、儀器設備等資源面向學生開放，為學生提供實踐學習和科學研究的條件。開放實驗不僅僅能提高實驗設備的使用率，還能極大提升參與學生的實踐能力和創新能力，與培養“新工科”人才要求的高素質、實踐能力強、創新能力強不謀而合。

3D打印技術是近年來發展迅速的先進制造技術之一，是集機械、電氣、材料等學科于一體的復合型技術。其特有的離散-堆積“增材成型”方式對比與傳統的減材成型，在物體造型、材料利用率等方面具有巨大的優勢。同時3D打印技術結合三維建模更容易激發學生的興趣拓展學生的創新能力，與新工科的要求精神高度契合，因而國內高校普遍比較重視3D打印實踐教學。在其教學模式上，大部分高校采用在“金工實習”中增加了3D打印實訓項目的方式，而有些高校則是在已開設“材料成形原理”等課程基礎上增開了3D打印選修課，還有部分學校將3D打印融入進鑄造教學中，取得了良好的教學效果。

二、開放實驗室形式分類

針對學生、教師和專業技術人員，我校3D打印室開放可以分為大致兩種模式，分別是按時間開放和按實驗內容開放。

（一）按時間開放

1、全天時開放，我校工程訓練中心的3D打印創新實驗室實行全天時開放。學生不

用受到時間的限制，可隨時進入實驗室進行實驗，增加了開放實驗項目的連貫性。但由于場地限制，創新實驗室內設備種類和數量有限，只能滿足少部分學生開放實驗的需求。

2、定時開放，由于我校3D打印實訓室承擔有大量教學任務，只有利用每周三下午和晚上教學空檔時間進行開放。實訓室內設備數量較多，可滿足大部分學生開放實驗的需求，但是開放時間有限，學生需要按照規定時間進入和離開實訓室。同時由于3D打印過程較慢，需要學生第二天在上課前取走打印完成的模型。

3、預約開放，對于一些價值較高、成型材料特殊的3D打印設備，如光固化3D打印機和金屬激光3D打印機，由于操作相對熔融沉積3D打印機較為復雜，需要提前網上預約，實驗室會根據預約人數及項目種類統一安排進行實驗室開放。

（二）按內容開放

1、課程內容開放，主要針對因故沒能在正常教學中完成實訓的學生，利用實驗室開放補做實訓內容，避免了學生重修帶來的不便。

2、競賽內容開放，我校3D打印實驗室采取的這種形式進行開放，主要針對大二以上年級學生，立足于一些競賽，如全國大學生工程訓練綜合能力競賽、“挑戰杯”全國大學生課外學術科技作品競賽、全國大學生機械創新設計大賽、互聯網+大學生創新創業大賽等。特別是在全國大學生工程訓練綜合能力競賽中，3D打印技術已是所有參賽選手必備的一項基本技能。我校參與競賽的學生無論專業無論年級都至少進行過一學期以上3D打印的開放實驗。在物料電控組、“8”字行組和“S”環組的競賽準備過程中，像軸承支座、前叉、滑輪支架、凸輪、繞線輪等精度要求不高的零件都是采用3D打印的方式制作的。

3、科研內容開放，這種主要是面向高年級本科生和部分教師。這種模式主要以教師為主，通過發布科研項目中的課題任務，吸納部分優秀學生加入科研小組，參與到科研項目中。以我校為例，我校金屬激光3D打印機承擔了部分模具和材料類的國家級科研任務，主要針對有相關課題項目的科研小組開放，教師帶隊指導學生一起完成科研任務。由于受設備有限、操作難度大、危險系數較高等各種條件的限制，難以對普通個體學生開放，覆蓋面較小，可作為實驗室開放的一種補充。

三、3D打印開放實驗室實施的必要條件

實驗室開放管理是一項系統的工作，是由教務處和實驗室管理中心協同管理。對于3D打印類的開放實驗和其他大類的開放實驗在實施上并無太大差別，需要學校針對不同科研、競賽項目進行嚴格的審查，以確保在資源有限的條件下，教學效果最大化。

（一）完善的規章制度

開放實驗的正常運轉必須要有一套完善的規章制度，既要保證開放期間學生的安全，又要保證設備在高強度的工作狀態下正常運轉。針對于上述情況，我們制定了相關的《開放實驗學生守則》、《開放實驗設備管理規定》和《開放實驗教師守則》等規章制度。同時對開放實驗實施過程中的實施細則和學生參與記錄都做了規范化。對于實驗室的安全，要求實驗室安全員每天結束之后認真檢查并填寫《實驗室安全日志》，切實保證安全第一的核心思想。

（二）學生的獎勵機制

為了鼓勵學生積極參加開放實驗，我校創新創業學院規定學生在校期間必須至少完成2個學分的開放實驗任務。學生一個學期完成一項開放實驗就可以完成2個學分的任務，對于在開放實驗期間參與競賽和科研項目獲得名次或發表論文取得成果的學生，追加2-4分創新創業學分并給與獎學金獎勵。對于有突出貢獻的學生，在研究生免推生的選拔中適當的予以加分傾斜。

（三）教師的激勵措施

開放型實驗室屬于大綱以外的教學，學生可能涉及到的知識遠遠超出課本以外，這就需要教師花費更多的時間和精力準備資料和指導學生。同時作為開放實驗期間學生安全的第一責任人，教師還肩負起了秩序管理者和實驗室安全員的責任，工作任務量遠超過一般的教學。同時鑒于大部分教師進行開放實驗是犧牲了自己的休息時間，為了調動教師的積極性，在教師開放實驗的待遇上應予以照顧，在涉及到課時補助的問題上標準應該高于一般的教學。對于在學校開放實驗中表現突出的項目，在其職稱評審上應予以加分。這樣才能夠調動他們的積極性和主動性，使他們有更多的精力投入開放實驗室的建設。

（四）資金的投入

資金是開放實驗室建設和發展的根本保障，包括耗材的購買，設備的維修以及指導教師的補助等。3D打印開放實驗是對資金依賴程度較高的開放實驗項目。對于融融沉積型3D打印機，主要耗材為PLA塑料。每人每周至少需要1kg左右耗材，質量較好的PLA材料價格大約為100元/kg，對于參與競賽項目的開放實驗材料要求更高，價格也就更高。而對于

選擇性激光熔化型金屬3D打印機，選用最便宜的304不銹鋼金屬粉，質量較好的金屬粉價格大約為200元/kg，其他合金粉價格會更高。同時設備加工中的氮氣消耗也是一筆不小的費用，所以對于金屬激光3D打印機不建議進行大批次的開放實驗。此外教師的課時補助也應納入到開放實驗的資金投入中。

四、3D打印開放實驗室的實施

（一）開放題目申報

（1）有相關科研項目的教師或自帶課題的學生經工程訓練中心3D打印教研室同意后上報實驗室管理中心和教務處備案，經審批可通過開放實驗室。（2）由3D打印教研室根據相關競賽統一設置開放題目，并向全校發布。

（二）參與開放實驗

（1）自帶課題的教師或學生團隊需要提前在教務平臺上預約開放時間、參與人數和需要使用的設備和材料，然后預約人需按照規定時間進入工程訓練中心進行3D打印實驗開放。（2）競賽類開放課題的學生需要按照通知的時間進入中心學習三維建模和3D打印類的基本技能。在統一學習后，學生可根據自己的時間無需預約自行進入3D打印創新實驗室進行相關內容的設計和研究。

（三）考核與評價

在學期結束時根據課題完成情況評出優良中差，并上報教務處進行備案。對于發表論文、在競賽中獲省級二等獎以上者追加創新創業學分，同時按學校規定給予獎學金獎勵，特殊貢獻者在研究生免試推薦選拔中給予加分。

五、總結

“新工科”強調將創新創業教育貫穿整個本科教育的過程中，以達到多維度、多層次、復合創新型人的培養目標[1]，3D打印作為今年來迅速發展起來的新興技術，具有很強的創新性和實踐性，用其作為“新工科”培養人才的工具，再合適不過。將3D打印和已趨于成熟的開放實驗兩者的結合，為學生提供了一個激發創作靈感、增強創新意識、提高實踐能力的平臺，是傳統教學思維向“新工科”思維轉型的一條有效途徑。

參考文獻：

[1]魏青松，李繼康，閆春澤，等.“新工科”下3D打印前沿學科三位一體多維度教學模式研究[J].實驗技術與管理，2020（9）：10-14.

[2]林卉，胡召玲，趙長勝，等.高校開放實驗室的建設與管理[J].實驗技術與管理，2010（3）：152-155.

[3]李英俊，孫淑琴，于世鈞，等.多種模式開放實驗室培養創新人才的探索與實踐[J].實驗室研究與探索，2007（3）：121-124.

作者簡介：

武振威 （1992-02-），男， 漢族， 河南鶴壁人， 助理實驗室 ， 學士 ，主要從事機械類實踐教學。