基于自組裝式3D打印機的工程訓練改革與實踐

羅樂樂 劉海明 邵雨虹 孫 鑫 楊創戰

（長安大學現代工程訓練中心，西安 710021）

隨著社會的發展以及科技的不斷進步，21世紀對于人才的要求與培養也在發生著變化，新一輪的科技革命正在興起。自2013年以來，從德國正式推出“工業4.0”到中國政府提出“中國制造2025”戰略[1]可以發現，世界各個國家與地區都針對前沿技術領域的先進制造技術展開了競爭。因此，具有高素質、復合型、創造性工程型人才的培養越來越受到全國各大高校的重視[2-3]。作為人才培養的搖籃，各高校也紛紛針對這一目標展開了改革，其中，工程訓練中心作為培養學生工程實踐能力的重要授課平臺，在提高學生將理論知識應用于工程實際的能力，加深學生對于專業知識的理解，提升學生創新思維的水平，完成由純機械制造、電子產品制造等單一學科的實訓到機械工程、信息技術、材料科學、控制工程等多學科交叉融合的綜合能力培養的教育方向的轉變中，發揮著不可替代的作用[4-5]。

1 實訓改革的目標

一直以來，工程實踐課程開設的目的是培養學生將理論知識和實踐操作相結合的能力，培養工科學生的專業素養。傳統的工程實訓項目均是以車、銑、鉗、鑄造、焊接和熱處理等相對簡單的機械加工工藝項目為主，然而隨著科學技術的發展，人們在生產中越來越多地使用到了一些現代加工工藝，如激光切割、線切割、數控車、數控銑等[6]。因此，為了拓寬學生視野，一些新的綜合類實訓項目顯得非常重要。

傳統教學模式中，教師講課、學生聽講，教師演示、學生機械地模仿，知其然不知其所以然，學生并沒有真正從實訓中收獲到知識，這也在一定程度上制約著工程訓練教學的發展。自2017年以來，在教育部倡導的“新工科”建設背景下[7-9]，針對當前工程訓練課程教學內容陳舊，教學模式單一，學生動手能力差、創新意識不足等問題，長安大學現代工程訓練中心開始轉變傳統的“填鴨式”教學模式。

因此，中心提出了一種“目標驅動式”的綜合創新實訓工程實訓——組建“機電創新實訓室”，并設置了相關實訓教學，旨在解決學生在實訓過程中動手能力的培養；實現了由純機械結構裝配到機電結構及軟件協調整體裝調的轉變，完美地將機械、電子、控制、材料等多學科前沿技術融合在一起，開闊了學生的視野，同時在裝調過程中培育了學生創新思維的能力[10]。

2 教學內容設計

為激發學生自主學習的興趣，培養學生的團隊合作意識，合理地設計實訓教學的內容就顯得尤為重要。實訓內容必須要緊貼學生課本所學知識，且難度適中，給學生自我發揮留有空間，讓每一位學生都參與其中，讓學生在實行過程中自己發現問題并且解決問題，最終完成綜合創新能力的提升。

為達到上述實訓目標，長安大學現代工程訓練中心嘗試將自組裝式3D打印機的裝配調試的教學實訓課程作為教改的實訓內容，期望組建培養學生創新能力的特色教學實踐體系。

2.1 實訓教學配置

為滿足本實訓教學課程的要求，長安大學現代工程訓練中心組建了機電創新實訓室，如圖1（a）所示，配備了30余臺由北京清大數電科技有限公司生產的自組裝式3D打印機，如圖1（b）、圖1（c）所示。考慮到本課程具有多學科交叉的特質，還配備了3名具備機械、電子等學科背景的實訓指導教師，同時還針對實訓內容編制了實訓指導書、PPT課件、實訓報告以及實訓室管理規定，這些都為實訓教學的開展提供了必要條件。

圖1 實訓教學硬件配置

2.2 實訓教學內容設計

以自組裝式3D打印機為載體的教學綜合創新實訓項目課程的教學目標不僅僅是使學生了解3D打印技術、設備、材料和軟件建模以及數據處理等內容，還要使學生了解3D打印機的結構，理解3D打印機各結構的工作原理，完成3D打印機各坐標軸的運動測試以及3D打印軟件（本項目中使用的是Repetier-Host）的打印參數調試工作。如圖2所示為本次本教學實訓課程基本流程圖。

由圖2可知，本教學項目的教學目標分為理論和實際操作兩大部分，在理論介紹部分，主要是需要讓學生了解工業制造領域的新型的制造技術——3D打印技術，了解這種技術對傳統制造生產模式所帶來的變革以及與互聯網的深度融合，是實現“中國制造2025”戰略的重要手段。

在學生動手操作階段，需要學生整體了解3D打印機的基本工作原理，根據3D打印機各組件功能的不同，將3D打印機劃分為機械類模塊與電子控制類模塊，其中，前者的主要功能是實現3D打印機一些基本的功能，如支撐結構、實現X、Y、Z三個坐標軸移動的機構等；后者的主要功能是實現3D打印機在各坐標軸步進電機的控制下定量的移動以及3D打印機擠出頭的溫度、打印絲材送料的控制等。

理解了3D打印機各模塊的功能之后，學生需要根據課堂所學的專業知識開始對3D打印機開始裝配與調試，分為機械零件的裝配與X、Y、Z三個坐標軸的運動調試兩個部分。通常情況下，裝配工作并不是一次就能完成，在裝配過程中，會出現各種各樣的問題，例如裝配公差問題，裝配過緊，容易致使3D打印機在工作過程中出現卡死等問題，裝配過松則容易導致3D打印機在工作過程中打印的模型出現較大的誤差。因此，在這個裝配過程中也可以鍛煉學生的實踐操作能力。

圖2 創新實踐流程圖

在三坐標軸運動調試階段，需要學生結合專業知識設計測試電路依次確定電控板上各引腳與步進電機接線一一對應的關系，以及各坐標軸內極限位置坐標的標定等工作。

檢驗階段，將學生調試好的3D打印機連接到計算機，向打印軟件Repetier-Host中導入三維模型，學生根據前面的理論學習設定好相關參數，獨立3D打印出零件。實訓指導教師根據整個實訓過程中操作規范程度、打印作品的精度以及實訓報告的完成情況，最終打分，作為創新實訓的綜合成績。

3 教學實訓與科技創新

當前，在全國大學生工程訓練綜合能力競賽、機械創新設計大賽、“互聯網+”等各類科技創新競賽中，通過“目標驅動型”的實訓方式不僅可以看到3D打印的作品，而且 也更貼合科技創新大賽的模式，這也激發了學生自主學習的興趣，培養了他們解決實際工程問題的能力，增強了他們的獨立創新意識與團隊合作的意識。同時，教育部組織各類科技競賽的初衷本身就是引導各高校摒棄只注重學生專業成績，忽視綜合能力培養的弊端。因此，本文所提到的這種綜合創新性的教學實訓不僅為科技競賽人才選拔提供了人才儲備，而且必將成為未來教育改革的重要發展 方向。

4 結語

工程訓練中心作為培養學生工程實踐能力的重要基地，在“新工科”建設背景下，通過構建目標驅動式的教學實訓課程，很好地將學生課本所學專業理論知識與工程實際相結合，開拓了學生的視野，加深了學生對于專業知識的理解，激發了學生自主學習的興趣，同時也培養了學生在工程實際中發現問題、分析問題、解決問題的能力，增強了學生的創新意識，鍛煉了學生的動手能力，豐富了學生的課余生活，也為學生日后的研究生學習奠定了良好的基礎，為學校培養創新型人才提供了新思路。