3D打印技術在增殖工程與海洋牧場實驗教學中的應用

盛化香　唐衍力　黃六一　溫海深

[摘 要]文章針對增殖工程與海洋牧場實驗教學中存在的問題，結合課堂教學與實踐經驗，提出引進3D打印技術改革實驗教學的新思路。文章首先介紹3D打印技術的原理和特點，然后圍繞3D打印技術與材料、教學內容、教學方式和考核形式等方面進行探討與創新，建立以學生為中心，從人工魚礁模型設計到3D打印制造再到模型進一步優化的綜合實驗教學模式。實踐表明，3D打印技術的應用可以激發學生的學習主動性，提高學生的空間想象能力，提高學生分析問題、解決問題的能力，進而提高本課程的綜合教學效果。

[關鍵詞]3D打印技術;實驗教學;人工魚礁;海洋牧場

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2021）06-0074-03

增殖工程與海洋牧場是海洋漁業科學與技術專業的必修課，也是水產養殖專業和海洋資源與環境專業的選修課。其內容主要依據人工魚礁的集魚機理，著力闡述和介紹人工魚礁材料的種類和性能、人工魚礁區的本底調查與選址、礁體結構與水動力學特性、人工魚礁的工程設計和結構優化，以及人工魚礁生物附著和增殖效果評價等內容，是一門理論與實踐緊密結合的專業課。其要求學生既要具備一定的工程學方面的基礎理論，也需要掌握一定的生物學和魚類學知識。

增殖工程與海洋牧場實驗教學是本課程的重要組成部分，要求學生設計、制作人工魚礁模型，并結合水阻力實驗、流場實驗以及魚類誘集實驗來評價模型性能，并進一步優化模型。傳統教學中存在的問題有以下幾個方面。1.人工魚礁模型制作是由教師指定形狀與結構，然后由學生手工切割有機玻璃板，通過電鉆進行打孔，再進行黏合制作。整個過程費時費力，制作的魚礁模型結構簡單、精度較低，無法培養學生的創新性。2.傳統實驗教學模式是教師向學生講授實驗原理、操作步驟和注意事項，學生按部就班地完成實驗任務。這種被動式的學習，無法激發學生的興趣和創新能動性。3.魚礁模型制作精度不高，后續水阻力實驗、流場實驗和生物誘集實驗也受影響，無法達到優化的目的。4.考核方式簡單，沒有綜合考慮其他因素，無法調動學生學習的積極性。5.實驗教學效果不好，沒有調動學生的創新主動性，沒有提高學生分析問題和解決問題的能力，不利于培養學生的綜合素質[1]。

3D打印技術，又名增材制造（additive manufacturing，AM）技術，作為一種新興技術，其在高校創新教育領域中的應用也備受重視。中國工業和信息化部于2017年12月發布的《增材制造產業發展行動計劃（2017-2020年）》明確指出，要實施學校增材制造技術普及工程，鼓勵增材制造技術在教育領域推廣，配置增材制造設備及教學軟件，開設增材制造知識培訓課程，建立增材制造實驗室，培養學生創新設計的興趣、愛好、意識。美國、英國等國的相關部門很早就開展針對3D打印技術的試驗項目，將3D打印技術應用到工程技術等相關課程中，探索3D打印技術的教學應用，推動教學創新，激發學生對工程、設計和科學相關課程的興趣，培養工程人才 [2-3]。本文通過將3D打印技術應用于增殖工程與海洋牧場實驗教學中，探討適合本課程的打印技術和材料，優化教學內容，改進教學方式，完善考核程序，以提高教學質量和教學效果。

一、3D打印技術簡介

3D打印技術是一項發源于20世紀80年代集機械、計算機、數控和材料于一體的先進制造技術[4]，其基本原理是根據三維實體零件經切片處理獲得的二維截面信息，以點、線或面作為基本單元進行逐層堆積制造，最終獲得實體零件或模型[5]。增材制造區別于傳統的減材（如切削加工）和等材（如鍛造）制造方法，是在計算機的控制下，逐層堆積或固化材料，最終制造出立體工件，可以實現傳統方法無法或很難達到的復雜結構零件的制造，具有智能化、定制化、生態化和高效快速等特點[6]，已廣泛應用于食品、服裝、家具、醫療、建筑、教育等領域[7]。

3D打印的制造技術根據打印原理和材料的不同可以分為幾類：熔融沉積成型（Fused Deposition Modeling，FDM）、光固化成型技術（Stereo Lithography Apparatus，SLA）、選擇性激光燒結（Selecting Laser Sintering，SLS）、數字化光處理（Digital Light Processing，DLP）、三維噴涂黏結（Three Dimensional Printing and Gluing，3DPG）、3D噴墨技術（Ployjet）技術等， 其在打印的材料、精度、速度等方面存在不同特點[8]。

二、3D打印技術在本實驗教學中的應用

（一）選擇3D打印技術與耗材

熔融沉積成型（FDM）是目前比較成熟的3D打印技術，以各種絲材作為原料，通過電加熱的方式將絲材在噴頭內加熱到橡膠態，噴頭在計算機的控制下作平面運動，根據分層數據，將熔融的絲材從噴頭中擠出涂覆在工作臺上，熔融的絲材料冷卻固化后形成打印件的一個薄層截面。當一層固化結束后，噴頭向上移動一層的高度，繼續按照分層數據進行該層的涂覆，如此重復直至零件全部堆疊完成。FDM技術被廣泛用于產品設計開發過程中的模型制作上，其原材料主要是生產級別熱塑性絲狀塑料，成型件的力學性能相當于工程塑料或者蠟模，具有優秀的機械、耐熱性和化學強度，可用于制造蠟模、塑料零件、模型或者產品樣件等[9]。

丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料（ABS）和聚乳酸（PLA ）是FDM 技術最常用的耗材，因價格便宜而十分普及。ABS 是常見的工程塑料，具有較好的機械性能，但3D打印條件要求苛刻，在打印過程中容易翹曲變形，且易產生刺激性氣味。PLA 是可降解環保塑料，打印性能較好，是一種較為理想的3D打印熱塑性聚合物，已廣泛應用于教育、醫療、建筑、模具設計等行業[5]。

實踐證明，使用PLA打印的模型，拉伸變形均勻，具有良好的力學性能[10]。在保證3D打印力學性能的情況下，可以設置填充率為20%～40%，且為同心線填充，進行FDM工藝成型，這樣既節省材料、時間和費用，又能得到較好的成型模型[11]。在增殖工程與海洋牧場實驗教學中，3D打印技術選擇FDM，材料選擇PLA，可以很好地制作人工魚礁模型，能夠滿足水動力學實驗，符合實驗教學的要求。

（二）改革教學內容

在增殖工程與海洋牧場傳統實驗教學中，學生以有機玻璃作為材料，利用勾刀進行切割，再利用臺式鉆機進行打孔，最后進行粘合成魚礁模型。由于材料和工具的限制，學生制作的人工魚礁模型形狀和結構比較固定和單一，可選擇的空間很小，而且制作出來的模型精度較低，且費時費力，局限性較大。學生在整個實驗過程中是被動學習，積極性不高，導致實驗教學效果較差。

3D打印技術操作簡單，對于實驗室環境條件要求較低，可實現快速、精細地打印人工魚礁模型。通過3D打印技術，可將設計的人工魚礁模型的外觀和結構進行快速的實體呈現，以方便進行結構確認、功能驗證、后續優化等相關實驗。

教師可以在實驗教學中應用3D打印技術，開展教學活動，引導學生學習與了解3D打印的基本原理和基礎知識，讓學生掌握三維模型的創建和Cura 15切片軟件的使用，讓學生熟悉3D打印機的操作步驟，利用專業知識設計人工魚礁模型，最終打印出自己設計的人工魚礁模型。

在教學活動中，3D打印過程分為5個步驟：設計、建模、格式轉換、打印和后處理[12-13]。1.設計：根據實驗目的和要求，利用已學專業知識，設計出具有良好水動力性能和生物性能的人工魚礁模型。2.建模：在計算機上，使用Solidworks、AutoCAD等三維建模軟件把設計好的人工魚礁模型繪制出來，或者利用三維掃描儀對已有的實驗模型進行掃描，直接生成三維模型數據。3.格式轉換：將三維模型轉化為STL格式文件，使用Cura 15進行切片將生成Gcode代碼，期間可以設置分層厚度為350μm、噴頭溫度為210℃、打印速度為70mm/s時，3D打印模型在垂直層面方向可以得到較高的壓縮力學性能[14]。4.打印：將Gcode代碼載入3D打印機進行打印。在打印區域內，噴頭沿著由Gcode代碼給出的圖層數據，進行一層一層由下到上的打印。打印時間由工件大小、打印方式、材料、精度決定。5.后處理：打印后的工件會存在多余支撐、毛刺等問題，需要進行清潔和打磨，打磨后可使工件達到精度的要求，從而完成工件。

3D打印機制做出的人工魚礁模型，憑借其較好的整體性和較高的精度，可以結合后續的水阻力實驗、流場實驗以及魚類誘集實驗等實驗，獲取相關實驗參數。通過使用層次分析法對相關實驗參數進行權重分析，以此來綜合評估人工魚礁模型的水動力性能和生物學性能。通過對比分析不同魚礁模型的優缺點，可以優化人工魚礁模型性能，進一步設計更好的魚礁模型。3D打印技術為人工魚礁的設計、創新和優化提供了方便、快捷、精確的手段。

（三）改善教學方式

海洋漁業科學與技術專業的學生，都修過漁業工程CAD課程，具備很好的圖形設計與繪圖能力。為此，可以讓學生自行分組，一般4～5人為一組，要求學生利用增殖工程與海洋牧場教學課堂中學習到的理論知識，以及相關的生物學和流體力學等專業知識來設計魚礁模型，如魚礁模型的結構、水動力性能（水阻力、流場效應）以及對魚類誘集效果等，發揮學生的創新能力。課程要求每人均要完成1個魚礁模型的設計與3D圖形繪制，這樣可以保證每一位學生都參與到設計與繪制的過程當中，充分調動學生的積極性，避免有些學生只是在一旁觀望的現象。

小組每個成員在完成各自的模型設計與繪制之后，由小組成員和指導教師一起對魚礁模型進行點評討論，選出最優模型，直接在課堂上通過3D打印機打印出來，以備后續實驗使用。學生在運用專業知識來設計與創作魚礁模型就是理論知識的實踐化，這進一步提高了學生的創新能力。這種小組合作的方式增加了學生間的溝通，在點評討論小組的最優魚礁模型中引入了學生間的競爭，這種方式不僅彌補了個人設計的缺陷，還激發了學生創作的熱情。

（四）改變考核形式

實驗結束時，學生要完成人工魚礁模型設計、優化的實驗報告書，包括設計圖紙、說明書、模型優化參數等。由指導教師評定成績，成績以百分制記分，考核內容包括：1.人工魚礁模型結構形式、幾何形狀的合理性，圖紙的展示效果;2.教師評價，通過問答考核學生對設計理論的熟悉程度，對設計過程的掌握程度;3.學生小組間互評和學生小組內自評;4.檢查3D打印機打印人工魚礁模型的過程和質量;5.檢查人工魚礁模型后續實驗數據;6.檢查人工魚礁模型的水動力性能及生物性能，并查看優化參數及建議;7.考核實驗報告是否符合要求。指導教師對每一部分分別進行評分，最后以每一部分的分數之和作為綜合實驗成績。

三、教學實踐應用及效果

增殖工程與海洋牧場實驗教學要求學生系統掌握人工魚礁的功能、結構組成、水動力性能、流場分布及集魚效果等，從而形成專業的海洋工程思維意識、模型效果分析基本能力。實踐證明，將3D打印技術應用到增殖工程與海洋牧場實驗教學中，能夠讓學生受益匪淺，大大提高了實驗效果。

1.將3D打印技術應用到增殖工程與海洋牧場實驗教學中，能讓學生掌握行業前沿技術的發展和應用。3D打印技術綜合了數字建模技術、三維掃描技術、機電控制技術、信息技術、材料科學與化學等諸多方面的前沿技術知識，具有很高的科技含量[4]。將3D打印技術應用到增殖工程與海洋牧場實驗教學中，不僅可以讓學生掌握3D打印技術，還可以讓學生及時掌握行業前沿技術的發展和應用，從而拓寬學生的視野、提高學生的學習興趣。

2.提高學生的專業實踐能力。3D打印技術的實驗教學，能夠讓學生將所學的專業理論知識與實踐相結合，讓學生將專業設計理念和模型制作快速地融會貫通，將設計方案迅速地轉化成現實的實物。學生通過完成一個魚礁模型的設計與制作，并結合后續的相關實驗，可對模型設計的相關參數進行評估與優化，這能提高學生的專業實踐能力。

3.培養學生的綜合創新能力。3D打印技術不僅解放了學生的雙手，開闊了學生的視野，拓寬了學生的思維空間，調動了學生學習的主動性，而且提高了學生分析問題、解決問題的能力，強化了課堂互動效果，鍛煉了學生的動手能力和綜合創新能力，達到了本課程設置的學習效果與意義。

四、結語

教育信息化和教育裝備現代化是教育現代化的兩大重要支柱。3D 打印技術教育既關聯著教育裝備建設，又關聯著教育信息化的推進，是教育信息化和教育裝備建設相互結合的典型代表，也是未來教育的發展方向[15]。3D打印技術教學與增殖工程與海洋牧場實驗教學相結合，能夠讓學生對創新設計、數字建模、3D打印制作和人工魚礁模型優化設計等過程有更全面的學習和認識，也取得了很好的教學效果。

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[責任編輯：陳 明]