工程教育認證背景下3D打印技術課程改革與創新*

摘" 要" 為滿足工程教育專業認證基本要求，針對傳統教學中的不足進行改革，實現教與學與時俱進。結合浙江海洋大學機械設計制造及其自動化專業工程認證中的教學實踐，闡述3D打印技術在實驗室建設、實踐環節、創新能力培養等方面的應用和探索，在激發學生熱情、提高教學質量、促進專業建設等方面取得一定的實踐成效。

關鍵詞" 機械設計制造及其自動化；工程教育；3D打印技術；實踐教學

中圖分類號：G642.0" " 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）23-0150-04

0" 引言

3D打印技術，又稱增材制造技術，是一種對傳統制造業具有顛覆意義的技術，是對傳統制造加工原理的根本性創新。近年來隨著3D打印技術的不斷發展，其在世界范圍內受關注的程度越來越高。我國政府為了促進3D打印技術研發和產業化，也出臺了相關政策，如《增材制造產業發展行動計劃（2017—2020年）》中指出要加快推進增材制造（又稱3D打印）產業的戰略部署，推動增材制造在創新教育等領域規模化應用，推廣“3D打印+創新教育”[1]。

通過這一系列的政策引導，在社會各界共同努力下，我國增材制造關鍵技術不斷突破，裝備性能顯著提升，應用領域日益拓展，生態體系初步形成，涌現出一批具有一定競爭力的骨干企業，形成若干產業集聚區，實現了快速發展。但是在行業快速成長的同時，人才建設的短板成為產業更上層樓的重要阻礙。教育部、人力資源社會保障部、工業和信息化部2016年12月發布的《制造業人才發展規劃指南》顯示：中國制造業十大重點領域2020年的人才缺口超過1 900萬人，2025年這個數字將接近3 000萬人[2]。而且，隨著企業自動化程度不斷提升，對技能人才的要求也越來越高。針對這一突出問題，國內部分高校正積極開展3D打印系列實踐教學工作的初步改革與實踐探索，甚至設置了3D打印本科專業。

浙江海洋大學機械工程學科按照“海洋特色、區域特色、與時俱進、國際化”的辦學定位，堅持省屬地方區域性海洋高校機械專業人才培養特色，根據工程認證基本要求，實施以生為本、OBE（Out-come based education）為目標導向的工程教育認證培養模式改革，學校機械設計制造及其自動化專業于2020年通過國家工程教育認證。浙江海洋大學結合自身教育資源，針對機械設計制造及其自動化專業，開設了3D打印技術課程。為滿足新時期產業發展需求，實現教與學的與時俱進，浙江海洋大學以強化學生工程應用和創新能力培養為主線，在激發學生熱情、提高教學質量、促進專業建設等方面取得一定的實踐成效，為同類院校和同專業其他課程滿足當前形勢要求下的課程標準建設提供借鑒。

1" 當前實踐教學中存在的問題

1.1" 缺乏3D打印的學習實踐平臺

學習實踐平臺建設是學科發展的基礎。部分院校經費較緊張，實驗設備長期落后，而3D打印設備種類繁多，部分設備又較為昂貴，很多學校無力引進各類3D打印設備，組建3D打印技術學習實踐平臺。同時，師資隊伍多為專職教師，缺少企業實際經驗，對3D打印技術的講解僅停留在理論上，往往通過口述或PPT演示的方法進行講解，缺乏實際應用，更沒有辦法提供實際指引。這就導致學生難以真正了解設備的組成及其運行情況，普遍缺乏實際操作經驗。

1.2" 學生運用3D技術進行創新設計的能力較弱

在傳統教學過程中，教師先進行理論知識的講解與操作示范，然后讓學生進行練習操作，操作的模型一般都是教師事先準備好的，常以建筑、動物、機械結構等為對象，打印過程一般以三至四人為一個小組打印模型[3]。這種教師一步步教、學生一步步學的“師傅帶徒弟”的教學方法，只能讓學生熟悉3D打印設備的操作過程，難以讓學生深入體會3D打印技術的優勢，不利于提升學生自主動手的創新設計能力。

1.3" 學生學習興趣容易減退

興趣是支持學生繼續前進的動力，對學習有著極大的促進作用。3D打印技術上手容易精通難，傳統的教學方法無法很好地培養學生創新設計的興趣和意識，導致很多學生剛開始對3D打印技術很感興趣，但后來慢慢感到枯燥乏味，不想繼續深入了解3D打印技術，從而使得學生在實踐學習之后并沒有真正掌握應該具備的技能。

1.4" 缺乏系統性的評價標準

一個學科的發展離不開一套成熟的系統性的評價標準。系統性的評價標準不僅能讓教師更好地去評判一個學生的課程學習情況，也能激發學生的積極性與創造性[4]。3D打印技術課程的傳統評價一般是以學生平時上課的表現和最后打印模型的質量為標準，而模型的單一化，操作過程的機械化，使得教師難以激發學生的創造性，學生無法自主發揮創造性，深入運用3D打印技術，因而導致教師難以全面客觀地去評價一個學生，一定程度上影響了學生學習的積極性。

2" 針對當前存在的問題的改革思路與做法

在社會對3D打印人才的巨大需求下，為強化學生工程應用和創新能力，浙江海洋大學機械設計制造及其自動化專業結合自身教育資源，開設3D打印技術課程，并在長期實踐過程中對3D打印技術課程教學中存在的問題提出相關改革對策，具體改革思路如圖1所示。

2.1" 加強基礎設備建設

以強化學生工程應用能力的培養為主線，加強校內實驗實踐條件建設，為人才培養奠定基礎保障。對此，本專業近五年通過中央財政支持和省重點實驗室改革項目建設三個3D打印實驗室，配備了各類3D打印機，有非金屬類的FDM塑料3D打印機、SLA液體樹脂3D打印機和陶泥3D打印機，以及金屬類的WAAM電弧3D打印機和SLM粉末床激光3D打印機等（圖2），設備種類較齊全，完善了3D打印實驗平臺。

但也有很多院校經費有限，難以購買大批量的3D打印設備和昂貴的工業3D打印機。針對3D打印設備臺套數不夠、大型工業級3D打印機價格昂貴的問題，一方面可以將實驗室已有的機械手臂等移動裝置改造為3D打印設備，如圖3所示。僅需購買打印噴頭組件即可，利用機械臂作為移動機構，夾持打印組件進行打印，充分利用實驗室現有的設備也能吸引學生，提高學生對3D打印技術的興趣，鼓勵他們運用3D打印技術，培養他們的動手能力。另一方面可以通過開源圖紙和程序，自行設計開發桌面3D打印設備，供學生動手拆解組裝，如圖4所示。該臺設備的大部分支撐件采用3D打印機打印完成，讓學生通過團隊合作完成這臺設備的制作和組裝，實現3D打印機的“自我復制”，不僅能讓學生更好地了解3D打印設備的組成，明白每個零部件在打印過程中的運行情況、功能，還能解決3D打印機數量不足的問題。

2.2" 注重學生創新創業能力培養

當前，3D打印技術對競賽的促進作用越來越凸顯，學生參加競賽過程中經常需要加工一些零件，采用傳統的加工方法制造零件需要耗費大量的時間，而3D打印技術具有快速成型的優勢，將3D打印應用于學生競賽中，不僅能提高作品制作效率、減少成本，還可以使結構復雜的作品變得簡單化。積極指導學生參加各類大學生競賽活動是培養學生創新思維能力的重要一環，讓學生在學習3D打印技術課程的同時積極參加競賽，還能以賽促教、以賽促學，從而提高教學質量、促進專業建設。

為強化學生創新創業能力培養，本學科制定了相關政策并提供資金資助學生參加各類大學生競賽活動，如大學生工程訓練綜合能力競賽、大學生機械創新設計大賽、“互聯網+”大學生創新創業大賽、“挑戰杯”大學生課外學術科技作品競賽等課外實踐活動；同時對參與競賽的學生實行導師制，積極聘請企業導師指導學生創業訓練和實踐，學院還定期組織項目指導教師之間的交流。3D打印技術對參賽作品在結構和功能上大膽升級改造提供了保障，助力學生在第九屆全國大學生機械創新設計大賽上榮獲全國一等獎。

2.3nbsp; 創設教學情境，提高學生興趣

要想充分調動學生學習的積極性與創新性，讓學生感興趣是最好的源動力。在教師完成理論知識講解與操作示范后，可將傳統的綜合型實驗改為創新型實驗，給學生創設一個有趣味、有意義的主題，讓學生圍繞該主題展開相關設計與制作，取代打印傳統的動物、建筑、玩偶等3D模型。授課教師通過挖掘學生的興趣所在，激發學生的動力，給學生帶來成就感。如“雞蛋跌落防護實驗”，讓學生自行設計各類保護雞蛋的結構并運用3D打印技術打印出來，最終通過比賽的形式點燃學生的好勝心，如圖5所示。再如“學校紀念品設計打印實驗”，讓學生設計并打印一款能代表學校的紀念品，通過加入校園美景、典型建筑、校徽等特色，打印出的紀念品具有代表性和獨特性，能讓人感受到紀念意義，如圖6所示。

通過這些創新主題的設定來提高學生獨立思維能力與動手能力，讓他們充分理解3D打印技術的相關理念，深入了解該技術的特點并通過該技術將自己的奇思妙想變成實物。

2.4" 以產出為導向，量化評價指標

遵循工程教育認證中產出導向的思想原則，重點是學生掌握了多少知識，而不是教師教了多少知識[5]。將工程教育專業認證的指導思想真正落實到課程改革上，傳統的書面測試和考試的方式并不適合3D打印課程評價，需要重新設計考核方式，過程性評價和結果性評價相結合，側重對學生應用能力考核，成績評定向綜合性轉變，通過比賽、優秀作品展示等方式對學生的學習成果進行評價。

在“雞蛋跌落防護實驗”中，學生展現了豐富的想象力，設計了不同形狀的保護結構。有學生結合本次新冠疫情，設計了病毒形狀的保護結構，打印出實物后，發現防撞效果很好，如圖7a、b所示。在“學校紀念品設計打印實驗”中，學生設計開發的3D打印月亮燈、風景臺燈等產品精美漂亮，并入選浙江海洋大學校名產品，如圖7c、d所示，作為校園文創產品來提升學校品牌影響力。這些成果性的產出體現出學生能力的提高，以及教學改革的良好成效。

3" 教學改革成效

通過教學改革的實施，學生對3D打印技術課程的滿意度評價很好，學校專家及同行反饋均良好。教學改革主要取得以下成效。

1）通過理論教學與實際操作，使本專業學生充分掌握了3D打印機的基本結構特點及其工作原理，掌握了相關參數設置，可自主解決一些打印過程中出現的問題，具備了一定的綜合應用能力。

2）通過采用創新主題實驗的方式，培養了學生團結協作的能力，促使小組成員之間互相溝通、交流，增強學生獨立思考解決問題的能力，激發他們的創新精神；同時培養學生在設計打印過程中充分運用理論力學、材料力學、工程圖學等相關知識，響應了國家建設新工科的號召。

3）人才培養及教學方法改革成效顯著，為本專業開展校內外人才培養、教育教學奠定了重要基礎，也為畢業生了解并進入企業奠定了非常好的前期學習交流基礎。

4" 結束語

隨著工程教育專業認證工作的開展，基于認證理念的課程教學改革勢在必行。3D打印技術課程依照成果導向、以學生為本、持續改進的工程教育認證基本理念進行改革，通過對課程內容及評價方式進行創新，將打印傳統簡單模型改為讓學生自行設計模型去打印，將評價標準由模型質量改為解決問題的能力。通過對課程的改革創新，不僅增強了學生參與課程的積極性，培養了學生的動手能力和創新能力，而且實現了多學科的交叉，引導學生把所學知識學以致用，讓知識真正“活”起來，為培養工程技術新人才奠定堅實的基礎。

參考文獻

[1] 劉衛東，林翠青.智能制造背景下基于增材制造技術的高職機電類專業創新教育研究[J].發明與創新（職業教育），2019（6）：24-25.

[2] 錢麗娜，朱耘.缺口近3000萬人，先進制造業如何吸引人才回流？[J].商學院，2022（6）：59-62.

[3] 李培.高職院校3D打印實訓課程教學改革探究[J].農家參謀，2020（20）：203，233.

[4] 安芬菊.3D打印實踐教學改革研究[J].輕工科技，2020，36（10）：194-195.

[5] 孫宇丹，劉強，曹豐慧，等.基于工程教育認證的“嵌入式系統”課程改革與探索[J].工業和信息化教育，2019，80（8）：38-43.

*項目來源：2021年浙江海洋大學研究生教育質量系列工程項目（110410641210）。

作者：鄭余琦，浙江海洋大學，助教，研究方向為思政和教學研究；石學智，通信作者，浙江海洋大學，博士，碩士生導師，研究方向為3D打印技術（316022）。