基于CDIO工程教育模式的3D打印實踐教學

李 辰，孫 竹，馬可欣，舒 睿，李 娜，劉永輝

(中國海洋大學工程訓練中心，山東青島，266100)

一、3D打印技術

3D打印技術因其直接、快速成型的特點，又被稱為增材制造技術或快速成型技術。作為一種先進的制造技術，它是機械、材料、控制等多個學科融合的結晶。[1]該技術直接采用三維數字模型進行驅動，同時利用層內材料的分布與層間材料的堆積，快速成型出任意復雜結構的三維實體，不需要傳統的刀具、夾具的輔助，使得設計和制造過程更加快速靈活，實現了既快又好又省的敏捷制造。[2]3D打印技術誕生于20世紀80年代后期，而在短短幾十年的發展中，3D打印技術已經滲透到生產生活的方方面面，并在制造加工領域成功地將傳統復雜的生產工藝簡單化，同時有望突破制造在材料方面的瓶頸，將材料領域的疑難問題予以程序化、工程化解決。目前，3D打印技術作為第四次工業革命的標志性技術之一，早已是世界范圍內的一項研究熱點，獲得了各個領域的矚目，尤其在機械制造、醫療行業、航空航天和教育等領域，其應用最為廣泛、發展最為成熟。隨著未來市場的不斷發展、3D打印技術的不斷成熟及新材料的不斷涌現，3D打印技術極有可能成為提升企業核心競爭力的重要因素?！叭甑牡炔闹圃?，三百年的減材制造，三十年的增材制造”[3]，是胡慶夕對人類發展史上制造工業的基本呈現方式的精辟總結，他將3D打印技術作為制造方式之一與減材制造并列提出，足以凸顯3D打印技術的重要地位。

二、3D打印實踐教學

(一)3D打印實踐課程

隨著3D打印技術在教育領域的迅猛發展，其對學生創新精神、創造能力的培養作用越來越明顯，很多高校逐步開設了3D打印技術實踐教學課程。中國海洋大學工程訓練中心(以下簡稱工程訓練中心)也開展了3D打印實訓課程，按照學校教學要求，3D打印實訓課程需要配備完善的軟硬件設施，中心配置了CAD/CAM實訓室和3D打印實訓室。其中，CAD/CAM實訓室共配置30臺電腦，用于模型的三維設計，配備的三維軟件為SolidWorks。3D打印實訓室用于模型的切片以及打印，引進了FDM 3D打印機40臺、SLA 3D打印機2臺、三維掃描儀1臺以及計算機30臺。為了呈現更好的授課效果，CAD/CAM實訓室和3D打印實訓室各配置了多媒體教學投影設備一套。教師可通過“數字化模型設計”和“3D打印”相結合的方式組織實踐教學。

(二)3D打印實踐教學存在的主要問題

然而，實踐過程卻存在著學生對實踐教學本質認識不深刻的情況。實踐教學和理論教學存在本質區別，實踐教學側重于理論知識的鞏固提升，鍛煉學生的動手操作能力，在實踐過程中深化對課上理論知識的認知，是由實踐到認識的一個深化過程，啟發學生在實踐過程中用理論聯系實際，激發學生的積極性和主動性，不斷增強學生的實踐操作能力，提高工程素養和創新精神。但是，3D打印的實踐教學過程卻普遍存在強調知識學習而輕視開拓創新能力培養的問題，具體如下。

1.學生在設計環節參與程度低

3D打印作為可實現每個人的設計創意的工具，其理論教學固然重要，但更為重要的是在三維設計環節的數字化建模過程，這是每名學生不同創造力的表現方式，對學生創造精神的培育、創新能力的提升具有重大意義。3D打印技術因其敏捷、靈活的制造形式，成為連接創新設計和實際的重要橋梁，一旦缺失了設計環節，這種橋梁作用便無從談起。

2.教學模式單一

實踐教學過程基本沿用了課堂授課的模式，教師一步步教，學生一步步操作，整個過程過于程式化，并且對不同專業的學生也采用千篇一律的教學方法，沒有“因專業施教”，無法調動學生的積極性和主動性，學生的參與程度不高。這嚴重降低了對學生創造精神和創新能力的培養效果。

3.實訓時間分配不合理

3D打印之所以被稱為快速成型，是因為它和傳統加工方式相比，極大地提高了制造效率?？墒?，相比學生1—2天的實習時間，動輒3—4小時的打印時間，還是過于漫長。因此，實訓過程常常出現在等待3D打印完成的時候學生無所事事的情況。

模擬葡萄酒培養基：每100 mL蒸餾水加入1 mL的SO2，酵母膏0.35 g，酒石酸3 g，葡萄汁20 mL，蘋果酸3 g，檸檬酸0.5 g，配制完成后以121℃高壓濕熱滅菌15 min。

三、基于CDIO模式的3D打印實踐教學

(一)CDIO工程教育模式

CDIO(conceiving-designing-implementing-operation，即構思—設計—實現—運行)教育模式，創立于2004年，是當前國際工程教育改革發展的重要成果。該教育模式是在瓦倫堡基金會近2000萬美元巨額資助下，由包含瑞典皇家工學院和麻省理工學院在內的四所國際頂級工科高校歷經四年時間，共同探索創建而成的。它涵蓋了四個不同的能力層次，總結出12條操作性強適應性廣的標準(見表1)，這12條標準對整個模式的施行和驗證做了全方位的指引。[5]CDIO教育模式可以實現理論與實踐的有效結合，這個過程既注重工程基礎能力的提升，又重視綜合創新精神的培養，而且可以實現個人能力和團隊協作能力的共同提升。CDIO工程教育模式以學生為中心，旨在通過系統的培養模式全方位提升學生的能力，從構思到運行為整個周期，可以讓學生在全周期里，通過主動探究、操作實踐、有機融合的方式來了解和認識工程。

表1 CDIO能力大綱一覽表[5]

CDIO工程教育模式一經創立，就引起了眾多國內、國外大學的關注，多所世界頂級高校陸續加入其中，代表了當代工程教育的發展趨勢。CDIO模式自2005年引入我國以來，其所倡導的理念迅速得到了政府部門、高校及工業部門的高度評價，對走出當前工程教育重理論輕實踐、強調個人專業能力而忽視團隊合作精神、注重專業知識掌握而輕視開拓創新能力培養的困境，及培養卓越工程師，具有重要的指導作用。我國現已陸續確定兩批CDIO試點高校和試點專業，為CDIO工程教育模式在國內的推廣夯實了基礎。[6]

隨著中國制造2025和新工科建設的提出，我國將全面推進制造強國，并打造卓越工程師，其中，實踐教學作為理論聯系實際、培養學生掌握科學方法和提高實踐能力的重要手段，是解決我國當前教育需求問題的利刃。創新是發展的原動力，要想培養有創新能力的復合型人才，就需要理論與實踐的密切結合。3D打印技術是把數字化設計與現實連接起來的紐帶，把創新創造具象化，其重要意義不言而喻。以CDIO工程教育模式作為指導思想，以四階段構建的3D打印實踐教學課程，可以提高師生的綜合能力，提升實踐教學效果。[5]

(二)基于CDIO模式的實踐教學環節

基于CDIO教學模式理念，課程組構建了3D打印實踐教學環節，如圖1所示。

圖1 3D打印實踐教學課程環節

以下以3D打印與紅色教育為例，闡述CDIO工程教育模式在3D打印實踐教學中的應用過程。

第一階段：構思

針對不同專業的學生，指導教師根據專業知識和當前社會問題確定課程主題。然后進行學生分組，每個小組作為一個團體，小組成員根據主題內容在組內頭腦風暴，各抒己見，從創新性、可行性等方面陳述自己的設計方案，最終確定一個最佳方案作為整個團隊的設計創意。

第二階段：設計

根據第一階段確定好的方案，學生在CAD實訓室的計算機上，利用三維設計軟件SolidWorks、Proe等，完成構思方案的數字化建模。并非所有的三維模型都可以打印，還需要實現三維模型之間的數據轉換，以滿足3D打印對模型格式的要求，STL格式是CAD/CAM系統接口文件格式的工業標準，是3D打印機通用的標準文件格式。同時，要滿足對模型文件的檢查與修復，包括對完整性、整體性、正法線方向等方面的要求。

第三階段：實施

指導教師講解切片軟件的原理及ideaMaker和Modelight兩款軟件的切片方法。學生對設計好的三維模型進行切片，以小組為單位，從打印時間、耗材、經濟型、打印質量、強度等方面綜合考慮，討論選用合適的切片軟件參數。切片結束后，指導教師會針對不同類型打印機講解3D打印機的操作方法，學生在打印過程中及時對比打印效果，加深對不同參數包括填充度、填充樣式、支撐形式等的理解，實現操作的內化。

第四階段：運作

以小組為單位展示作品，介紹作品的創意、小組合作的獲得與感悟、成功經驗與失敗教訓。小組展示完畢后，小組之間可以互評，互相借鑒，共同進步。指導教師根據作品的完整度及學生在整個過程中的參與度等方面對小組成員進行評定。

(三)基于CDIO模式的實踐教學過程

課程以工程學院工業設計專業30名學生的實踐過程為研究對象，將學生分為6個小組，每個小組5名學生，由小組成員選出1名組長。依照設置的3D打印實訓教學課程教授環節，將整個實訓過程劃分為四個教學環節，即構思階段、設計階段、實施階段、運行階段。在構思階段，學生根據指導教師確定的“紅色教育”主題進行頭腦風暴，每名學生發表自己的想法，共同確定本組的創意，如一組的創意為“紅船”。在設計階段，根據確定的創意，如“紅船”三維模型的設計，進行格式轉換。在實施階段，對設計的“紅船”三維模型進行切片，利用3D打印機進行打印，及時排除打印過程中出現的故障。運行階段，小組對作品進行展示分享。

CDIO工程教育模式不僅注重個人職業技能的發展，也注重團隊協作與團隊交流，小組合作對作品進行展示，可以使學生切身感受到團隊協作交流的重要意義。比如，在構思階段，每個小組需要根據指導教師確定的“紅色教育”主題共同討論出一個創意。這個過程既需要組長做好組織協調引導，又需要團隊內成員的自我激勵。另外，評價形式也發生了轉變，小組成員的表現作為基礎分數，根據學生的不同表現進行分數疊加，學生也在這種評價方式的轉變中，切實感受到團隊是共同進步、互利共贏的關系。在整個實踐過程中，利用SolidWorks軟件建立三維數字模型，并導入ideaMaker軟件中進行切片，提升了學生的空間想象力和設計能力[5]，使計算機輔助制造等專業學生的技術能力得到鍛煉。學生在打印過程中需獨立排除打印故障，其獨立思考意識和發現問題、解決問題的能力大大提升。

四、實踐教學啟示

(一)理論聯系實踐，在實踐中探求知識

工程訓練是學校實施工程教育的實踐教學平臺，學生通過動手實踐，在操作中領悟工程實踐的真諦，不僅能對工業制造有直觀的了解，對企業文化有切身的體驗，更能在這個過程中復現知識，實現理論知識的內化，對知識有更深層的認識，從而促進實踐能力和創新意識的提升。

(二)重視設計能力的提升

3D打印技術具有靈活性高、加工周期短的特點和優勢，能夠充分克服傳統加工工藝的不足，使實踐人員在設計階段盡可能地降低工藝對設計的影響，最大限度地解放實踐人員的設計思維，提升其設計能力和創造力。

(三)關注團隊合作和交流溝通

團隊精神是大局意識、協作精神和奉獻精神的集中體現，在全球化發展的大環境下，團隊合作更為重要。在小組合作過程中，學生可以體驗團隊協助、交流溝通的重要性，提升自己的溝通能力和執行能力。

五、結語

如何讓學生更加系統深刻地掌握3D打印技術這種先進的制造方式，教學模式和教授內容至關重要。課程組從3D打印實踐教學實際問題出發，借鑒CDIO工程教育先進模式，彌補了原有實訓教學重操作不重創新的不足，以具體項目為載體，讓學生在完成具體項目的過程中，對3D打印技術有更深刻、系統的認識，對3D打印技術能靈活應用。同時，在這個過程中，激發學生的主動性，提高學生的實踐操作能力及團隊間交流、協作能力，以及發掘和解決實際工程問題的高級思維能力。[7]以CDIO工程教育模式貫穿整個3D打印實踐教學課程，切實解決了3D打印實踐教學中存在的問題，為3D打印技術在實踐教學領域的應用提供了有益借鑒和理論支撐。