淺談快速成型實訓課與混合式教學的有機結合*

尹 絢，李春昊，陳宸震，周良宇，龐皓升，張 冰，4

(1.北京化工大學 機電工程學院，北京 100029；2.北京化工大學 信息科學與技術學院，北京 100029; 3.中國航空研究院，北京 100012；4.北京化工大學 國際交流與合作處暨港澳臺事務辦公室，北京 100029)

隨著科學技術的飛速發(fā)展，尤其是互聯(lián)網(wǎng)技術的不斷升級，催生了線上直播平臺的出現(xiàn)[1-2]。直播平臺的出現(xiàn)本來是為了豐富人們的業(yè)余生活，不僅可以欣賞我國的秀美山河，還可以購買當?shù)氐霓r(nóng)產(chǎn)品；不僅可以給孩子們補充自己掌握不牢的知識，還可以帶他們學習更廣泛的知識[3-4]。與此同時，新工科建設是我國對高等院校課程建設的要求。不僅可以通過高等院校的授課內容與國家戰(zhàn)略、產(chǎn)業(yè)需求相結合，還可以共同面對廣泛的未知的未來挑戰(zhàn)[5-6]。高等院校的工科專業(yè)不僅教授相關的工學知識，還培養(yǎng)學生們的動手實操能力，實現(xiàn)學以致用的目的。因此，基于新工科建設大背景，依托先進的互聯(lián)網(wǎng)技術，普通高等院校的教學與授課方式也隨之發(fā)生了較大變化。將傳統(tǒng)、單一的線下上課與直播平臺相結合，保證學生學習的完整度以及對知識的掌握度[7-8]。

1 快速成型技術實訓課的需求

1.1 快速成型技術的概念

制造業(yè)是我國的立國之本、強國之基、興國之器[9]。但是，通過傳統(tǒng)制造的方式不能方方面皆滿足國家戰(zhàn)略中對制造業(yè)的發(fā)展需求。在當今時代，互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈等高新技術與各行各業(yè)相互融合，推動行業(yè)內及跨行業(yè)的良性發(fā)展。因此，智能制造、高端裝備等新型制造業(yè)應運而生。其中，快速成型技術作為近30年來國際制造業(yè)領域的變革性技術，因其高效率且低成本的集成化生產(chǎn)模式，為世界工業(yè)界所高度認可，并被廣泛應用于生產(chǎn)制造中。快速成型技術(Rapid Prototyping)，又被稱為快速原型制造技術，它是集CAD、分層制造技術、逆向工程技術、材料工程、數(shù)控技術和激光技術等機械工程領域的尖端科技于一體，可以直接、快速、精確、自動地將設計理念轉化為具備一定功能與結構的原型件或直接完成零件的制造，可為前沿設計思想的校驗、原型零部件的研制等方面提供一種低成本、高成效的實現(xiàn)途徑[10-12]。在眾多的快速成型技術中，3D打印與激光雕刻技術由于極簡化的制造流程(3D打印技術摒棄了生產(chǎn)線，大幅減少了材料和工藝時間的浪費)和超高的加工精度(激光雕刻技術的加工精度可達 0.02 mm)，突破了傳統(tǒng)機械加工技術的產(chǎn)能與幾何限制，推動了高性能和高價值零部件的高效生產(chǎn)，對航天、航空、汽車，以及生物醫(yī)學等領域產(chǎn)生了深刻的變革。

1.2 高校開展快速成型技術實訓課的必要性

在工科實踐課程中開展3D打印與激光雕刻技術的相關實訓教學科目，不僅能夠增強高校工科學生的個人職場競爭力，更可以為我國建設世界一流的制造業(yè)大國、強國輸送和儲備具備高技術與技能的專業(yè)人才隊伍。如何合理且有效地制定3D打印與激光雕刻技術課程的教學內容及教學模式，確保學生的授課進度以及學習記憶，需要認真思索的目標。作為學校快速成型實踐課程的授課教師之一，筆者將現(xiàn)狀與所授3D打印與激光雕刻技術課程的內容、性質、網(wǎng)絡平臺狀態(tài)和學生的掌握情況相結合，總結分析授課結果，制定合理的教學計劃，有效保證混合式教學模式的授課質量及效果。

2 3D打印技術實訓課的內容設置及混合教學模式

2.1 3D打印技術實訓課的內容設置

1)概念及優(yōu)勢。3D打印，又被稱為增材制造，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎，采用粉末狀金屬或塑料等材料，以逐層堆疊打印的方式來構造三維立體物體的成型技術[13，14]。這種制造技術融合了計算機輔助設計技術、機械工程技術、三維建模與數(shù)據(jù)處理技術等多種學科的高精尖技術，形成一體化設計制造技術，具有經(jīng)濟、環(huán)保、靈活以及快速等優(yōu)點，可以自動、直接、精確地將計算機中的三維設計轉化為三維立體的實物模型，甚至能夠直接制造零件或模具，有效地縮短了零件或模具的研發(fā)周期。

2)基本原理。3D打印機與與普通打印機工作原理很相似，區(qū)別是打印材料的不同：普通打印機的墨盒里裝的是墨水或者墨粉，將墨水或者墨粉打印在紙張上；而3D打印的機器內裝載著金屬、陶瓷、聚合物等 “打印材料”，通過電腦控制自動把“打印材料”一層層疊加構建在位移平臺上，最終將計算機設計的藍圖變成立體實物。整個過程可總結為“三維建模設計→模型分層處理→成型→后處理”，如圖1所示。其能量來源大多為激光，如光固化成型、選擇性激光燒結成型，以及分層實體制造成型，而熔融沉積則以熱量作為成型能源。

3)實際應用。研究者通過不斷改進及創(chuàng)新，可以使3D打印技術持續(xù)邁向精細化和高速化發(fā)展。這也是對傳統(tǒng)加工制造技術的革命性突破。但是，目前可用于3D打印技術的材料種類有限，大多為液態(tài)光敏樹脂、高分子材料粉末、精細陶瓷粉末、不銹鋼粉末、合金粉末、熱塑性薄膜等，故此尚無法完全取代鑄鍛、切削等傳統(tǒng)加工制造技術。因此，傳統(tǒng)制造技術與3D打印技術這兩者是一種支持與互補、共同發(fā)展與完善的良性搭配關系。采用3D打印技術可以“打印”出真實的三維立體物體。例如，食物、房屋、家具、太陽能板、汽車外殼、精密零件、機械臂、人工骨骼等，如圖2所示。由此可見，3D打印技術可從原型設計延伸至生產(chǎn)制造，涵蓋了產(chǎn)品設計與制造的全過程。在未來，尤其是工程應用所需的特定材料，3D打印技術可以助其增強功能性及商業(yè)價值。

圖2 3D打印的應用

2.2 3D打印技術實訓課的教學模式

3D打印技術實訓課不僅需要學生對3D打印有初步的了解，還需要學生動手操作相關內容，包括建立三維設計圖紙及打印成品。針對實訓課程的不同部分，其教學模式也有對應的授課模式。下面以線上教學模式和線下教學模式分別講述。

1)線上教學模式。直播平臺多種多樣，每種直播平臺也有獨特的功能。目前，3D打印技術實訓課常用的教學直播平臺有騰訊會議和企業(yè)微信會議。前者能容納100人以上的大型線上直播，后者便于同一單位的人實名入會。通常，線上教學希望能有更多的學生同時學習、聽課，人數(shù)常為兩三百人甚至更多，此時騰訊會議就可以發(fā)揮很大的作用。通過騰訊會議線上直播平臺，將不同種類的3D打印技術的動手操作過程一一播放，講解它們不同的工藝原理及應用范圍。同時，還增加線上提問環(huán)節(jié)，收集學生們的回答，以便于了解學生們的記憶程度。此外，還可以播放一些三維設計視頻，這不僅可以鞏固機械類學生的設計基礎，還便于非機械類的學生加深對于3D打印技術在設計層面的認識及興趣。這不僅可以拓展非機械類學生的空間與平面轉換的思維方式，還能夠為他們未來升學或者工作奠定一定的三維設計基礎，在未來改裝儀器設備時具備基礎的設計能力。

2)線下教學模式。以北京化工大學為例，3D打印技術實訓課都是小班制教學，每堂課的學生人數(shù)在11至12人。在小班制教學中，通過solidworks三維設計軟件，設計了簡單的機械連接件。涉及的基本設計模塊有新建零件、選定視圖、剪裁、鏡像、標注尺寸、插入拉伸凸臺、插入切除拉伸，最終得到終圖，具體過程如圖3。在3D打印技術實訓課中，主要采用熔融沉積法制備工藝，主要原料為纖維狀熱塑性材料，打印原理是將噴頭加熱進而融化原料，通過計算機控制噴頭在二維工作臺平面水平移動，將首層(支撐層)沉積好后水平位移平臺沿著縱向移動，繼續(xù)沉積剩余的層，最終通過逐層堆疊得到最終的成品，如圖4(a)所示。通過讓學生跟隨畫圖，學會solidworks設計軟件的基本操作，然后采用學到的設計操作，設計畫出自己想要打印的圖紙，再將設計出來的圖紙導入到3D打印設備中，熔融沉積得到成品，如圖4(b)所示。

圖3 Soliworks軟件設計簡單機械連接件

圖4 熔融沉積工藝的基本原理(a)及成品(b)

3 激光雕刻技術實訓課的內容設置及混合教學模式

3.1 激光雕刻技術實訓課的內容設置

1)原理及優(yōu)勢。激光雕刻以數(shù)控技術為基礎，以激光為加工媒介，使得加工材料在激光照射下瞬間的熔化和氣化的物理變性，達到精細加工的目的[15-16]。在激光雕刻過程中，加工設備無需與材料表面進行直接接觸，通過控制激光的能量、光斑大小、光斑運動軌跡和運動速度等相關參量，使材料形成要求的立體圖形圖案。按雕刻方式可將激光雕刻分為點陣雕刻和矢量切割雕刻。其中，點陣雕刻酷似高清晰度的點陣打印，掃描的圖形、文字及矢量化圖文都可使用點陣雕刻。矢量切割雕刻則在圖文的外輪廓線上進行。相較于車、銑、刨、磨等傳統(tǒng)的機械加工方式，激光雕刻具有雕刻范圍廣、速度快、質量高、耗能少、自動化程度高等優(yōu)點。

2)實際應用。目前，激光雕刻經(jīng)常用于在木材、亞克力、紙張等材料上進行穿透切割雕刻。可雕刻的原材料有木材、玻璃、塑料、金屬、石材、紙張等。目前最常用的原材料有亞克力、皮革、紙張。對于有機玻璃，它很容易被切割和雕刻成有各種各樣的形狀和大小，并且成本較低，是工藝品行業(yè)中最為常用的一種雕刻材料。對于皮革，使用激光雕刻不僅操作簡單，還能加快制造速度，為皮革行業(yè)帶來巨大效益。對于紙張，激光雕刻的制版成本僅有樹脂版成本四分之一，在目前的印刷包裝業(yè)上普遍采用激光雕刻制版做為紙箱包裝印刷版。

3.2 激光雕刻技術實訓課的混合式教學

激光雕刻技術實訓課不僅對同學的知識點掌握有一定要求，更進一步需要學生運用軟件設計二維圖樣，然后在授課教師的操作下完成激光雕刻樣品。針對實訓課程的不同內容，其教學模式也分為線上教學模式和線下教學模式。

1)線上教學模式。因為激光雕刻技術需要使用高能源設備，對于大一大二的學生來講，安全操作有一定的難度，因此，通常由授課教師操作整個激光雕刻的過程。采用騰訊會議平臺，將激光雕刻整個過程一一播放，講解激光雕刻要點及注意事項。同時，還能夠增加線上提問環(huán)節(jié)，加強學生的記憶力。此外，還可以播放一些二維設計動畫或視頻，以便于學生加深對AutoCAD設計軟件的應用認識，提高自身的綜合素質及動手能力。

2)線下教學模式。北京化工大學的激光雕刻技術實訓課也皆為小班制教學，單次學生人數(shù)在11至12人。通過小班制教學，我們運動AutoCAD二維平面設計軟件，設計學生喜歡的圖樣，然后通過將AutoCAD文件導入到激光雕刻設備中進行制造。在激光雕刻技術實訓課中，針對非機械類學生主要用塑料板為基材進行雕刻。針對機械類學生通常拓展多種材質板材進行雕刻，如圖5所示。通過讓學生自主設計平面圖樣，加深對AutoCAD二維平面設計軟件的基本操作，設計出自己想要雕刻的圖樣，再將設計出來的圖樣導入到激光雕刻設備中，通過授課教師操作設備得到最終的成品。

圖5 三種材質板的激光雕刻

4 結語

快速成型實訓課包括3D打印及激光雕刻實訓課，目標是將前沿的科技工程技術及知識與動手能力相結合，更廣度的滿足學生對知識的渴望，對技術的掌握，以及增加對未來工作升學的底氣。對于機械、材料等高校工科專業(yè)的學生，通過將快速成型實訓課與混合式教學的有機結合，熟練掌握其核心知識與關鍵技能，有助于開拓學生的創(chuàng)造性思維、提高動手實操能力、增強就業(yè)競爭力，并為建設“中國制造”的國之大計輸送和儲備技術力量。