浅析新工科理念下的3D打印实践教学形式改革探讨与实践

来源:用户上传      作者:鞠锦勇

　　摘要：新工科理念下，按照“与当前工业主流技术相衔接”的原则，结合3D打印技术的原理及特点和工程训练实践教学的宗旨，提出将3D打印实践教学与企业产品研发流程相结合的教学组织模式。首先，以培养学生的基本建模和设备操作能力为目的。其次，根据工程训练实践教学的宗旨，结合实际在教学过程中对学生提出具体产品设计要求，让学生有目的地进行设计创新。最后，打印出符合设计要求的实体模型。让学生体会从设计理念到设计过程，从概念设计到成品加工的过程，达到增强学生工程意识和工程实践创新能力的目的。
　　关键词：新工科;3D打印;实践教学;产品研发;教学改革
　　中图分类号：G420     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2020）14-0198-03
　　 一、引言
　　随着科技的进步，有些传统的加工方式逐渐被工业生产淘汰，工程训练教学中这部分加工内容存在限制学生认知和创新拓展能力的局限。因此，在“新工科”理念下，传统的实习加工形式已经不能满足学生工程训练的要求[1，2]。
　　3D打印技术属于新兴的制造业技术，被称为“第三次工业技术革命最具代表性的技术”。目前，3D打印技术广泛应用在医疗、生物科学、加工制造等各行各业[3]。工程训练中引入3D打印技术，可以拓宽学生的认知，让学生了解科学技术的前沿[4]。但是3D打印由于其自动化程度高，设备操作相对简单。传统的教学组织模式下，主要是对基础知识和设备的操作进行介绍，制作简单的加工作品，课程内容长时间一成不变，难以激发学生的学习积极性。这种传统的教学模式虽然锻炼了学生的实践操作能力，但忽视了对工程意识和工程素质的培养，学生也会觉得没有挑战性，很难让学生体会到实习的真正意義。因此，在3D打印教学中除了让学生了解3D打印的基本知识和设备基础操作外，还需结合产品开发的流程重新组织教学形式，对学生提出产品设计要求，让学生有目的地进行设计创新。这样，学生在实习中不仅学到科学理论知识，而且能够了解研发的流程和研发的意义，提高自身的工程意识和素质，这也符合“新工科”倡导的产教融合、科教协同的理念[5，6]。
　　二、3D打印技术原理及工艺流程
　　为了改进现有3D打印工程训练教学，首先需要详细了解3D打印技术原理及工艺流程，从3D打印实际工艺流程中探讨改进方式，因此，首先对3D打印技术的原理及工艺流程进行介绍。市场上大部分3D打印设备主要基于熔融沉积（FDM）成型原理，FDM成型原理主要是通过打印机喷头挤出丝材，按照模型的截面轮廓进行循环堆叠，经过后处理最终打印出与数据模型一致的实体模型。3D打印的基本是三维数据模型文件，首先需要将其保存为3D打印机能够识别的文件类型（.stl）。接着导入3D打印软件将三维数据模型分割为二维数据文件，通过设置相关打印参数打印模型。最后，完成打印后对模型进行后处理，包括模型的固化及无关支撑的剥离。图1所示为3D打印技术的工艺流程。
　　对比传统的加工方式，3D打印不需要任何刀具、夹具等，加工过程中不产生其他废物废渣，材料利用率高，可以有效降低生产成本。而且3D打印加工精度高，可以实现复杂模型的一次成型，减少加工工艺流程，大大降低了时间成本。因此，3D打印是前景广阔的现代加工技术。我校工程训练旨在培养应用型人才，结合3D打印技术特点和技术优势，符合我校大学生的培养目标，并且通过有效的组织3D打印教学，帮助大学生树立工程概念和工程意识，提高大学生的社会竞争力。
　　三、结合产品研发流程的3D打印教学模式
　　传统的教学组织模式下，3D打印技术实习主要是对打印原理及技术特点和打印机的操作进行介绍，通过打印模型库的文件让学生认识这种加工方式。由于3D打印设备自动化程度高，设备操作非常简单，同时受成型原理的影响，3D打印需要等待的时间比较长，实习过程中学生将大部分时间花费在等待产品成型上，时间利用率低。因此，实习过程中，很容易让学生产生一种错误的认识：3D打印技术没有什么技术含量，学生也会觉得没有挑战性。这种传统的教学模式虽然提高了大学生的认知，锻炼了大学生实践操作的能力，但忽视了对大学生工程意识和工程素质的培养，学生难以真正体会到实习的意义。
　　在实际教学中，发现学生对于模型库中的文件更有兴趣。因此，可以结合学生的兴趣让学生进行自主创新建立三维模型并打印。同时，还可以弥补3D打印等待时间长的问题，学生的设计和加工过程可以同时进行，既可以充实课程内容，也符合高等学校培养学生创新能力的要求。但是学生漫无目的地设计，在实际教学中也没有取得较好的效果，学生的作品存在趋于简单化和应付作业的倾向，难以增强大学生的工程意识和提高工程素质。因此，对传统的3D打印教学组织形式进行改革势在必行。
　　在3D打印技术教学中，将自主创新与产品研发相结合可以有效解决现有教学模式的缺陷。产品研发方向源于销售人员对市场需求的把握，研发人员根据市场需求明确产品的设计要求，然后按照设计要求完成产品的设计，经验证合格后进行加工并进入市场销售。在市场竞争中，产品的质量和性能直接影响产品的销量。同样，按照产品研发的思路，让学生自主调研，分析现有产品的不足，进而提出具体的产品设计要求进行自主创新。最后，组织学生对比分析各自设计的优势和不足。在此过程中，学生通过担当和体会不同的角色，不仅可以锻炼自主学习、自主创新的实践能力，还可以从总体上把握产品的设计流程，增强自身的工程意识和提高工程素质。
　　四、结合产品研发的3D打印教学组织
　　在3D打印技术教学中，首先介绍3D打印技术的基本原理、技术特点、工艺流程、打印机使用、3D打印的优势等基本理论和操作知识，强调三维数据建模的重要性，介绍三维软件的基本建模思想，让学生熟悉简单命令的使用，并体会建模的基本原理，自主学习复杂建模操作。在此基础上，重点向学生介绍产品研发的基本流程，主要包括立项阶段、设计阶段、样机阶段、小批阶段、市场化阶段，明确分析各阶段的任务。关键是通过介绍产品研发流程，让学生在自主设计中遵守实际的产品研发流程，通过调研和分析提出合理的产品设计要求。让学生根据设计要求，完成各自的创新产品。最后让学生对所设计作品进行当众讲解并分析优势和不足。整个过程中学生自己把握设计要求、设计过程和加工过程，认识设计产品的特点，增强自身工程意识，从根本上认识3D打印实习的意义。 　　由于教学过程中不具备实验验证条件和大批量生产能力，因此忽略产品研发中的样机阶段、小批阶段两部分。在学生掌握了基本的建模方法及打印机的使用方法后，引导自主创新，不限制类型和方式，可以是其他的生活用品、玩具、艺术品等。表1以手机支架的设计为例，阐述结合产品研发的打印教学组织形式。
　　手机支架的设计意义在于解放人的双手，满足固定手机的要求。现有手机支架存在的缺点包括：①手机支撑角度不能满足多种使用条件;②手机支架尺寸不能满足大屏幕手机发展趋势，稳定性不足;③手机发热严重，手机支架影响散热;④一体式手机支架占空间，不方便携带。根据提出的缺点和不足，让学生确定设计要求，并按照以下设计要求设计相应的产品：①确定整体尺寸、支撑角度，保证舒适性和稳定性;②考虑支撑面积对手机散热性能的影响，但也应兼顾稳定性;③避免妨碍其他部位，如摄像头、耳机插孔、扩音器等;④支撑角度可调节，满足不同的人对不同角度的需求;⑤可折叠，方便携带。
　　3D打印加工阶段，学生按照以上要求完成一定结构的手机支架，自主评价合格后，可打印加工，打印完成后需使用手机验证设计强度是否合格，能否满足日常需求。不满足设计要求的，需要对模型进行修改和完善，直到完成合格的模型设计。确认设计合格后，组织学生分析创新件的优势和不足，从而验证其市场竞争性。在此过程中，不仅让学生设计模型，更让学生体会到产品研发的过程，产品的设计不是漫无目的的，需要满足设计需求才有意义。同时，让学生体会到研发过程并非一次就能成功，只有反复地修正和完善，才能创造出合格的产品。结合产品研发的3D打印教学组织形式实现了产品从设计理念到设计过程，从概念设计到成品加工的过程，增强了学生的工程意识，提高了学生的工程素質，并起到了锻炼学生工程实践和创新能力的作用。
　　五、结论
　　针对传统3D打印实践教学模式存在的不足，将3D打印技术的教学组织形式与产品的研发流程相结合，让学生在实践中有目的地进行创新。通过对比两种教学模式发现，学生对于漫无目的的创新显得束手无策，大部分学生将时间花费在“做什么”的问题上，做出的创新件也不太满意。而通过结合产品研发流程，学生根据设计要求，很快就有了创新思路，课堂气氛积极活跃，充分调动每位学生的学习主动性。这种新型3D打印实践教学模式能够最大限度地激发学生的学习热情。
　　参考文献：
　　[1]周剑峰，韩民.新工科专业实践教学体系构建[J].教育教学论坛，2017，（44）：109-110.
　　[2]龚晓嘉.综合性高校在实践教学中培养新工科创新型人才的探索[J].高教学刊，2017，（12）：141-142.
　　[3]冯春梅，杨继全，施建平.3D打印成型工艺及技术[M].南京师范大学出版社，2016.
　　[4]吴兰岸，刘延申.基于逆向工程的工程课程开放式教学[J].高等工程教育研究，2016，（6）：185-189.
　　[5]刘玉飞，许德章，梁利东，等.基于OBE理念的理工科专业《计算方法》课程教学改革探索与实践[J].教育教学论坛，2018，（09）：135-137.
　　[6]王美，王良辉，刘中晓，等.基于3D打印技术的特色课程研究——以“3D打印创意工作室”课程为例[J].现代教育技术，2015，25（8）：120-126.
　　Abstract：According to the principle of "linking up with the current mainstream technology of industry" and combining the principle and characteristics of 3D printing technology，this paper puts forward a teaching organization mode that combines 3D printing practice teaching with enterprise product research and development process.Firstly，students are trained in basic modeling and equipment operation ability.Then，according to the purpose of engineering training practice teaching，combined with the actual teaching process，specific product design requirements are put forward for students，so that undergraduates can design innovations purposefully.Finally，the entity model that meets the design requirements is printed out.Under this teaching organization mode，undergraduates can experience the process from design concept to design process and the process from conceptual design to finished product processing.Then，the engineering consciousness and innovation ability of the undergraduates can be effectively improved in engineering practice.
　　Key words：Emerging Engineering Education;3D printing;practical teaching;product development;teaching reform
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