高校創新教育3D打印研究

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摘要:近年來3D打印技術快速發展和壯大，因其優良的性能，3D打印技術在各行業具有良好的發展前景，因此將3D打印技術引入高校的創新教育課堂具有現實意義。本文首先通過研究3d打印成型技術在機械行業中應用的特點及優勢，確定3D打印創新實驗在高校創新教育中的發展方向，其次基于培養創新能力的教育理念，在實驗內容、實驗方法、實驗室運行模式方面進行探索，確定了3D打印創新實驗開設內容:基礎實驗，提升實驗，創新實驗。對高校開展3D打印成型技術的創新教育具有重要的現實意義。

關鍵詞:3D打印;創新教育;探索;培養模式

一、緒論

隨著3D打印技術的興起與發展，3D打印技術已在大部分學科領域得到應用。尤其在機械行業，如各種機械發明制作中，利用3D打印技術可以比以往更加方便的做出模型進行實驗。［1］此外，3D打印于學生各種競賽中實物的制作、學生的課程設計以及教師課堂的教具教學展示等方面皆有重要作用，因此，為使之能夠更好的應用到學生學習、教師教學等方面，進行學校3D打印室的創新建設，有著重要意義。［2］在我校大學生創新創業基地中，3D打印室在實驗室教學中的改革主要側重點在于提高學生應用3D打印機的實際操作能力、培養學生的創新意識、提高創新能力上。

二、3D打印的特點及優勢

與傳統加工制造方法相比，3D打印技術具有以下特點:(一)復雜工藝簡便化。在傳統制造業的工藝過程中，如果需要加工一個復雜的工件，可能需要不同工種在不同地方進行加工。例如加工一個簡單的錘子，傳統工藝需經過銑工、車工、鉗工、熱處理等繁瑣工序。而使用選擇性激光融化技術(SLM)利用金屬粉末進行3D打印則可以簡化加工步驟，只需用三維制圖軟件畫出所需加工的錘子的模型圖，就可以快速的加工出所建模的錘子。(二)耗材較少。眾所周知，傳統制造業加工零件大多是用“減材制造”來加工零件的，這種加工方法是在一快完整的原料上做“減法”從而制作出做需要的零件，而且切削掉的材料很難被加工再利用，造成了極大的損耗。3D打印技術屬于“增材制造”的過程，它是利用“加法”把所需零件一層層的“加”出來，除了必要的支撐和底座以外，沒有多余的材料浪費。(三)制造材料多樣性。在過去，限制3D打印技術發展原因之一是材料技術沒有突破。打印材料價格昂貴、種類單一使得3D打印技術停滯不前。近幾年，隨著材料技術的不斷發展，尼龍材料、PLA材料、金屬材料，樹脂材料、生物材料等眾多適合3D打印的材料層出不窮，隨著材料技術的日益發展，3D打印技術的應用的領域將會更加廣闊。

三、3D打印在高校創新教育中的發展方向

3D打印技術的不斷發展已經使得各大高校開始注重3D打印實驗室的建設與改革。但是，不足也逐漸先露出來，其表現在相關教師資源的缺乏和實驗室建設經驗上。目前的3D打印教學模式仍處于“老師講，學生聽”的傳統模式，學生學習效率低下等一系列問題亟待解決。此外，3D打印室的管理模式封閉、僵硬，缺乏自主管理的活力，以上種種原因造成學生未能深入了解打印機的實際操作以至于考研或工作之后相關動手能力欠缺等問題。學生一邊擺脫不了傳統教育的束縛，一邊無法全面提高創新能力。綜上所述:3D打印室創新教育的發展應趨向于以傳統教學與實踐教學相結合的方式帶動學生自主學習、自主管理的方向。3D打印的高校創新教育旨在讓更多的學生了解3D打印，提高動手能力與創新能力，發揮自主管理的靈活性，提高學生的學習興趣。

四、3D打印的創新教育及模式

隨著國務院“大眾創業，萬眾創新”口號的提出，我校成立大學生創新創業基地，旨在培養學生的創新意識和創新能力。我校3D打印室將進行創新教學改革，具體內容如下:(一)傳統教學與實踐教學相結合。創造的基礎是動手實踐，因此，我們將傳統課堂教學模式，與實踐教學活動相結合。在這種兩相結合的模式下，采用“任務教學法+活動教學法”，培養學生動手能力，提升學生綜合素養。任務教學法對學生完成任務的流程進行規范。活動教學法使學生在更加開放的環境中闡述自己的觀點，使彼此的想法更容易碰撞，促進團隊之間的溝通交流，在自由的氛圍中產生更加合理的解決問題的方法。前者更加強調學，后者更加強調做，兩者優勢互補，賦予學生更多的學習自主性，在自己動手完成任務的過程中，對所制作的物品的結構、功能等屬性有了更加深刻的了解，從而可以對作品進行優化處理，更好的利用3D打印機進行作品制作。(二)3D打印室運作模式。我校的3D打印機主要由機電工程學院大學生創新創業基地負責管理，目前實驗室中有8臺先臨3D打印機，一臺工業打印機，且本校實驗室面向全校師生開放。為提高工作效率，避免出現人員過于集中增大工作量的現象，我校將預約表的相關文件及所填信息注意事項到官網上，讓學生自行打印。學生填寫預約表之后應交與老師審核，審核通過后，聯系打印室負責人員以便安排打印。如果審核未通過，應自行改進或者聯系老師進行指導，再次進行預約。預約后若長時間或無故不按時不進行實驗，以及違反3D打印室規定者，取消其本次實驗資格并予以警告。如下圖所示為3D打印室運作模式流程圖。(三)3D打印室實驗內容。實驗內容我們分為三個階段:基礎實驗階段，提升實驗階段，創新實驗階段。基礎實驗階段:依據自由開放的原則，學生們進行自由創意創作，使之熟悉整個學習流程，了解打印機的使用方法，最后由老師點評，指出不足之處。提升實驗階段:由老師進行命題，并且給出初步思路，或者在學生討論時、進行打印時給予教師意見。在此過程中，循序漸進的培養學生的創新意識、提高創新能力，最后由老師給出指導意見。創新實驗階段:由老師進行命題，給與學生完全的自主權，學生在規定的時間段內完成相應的任務，任務結束之后，由老師進行點評指導。

五、總結

3D打印發展前景良好，目前3D打印技術仍處于研發階段，但隨著各國對3D打印技術的深入研究和重視，3D打印將會以更為優越的性能被引入到高校的教學之中。本文以我校3D打印室為例，將傳統教學與實驗教學相結合、改進實驗室運作模式、革新實驗階段，提出創新教育模式。高校對3D打印技術的不斷關注和投入，將會拉動高校創新教育的發展。

參考文獻:

［1］王萍．3D打印及其教育應用初探［J］．中國遠程教育，2013，8:83-87．

［2］周達，黃彬彬．3D打印技術在高校創新創業教育中的應用［J］．科技創新導報，2017(35):140．

［3］孫江山，吳永和，任友群．3D打印教育創新:創客空間，創新實驗室和STEAM［J］．現代遠程教育研究，2015，4:96-103．

［4］尚雯，譚躍剛，張帆，等．面向大學生創新教育的3D打印教學實驗平臺研究與應用［J］．中國輕工教育，2016，3:73-76．

作者:劉德生 尹若軍 鄧家烜 田雪清 單位:河南科技大學機電工程學院