基于3D打印實踐平臺的大學生創新能力培養

褚忠

[摘 要]3D打印實踐平臺是推廣3D打印教育的有效途徑。3D打印教育模式由教學團隊（教師、工程師）、建模軟件和3D打印機組成，其共同完成教學、科研和對外服務的任務。校企聯合實踐平臺通過完成教育產品開發、教具設計和社會服務的方式，激發了學生的學習興趣，讓學生通過參與項目，在學與做的過程中逐步形成創新意識，培養和提高了學生的創新能力。

[關鍵詞]創新能力；校企合作；實踐平臺；3D打印

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2017）12-0164-03

○、引言

創新是一個民族進步的靈魂，是一個國家興旺發達的不竭動力，是當代大學生必備的素質和能力。應用型大學的目標就是要培養能夠綜合運用自己已有的知識、信息、技能和方法，提出新方法、新觀點的思維能力，能進行發明創造、改革革新的應用型人才。[1]專業培養方案已經優化設置了不同的實踐環節，如課內、課外實驗、專業課程設計等，這為培養目標的實現提供了基礎保障。而創新意識和創新能力的培養需要在實踐中進行，應與不同行業的企業合作，建立校企聯合實驗室，發揮校企各自的優勢，創立高校與行業企業聯合培養人才的新機制，這樣才能為企事業提供高素質的人才，促進企業的科技進步和生產發展，提升企業的核心競爭力。

3D打印技術、創客等詞匯多次被納入政府的工作報告。為了推進3D打印技術的普及，培育創客群體，營造創新創業氛圍，國家出臺了一系列的鼓勵措施。將3D打印與傳統教育方式相結合，可以營造一種同時擁有視覺和觸覺的教學方式。學生可以直接參與甚至設計自己的實驗方案，這樣既能夠吸收和消化相關知識，又能激發學生的創造力，對培養社會需要的應用工程師大有益處。

一、3D打印教育模式

目前我國3D打印機產業發展迅速，依托高校、科研院所的研究成果，我國已涌現出100多家增材制造設備與服務企業。比如北京隆源自動成型系統有限公司，1993年開始研發選區粉末燒結激光快速成型機并取得自主知識產權；西安鉑力特激光成形技術有限公司是激光快速成形技術的產業化公司，產品已應用于C919大型商用客機；此外，還有北京太爾時代科技有限公司、武漢濱湖機電技術產業有限公司等。將3D打印技術應用到教育產業中，能為高校、中小學提供硬件保障。未來幾年，中國3D打印市場每年將至少以倍速的速度成長，而其中3D打印服務占市場總額的20%左右。

3D打印模式關乎其在教育行業推廣應用的成功與否。Solid Leaming是在3D打印的基礎上提出的一種教學模式，指在教育中集成3D打印技術和數字制造技術的基礎上，將教師和學生、學校、資源庫和教育資源中心共同組成一個閉環系統，在學校課堂上完成的模型可以通過低價的3D打印機打印，團隊設計的復雜的模型可以在教育服務中心實現。3D模型資源庫和教育資源中心將成為教學系統的有機組成部分，通過3D打印的實體模型，可以展開多層次、多角度的教與學活動。

在校企合作實踐平臺的基礎上，3D打印教育模式將發生變化，它改變過去3D打印機企業和軟件公司各自為政的模式。通過建立校企聯合實驗室，一方面企業可以接受學生和相關教師的實習或掛職鍛煉、實訓與研究，幫助學校提供培養計劃的修改意見，完成校企聯合課程和實驗的講授和指導；另一方面，學?？韶撠煿?D打印機培訓及售后服務，降低公司的銷售成本。校企聯合可促進搞好“三創（創新、創業、創客）”發展的戰役，貫徹落實“創客校園”的主題活動。

上海應用技術大學與青島尤尼科技有限公司、上海存知光電有限公司共同建立聯合實驗室，經過實驗室兩年多的運行和總結，形成了如圖1所示的3D打印教育模式。

二、基于3D打印實踐平臺的創新模式

校企聯合3D打印實踐平臺由在校教師/學生、建模軟件和3D打印機組成。其中發揮主觀能動性和創造性的是教師、學生及企業工程師組成的創新團隊，他們共同完成教學、科研和對外服務的任務。[2] [3] 在平臺上完成的任務，以教學為核心，完成校企聯合課程、聯合實驗，課程實施以實際案例為引導，激發學生的學習興趣，讓學生在問題的驅動下，完成提出問題、分析問題、解決問題的過程，以自主探索式學習為主，以教師引導為輔的方式，顛覆傳統的教學模式，培養學生的思考、自學、動手、解決問題以及創新創造能力。此外，實踐平臺還進行相關科研和社會服務工作。實踐平臺的結構如圖2所示。 [4] [5] [6]

（一）教育產品開發

3D打印教育指以校本課的形式，組織教學活動，引導學生學習與掌握3D打印的基礎知識和基本技術，讓學生體驗設計的樂趣，滿足學生創造的欲望，培養學生熟練運用多學科知識解決實際問題的能力。

STEM教育指科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineemg）、數學（Mathematics）教育，STEM強調學生的設計能力、批判性思維和問題解決能力。近來，由于中考、高考的改革，中小學對STEM教育表現出很大的需求。3D打印是基于STEM思想，實現提高中學生創新意識和能力的最好手段。但由于中小學教師這方面的基礎較弱，只有采取3D打印實驗室校企雙方共同為中學生提供相關課程講解這種模式，才能取得較好的教學效果。

上海應用技術大學“3D打印裝備與制造實驗室”與江蘇國隆科技有限公司等公司合作，利用業余時間開發3D打印教育產品，產品研發遵循實用主義的“做中學”原則，內容上做到循序漸進，由淺到深，具體如圖3所示。

1. Elemnets（獨立任務的課程）

這是指基于3D打印培養創新思維的初級階段，課程內容主要是激發學生的興趣（Design for fun），讓學生了解3D打印的原理、打印材料的特性和3D設計的基本流程，以互動的形式讓學生廣泛接觸不同領域的知識，并且能用語言來表達自己的想法。endprint

2. Lessons（體現復雜思想的教育元素的集合）

該階段的課程內容體現的是為他人設計（Design for a problem），設計的作品要具有一定的功能，能夠解決生活、學習中的一些問題，課程要求學生完整地講出自己的設計理念。

3. Course（量化課程集）

這一階段的課程稱為為社會設計（Design for system/users），其要求學生能熟練運用1-2種科技手段來設計作品，并能比較專業地講解自己的產品理念、受眾群體。課程內容是量化的學期IEP（Individual Educational Plan），并能達到預期的學習目標。

4. Programs（綜合課程計劃）

這是指不同階段（小學、初中、高中、高職）的綜合課程計劃，課程要求學生能綜合運用編程工具（Arduino、單片機等）、設計軟件，結合傳感器等控制元器件，使設計的產品可以運動或完成指定的動作。

（二）教具開發

目前，在高校和基礎教育階段所使用的教學工具和儀器通常是由專門的教學設備公司生產，學?；蚪處熤荒苓x擇已有的教具類型，產品品種相對單一，模型也無法展示當前的最新技術?；?D打印技術可以定制開發教師想要的教具。比如對于塑料成型工藝及模具這門課，以往的教具都是鋁制或塑料模型模具，教具結構簡單，只能反映常見的模具結構。對于特殊類型的澆注系統及冷卻系統，可以在課程設計或畢業設計中，由教師和學生組成團隊，共同設計典型模具（UG NX或CATIA等軟件），然后將型芯和型腔3D打印，模架可利用亞克力板，由普通銑床完成。當然也可以利用現有模具教具的模架。另外，3D打印可以幫助學校制作特殊的教學模型，特別是諸如醫學解剖、有毒材料、文物古跡等難以獲取的模型。

（三）學科交叉定制3D打印機

3D打印技術在新產品的開發過程中具有獨特的優勢，但是，其運用的領域受材料的限制。目前，3D打印實驗室研發的香皂3D打印機，是與我校香料學院合作，使用適合3D打印的新材料——耐受高溫且能緩慢釋放香味的香皂原料，開發專用于該材料成型工藝的3D打印機進料系統和控制系統，采用特殊的螺旋桿送料的方式實現連續打印，溫控系統實現原材料的加熱溫度范圍，確保香皂在成型過程中既能保持原有的風味，又方便打印個性化設計的外形，實現3D打印產品風味和造型的雙定制。

三、基于實踐平臺的課程實施方法

（一） 教學內容緊密結合時事

為了推進3D打印技術的普及，培育創客群體，營造創新創業氛圍，國家出臺了一系列的鼓勵措施?！秶以霾闹圃飚a業發展推進計劃（2015-2016年）》明確要求組織實施學校3D打印技術普及工程，在學校配置3D打印設備及教學軟件，開設3D打印知識的教育培訓課程，培養學生創新設計的興趣、愛好、意識，鼓勵開展教學實踐。同時建立3D打印技術教育場所，讓學生近距離學習3D打印技術，并在各行各業中應用推廣，服務于社會。

（二） 校內跨學科合作，開拓學生思路

3D打印在新產品開發過程中，具有獨特的優勢。機械學院與香精香料合作開發的“紅酒釀酒器”，該產品可在保證紅酒品質的前提下，大大縮短釀制周期。在項目合作實施中，香料學院負責釀酒工藝，機械學院負責完成控制系統及結構設計。由于該產品主要是家庭使用，所以外觀設計是重要的環節。我們利用3D打印技術，直接打印成型釀酒器外殼，并經過兩次修改最終確定了方案。

（三） 精選企業案例

3D打印技術覆蓋面廣，可以選擇典型的成功案例，比如，應用3D打印+精密鑄造技術。利用3D打印技術直接或者間接地制造鑄造用消失模、聚乙烯模、蠟模、模板、鑄型、型芯或型殼，然后結合傳統鑄造工藝，快速地鑄造出復雜金屬零件。

（四） 課堂立體教學

3D打印技術本身就是交叉學科的產物，該技術可以應用到計算機、材料、藝術等多方面。在教學實施中，除了講課課件外，我們還建立課程資源網站，讓學生將自己設計的作品上傳，并設計獎勵措施，學生也可下載模型進行打印。另外，我們開發APP及微信公眾號，實時發布最新的行業資訊和新技術，不斷激發學生的興趣。

（五） 將產品研發引入課堂

基于3D打印的禮品設計，我們引入互聯網技術，根據公司產品的特點，在市場推廣過程中，設計打印具有公司特點的禮品，贈送給新老客戶。該活動不僅提高了學生的產品設計能力，同時也讓學生可近距離與客戶打交道，提高學生與客戶的溝通能力。

四、結語

校企聯合實踐平臺上的3D打印教育新模式為大學生創新能力的培養提供了保障，該實踐平臺上的教學、科研、服務三者相互促進、共同進步。通過校企合作課程、實驗過程，我們共同挖掘校企資源，建立起了一支高水平的由企業工程師、學校教師組成的教學研究團隊。隨著對企業、社會的進一步了解，學生明白了社會、企業歡迎什么樣的人，這增強了學生的社會責任感。同時，這能讓學生發現自己的興趣點及特長，并由此形成自己的職業生涯規劃。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 趙中建. 為了創新而教育[N].中國教育報，2012-06-15（07）.

[2] 肖念.對中國大學教學邏輯改革的思考[J].中國大學教學，2012（7）：7-9.

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

[4] 王忠宏，李揚帆，張曼茵.中國3D 打印產業的現狀及發展思路[J].經濟縱橫，2013（1）：90-93.

[5] 劉雪梅，黃劍鋒.面向教育的3D 打印及其網絡化交流平臺的研究[J].中國工程機械學報，2015（1）：82-87.

[6] 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.

[責任編輯：陳 明]endprint