《3D打印材料與技術(shù)》課程的教改認(rèn)識與實踐

趙鑫 可丹丹 蔡穎 宋金玲 胡峰

摘要：3D打印技術(shù)作為在全球爆發(fā)式發(fā)展的快速成型制造技術(shù)，已經(jīng)被廣泛地引入到我國的教育教學(xué)中，這一技術(shù)的應(yīng)用也為制造類、材料類專業(yè)的教育工作提供了新的理念與思路。本文針對3D打印技術(shù)課程特點及現(xiàn)有的教學(xué)問題，提出優(yōu)化傳統(tǒng)教學(xué)的創(chuàng)新手段，激發(fā)學(xué)生的興趣和創(chuàng)造能力，提高學(xué)生思維創(chuàng)新與實踐能力。

關(guān)鍵詞：3D打印材料與技術(shù);課程特點;教學(xué)創(chuàng)新

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2019）18-0146-02

一、引言

21世紀(jì)，材料科學(xué)已經(jīng)與能源科學(xué)和信息科學(xué)并列為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的三大支柱。20世紀(jì)80年代3D打印技術(shù)得以發(fā)展與推廣，被賦予了“第三次工業(yè)革命”的大背景，以3D打印技術(shù)為代表的快速成型技術(shù)被看作是引發(fā)新一輪工業(yè)革命的關(guān)鍵要素，其已經(jīng)超越傳統(tǒng)單材均質(zhì)加工技術(shù)的限制，成為可實現(xiàn)多材料、功能梯度材料、多色及真彩色表面紋理貼圖制件的直接制造;可跨越多個尺度（從微觀結(jié)構(gòu)到零件級的宏觀結(jié)構(gòu)）直接制造;并與傳統(tǒng)加工工藝結(jié)合，可實現(xiàn)多種兼顧精度和形狀復(fù)雜度的新型加工方法。目前3D打印技術(shù)方面人才匱乏，嚴(yán)重阻礙了這一技術(shù)的推廣應(yīng)用。3D打印教育教學(xué)工作應(yīng)不斷優(yōu)化3D打印技術(shù)，完善3D打印教育創(chuàng)新，使3D打印從象牙塔里的高科技發(fā)展，成為融入學(xué)校、家庭和社會教育常態(tài)的具有革命性影響的技術(shù)，對材料專業(yè)學(xué)生開展3D打印技術(shù)的教學(xué)工作具有顯著必要性。

文章對3D打印材料與技術(shù)的教學(xué)形式所面臨的問題及采用多元化教學(xué)手段等方面的研究改革進(jìn)行探討，提出了自己的一些思考。

二、課程特點及現(xiàn)有問題

3D打印材料與技術(shù)是一種與傳統(tǒng)的材料去除加工方法截然相反的材料添加成型技術(shù)，基于三維CAD模型數(shù)據(jù)，通過增加材料逐層制造的方式，采用直接制造與相應(yīng)數(shù)學(xué)模型完全一致的三維模型制造方法成型三維物體。基于3D打印顯著特征和多樣化創(chuàng)新應(yīng)用，3D打印教育特性體現(xiàn)為：3D打印是蘊含了“思維”的個性化創(chuàng)造工具，讓學(xué)生體驗從無到有的設(shè)計過程，讓想象變成現(xiàn)實，提升學(xué)生的立體思維空間能力。與噴墨打印機(jī)、激光打印機(jī)只能實現(xiàn)物質(zhì)的二維結(jié)構(gòu)相比，3D打印能夠從虛擬的符號表述轉(zhuǎn)變成實實在在的物體，3D打印課程擁有視覺、觸覺的學(xué)習(xí)方式，打造虛實結(jié)合的教育平臺，實現(xiàn)將學(xué)生的設(shè)計思維有效地創(chuàng)造為現(xiàn)實實體，不僅豐富學(xué)生的學(xué)習(xí)環(huán)境，而且促進(jìn)學(xué)生的創(chuàng)新活動。

雖然近年來3D打印技術(shù)成為全世界范圍內(nèi)得以迅速推廣的快速生成技術(shù)，但是在國內(nèi)不少高校這門技術(shù)僅僅是試水教育行業(yè)，在學(xué)校中的推廣和普及仍面臨很大的挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在以下兩方面：首先是要在教學(xué)中充分展示3D打印技術(shù)的效果，3D打印機(jī)及專業(yè)的三維建模軟件等軟硬件配套設(shè)施必不可少，然而目前在高校中3D打印設(shè)施很難配套，配置較好的3D打印機(jī)價格高昂，而入門級的機(jī)器工作效率低，很難滿足教學(xué)活動需要。其次是3D打印技術(shù)是一項涵蓋機(jī)械設(shè)計、機(jī)械繪圖、軟件應(yīng)用等技術(shù)的綜合學(xué)科，用好3D打印技術(shù)對教師和學(xué)生的綜合素養(yǎng)要求很高，現(xiàn)有的學(xué)科知識基礎(chǔ)很難全面的完成3D打印的設(shè)計和再造。這就首先需要提升教師在使用設(shè)備及3D制圖軟件等方面的培訓(xùn)和深化學(xué)習(xí)。

三、課程教學(xué)手段改革

（一）授課采取多種形式，引發(fā)學(xué)生興趣

根據(jù)3D打印材料與技術(shù)課程獨特的特性，課堂教學(xué)可充分利用多媒體演示和計算機(jī)三維建模手段，在有限學(xué)時內(nèi)最大限度地發(fā)揮多媒體教學(xué)的效果，讓學(xué)生系統(tǒng)性地進(jìn)行新產(chǎn)品的快速設(shè)計、CAE分析等，了解現(xiàn)代先進(jìn)的制造技術(shù)引導(dǎo)下的產(chǎn)品快速成型整個產(chǎn)品研發(fā)環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)。

課堂教學(xué)可開展“以學(xué)生為中心”的顛倒師生關(guān)系的教學(xué)理念，讓學(xué)生在課下時間通過自學(xué)研究完成對新知識的學(xué)習(xí)，利用上課時間教師通過設(shè)計一些問題情境讓學(xué)生作為老師進(jìn)行講解，不僅有利于學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，同時，讓學(xué)生從一味的被灌輸知識轉(zhuǎn)為以輸出知識為主導(dǎo)的學(xué)習(xí)模式;同時可以組織學(xué)生以團(tuán)隊間的協(xié)助合作、交流討論的形式，實現(xiàn)對新知識的理解吸收與應(yīng)用研究。

邀請國內(nèi)外3D打印技術(shù)和3D打印材料研發(fā)專家做專題報告和學(xué)術(shù)前沿講座，使學(xué)生能夠傾聽到科研專家、專業(yè)工程師的蒞臨指導(dǎo)，更好地了解到3D打印技術(shù)的前沿發(fā)展動態(tài)，拓寬學(xué)生和教師的思維知識面，不僅僅局限于課本知識教學(xué)，活躍課堂氛圍，創(chuàng)新教學(xué)模式。

（二）教學(xué)應(yīng)與實踐相結(jié)合

與傳統(tǒng)的材料專業(yè)教學(xué)課程不同，3D打印技術(shù)需要實體與模型，采用傳統(tǒng)的教學(xué)方法缺乏直觀的立體感，不利于提高學(xué)生的感性認(rèn)識，學(xué)生利用3D打印機(jī)打印自己設(shè)計的各種成型產(chǎn)品，體驗理論設(shè)計與現(xiàn)場加工的完美結(jié)合，將課程理論知識與實踐緊密聯(lián)系，提高學(xué)生的設(shè)計能力和動手能力等綜合素質(zhì)，在寓教于樂中促進(jìn)教學(xué)效果的提高。

3D打印材料與技術(shù)是一門理論密切聯(lián)系實際的課程，是理論性與應(yīng)用性都很強(qiáng)的交叉學(xué)科，目前材料行業(yè)快速發(fā)展，讓學(xué)生有機(jī)會去3D打印材料生產(chǎn)廠家以及3D打印機(jī)械部門參觀和學(xué)習(xí)，了解3D打印技術(shù)的最新發(fā)展并如何應(yīng)用于現(xiàn)實生活生產(chǎn)中，同時學(xué)生可在實踐中開發(fā)自己獨特的興趣愛好;鼓勵學(xué)生最好能利用寒暑假等節(jié)假日的時間里去機(jī)械廠家進(jìn)行金工實習(xí)培訓(xùn)，不僅能在空余時間鍛煉能力，也將對未來的工作生活具有深遠(yuǎn)的影響。

（三）工程實訓(xùn)鍛煉培訓(xùn)

在高校原有工程訓(xùn)練中心的基礎(chǔ)上，增加三維數(shù)字建模的設(shè)計以及3D打印快速成型技術(shù)的教學(xué)服務(wù)，讓學(xué)生近距離地接觸仿真的研發(fā)、車間和生產(chǎn)線，為教學(xué)提供全面實驗支持，使學(xué)生能將各種理論知識與科研實踐相結(jié)合，獲得解決實際問題的能力。

（四）創(chuàng)建學(xué)習(xí)電子平臺

隨著電子設(shè)備的普及以及數(shù)字校園、智能校園、互聯(lián)網(wǎng)+的發(fā)展，在課堂教學(xué)、課后自學(xué)中有效地利用智能電子設(shè)備輔助教學(xué)將成為順應(yīng)學(xué)生心意的教學(xué)改革方式。結(jié)合3D打印技術(shù)課程特點，學(xué)生利用班級微信群、QQ群等交流平臺進(jìn)行信息交流、資源共享、專題研討等，教師根據(jù)學(xué)生反饋的信息進(jìn)行有針對性的教學(xué);同時，學(xué)生可利用直播平臺、微信公眾號等自主發(fā)布、傳授所學(xué)到的知識、設(shè)計的產(chǎn)品，學(xué)以致用，將前沿科技進(jìn)行普及推廣，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣和創(chuàng)新能力。

學(xué)生亦可以組建團(tuán)隊利用互聯(lián)網(wǎng)+創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)平臺結(jié)合3D打印技術(shù)的學(xué)習(xí)成果成立自主研發(fā)的創(chuàng)新項目。互聯(lián)網(wǎng)平臺不僅為生活的發(fā)展帶來極大的便利，也為未來的工作生活創(chuàng)造無限的可能，3D打印技術(shù)將有著巨大的發(fā)展?jié)摿?，鼓勵學(xué)生能將理論學(xué)習(xí)與實際應(yīng)用智能地結(jié)合起來。

（五）課程成績評定

課程考試成績的評定應(yīng)以卷面考試為主、平時成績?yōu)檩o進(jìn)行核定，平時成績不僅包括課堂表現(xiàn)、平時作業(yè)，更應(yīng)將學(xué)生課外的自主學(xué)習(xí)情況進(jìn)行核定，包括學(xué)生的實習(xí)、知識傳播與拓展等多方面進(jìn)行。

四、結(jié)束語

作為本世紀(jì)最具發(fā)展前景的前沿科技研究熱點之一，3D打印材料與技術(shù)得到迅速發(fā)展，其在航空航天、醫(yī)學(xué)、建筑、電子等領(lǐng)域都有著廣發(fā)的潛在應(yīng)用價值，3D打印材料的偉大變革包括3D打印工程材料、導(dǎo)電材料、記憶材料、人體組織器官等從理論研究走向?qū)嶋H應(yīng)用，將引發(fā)技術(shù)和社會的革新，為人類的生活帶來無限新的可能。我們要積極適應(yīng)新科技的發(fā)展，改革現(xiàn)有的新材料教學(xué)內(nèi)容，改進(jìn)教學(xué)方法，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情，充分調(diào)動學(xué)生自主學(xué)習(xí)與科研創(chuàng)造的主動性，提升學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的主導(dǎo)地位，為材料行業(yè)培養(yǎng)合格的3D打印技術(shù)人才，促進(jìn)新材料行業(yè)的快速發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]桂亮，金悅，趙衛(wèi)軍，郭婷，張俊.3D打印技術(shù)在創(chuàng)客實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中的應(yīng)用[J].實驗技術(shù)與管理，2016，33（10）：181-184.

[2]史玉升，張李超，白宇，趙祖燁.3D打印技術(shù)的發(fā)展及其軟件實現(xiàn)[J].中國科學(xué)：信息科學(xué)，2015，45（02）：197-203.

[3]臧珊珊.面向創(chuàng)客教育的小學(xué)3D打印立體化教材的設(shè)計與開發(fā)研究[D].深圳大學(xué)，2017.

[4]王萍.3D打印及其教育應(yīng)用初探[J].中國遠(yuǎn)程教育，2013，（08）：83-87.

[5]王子明，劉瑋.3D打印技術(shù)及其在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用[J].混凝土世界，2015，（01）：50-57.

Abstract：3D printing technology，as a global developed rapid prototyping manufacturing technology，has been widely introduced into education teaching in China.The application of this technology also provides new concept and ideas for education work on manufacturing and material science majors.In view of the course features and the existing teaching problems，this paper proposes innovative methods to optimize traditional teaching，stimulate students' interest and creativity，and improve students' thinking innovation and practical ability.

Key words：3D printing materials and technology;course features;teaching innovation