基于3D打印技術(shù)的實(shí)踐教學(xué)探索

徐海璐 房劍飛 韓雪 戎新萍

摘 要 新工科背景下，將3D打印技術(shù)應(yīng)用于教育領(lǐng)域。通過(guò)校企合作，共建3D打印實(shí)訓(xùn)中心，展開(kāi)3D打印實(shí)踐教學(xué)。本文通過(guò)教學(xué)環(huán)境、教學(xué)過(guò)程和教學(xué)考核三個(gè)方面進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)探索，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)，提高學(xué)生工程實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞 3D打印技術(shù) 實(shí)踐教學(xué) 創(chuàng)新意識(shí) 工程實(shí)踐能力

中圖分類(lèi)號(hào)：G712文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 3D打印技術(shù)

3D打印技術(shù)，又稱(chēng)三維打印技術(shù)，是一種快速成型技術(shù)，它以數(shù)字化模型為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過(guò)逐層打印的方式構(gòu)造物體。

3D打印技術(shù)是一種新興技術(shù)，隨著技術(shù)的成熟和其價(jià)格的下降，逐漸應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。將3D打印技術(shù)應(yīng)用于教育，是為教學(xué)提供思想、智慧和科技相融合的最佳路徑，通過(guò)將技術(shù)與教育有機(jī)整合拓展人的感覺(jué)和知覺(jué)，促進(jìn)思維能力的發(fā)展，提高創(chuàng)新能力。通過(guò)大膽設(shè)計(jì)，建立三維模型，3D打印機(jī)就能將三維模型打印為可觸摸可展示的實(shí)體。

為順應(yīng)時(shí)代潮流和企業(yè)需求，基于學(xué)校“工本位”的辦學(xué)理念，我們開(kāi)設(shè)了《3D打印創(chuàng)意設(shè)計(jì)與制作》這門(mén)課程，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，提高學(xué)生的實(shí)踐能力和職業(yè)素養(yǎng)，為后續(xù)學(xué)習(xí)和工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2 3D打印教學(xué)實(shí)踐

2.1教學(xué)環(huán)境

學(xué)校通過(guò)與3D打印相關(guān)企業(yè)和其他高校進(jìn)行合作，共建3D打印實(shí)訓(xùn)中心。目前擁有數(shù)十臺(tái)3D打印設(shè)備，包括FDM桌面級(jí)3D打印機(jī)、桌面級(jí)和工業(yè)級(jí)SLA成型打印機(jī)等。

教學(xué)實(shí)踐中主要用的是FDM教學(xué)型3D打印機(jī)。該設(shè)備為榫卯式結(jié)構(gòu)，主要包括驅(qū)動(dòng)模塊、控制裝置、傳動(dòng)裝置、打印平臺(tái)、進(jìn)料裝置、打印噴頭和冷卻裝置等功能模塊。打印噴頭采用K型熱電偶式單噴頭，噴嘴直徑為0.4mm，打印模型尺寸規(guī)格為150mm？50mm？50mm，打印材料主要為PLA（聚乳酸）。該3D打印機(jī)的工作原理是采用絲狀熱熔性材料作為原材料，利用進(jìn)給裝置擠絲并進(jìn)入噴頭，將材料進(jìn)行熔融，通過(guò)加熱噴頭將材料擠出，打印噴頭在驅(qū)動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)下沿X軸和Y軸運(yùn)動(dòng)，按照一定的軌跡進(jìn)行沉積。當(dāng)一層截面沉積完成后，工作臺(tái)Z軸方向下降一個(gè)層的厚度。重復(fù)上述步驟，層層疊加構(gòu)成一個(gè)三維實(shí)體模型。

FDM桌面級(jí)3D打印機(jī)總體尺寸不大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，非常適合學(xué)生的實(shí)踐操作。其他類(lèi)型的3D打印設(shè)備主要用于認(rèn)知實(shí)驗(yàn)。

2.2教學(xué)過(guò)程

本課程以設(shè)計(jì)制作3D打印作品為主，通過(guò)課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生了解3D打印技術(shù)的基本知識(shí)，掌握3D打印制作的方法，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，提高創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力、實(shí)踐能力和職業(yè)素養(yǎng)等，為后續(xù)學(xué)習(xí)和工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

本課程共32學(xué)時(shí)，分為12學(xué)時(shí)理論學(xué)習(xí)和20學(xué)時(shí)的實(shí)踐操作，采用工程實(shí)踐案例驅(qū)動(dòng)和問(wèn)題驅(qū)動(dòng)相結(jié)合的教學(xué)模式。

理論學(xué)習(xí)中，以引發(fā)學(xué)生對(duì)3D打印技術(shù)的興趣為主，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入自主學(xué)習(xí)狀態(tài)，讓學(xué)生能夠帶著快樂(lè)的心情學(xué)習(xí)。主要內(nèi)容包括3D打印基礎(chǔ)知識(shí)、三維軟件和切片軟件的安裝及使用等。本課程中所學(xué)三維設(shè)計(jì)軟件主要有Pro/E和UG軟件，通過(guò)三維建模生成STL格式文件。切片軟件主要有Slic3r和CURA軟件，通過(guò)切片處理生成G code格式文件。在軟件學(xué)習(xí)中，用工程實(shí)踐案例引導(dǎo)教學(xué)。采用教師邊講，學(xué)生邊做，講練結(jié)合，在做中學(xué)，力求學(xué)以致用，做到由簡(jiǎn)到繁、由易到難。教學(xué)過(guò)程中，不斷培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。

實(shí)踐教學(xué)中，以“問(wèn)題驅(qū)動(dòng)”為原則出發(fā)，抓住學(xué)生實(shí)踐中常出現(xiàn)的疑惑，以問(wèn)題的方式導(dǎo)入每個(gè)知識(shí)點(diǎn)，操作和演練相結(jié)合，增強(qiáng)學(xué)生動(dòng)腦能力，提升空間思維能力。主要內(nèi)容包括3D打印機(jī)的操作，讓學(xué)生動(dòng)手進(jìn)行3D打印作品的設(shè)計(jì)和打印處理。操作3D打印機(jī)的工作過(guò)程包括在控制面板上設(shè)置打印溫度和速度等打印參數(shù)、調(diào)平打印托盤(pán)、裝卸耗材、將含有G code格式文件的U 盤(pán)導(dǎo)入打印機(jī)即可實(shí)現(xiàn)3D打印。教學(xué)過(guò)程中，不斷提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力。

2.3教學(xué)考核

本課程的考核方式是考查。具體考核分配比例為：考勤（25%）、個(gè)人文檔實(shí)訓(xùn)報(bào)告（30%）、小組匯報(bào)和小組作品（45%）。學(xué)生需自選設(shè)計(jì)軟件和設(shè)計(jì)內(nèi)容，完成至少1件創(chuàng)新作品的設(shè)計(jì)與制作。參與小組作品的設(shè)計(jì)與制作，幾個(gè)學(xué)生聯(lián)合創(chuàng)新設(shè)計(jì)一件較綜合型組裝式創(chuàng)新作品并完成小組PPT展示。實(shí)踐過(guò)程中，要求學(xué)生在具有獨(dú)立解決問(wèn)題的能力和團(tuán)隊(duì)合作精神，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和工程實(shí)踐能力。

3結(jié)束語(yǔ)

在新工科背景下，將3D打印技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)。通過(guò)校企合作，共建3D打印實(shí)訓(xùn)中心，展開(kāi)3D打印實(shí)踐教學(xué)。讓學(xué)生獲得前沿的科技知識(shí)，掌握3D打印技能，培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)，提高工程實(shí)踐能力，將學(xué)校“工本位”的辦學(xué)理念落到實(shí)處。

參考文獻(xiàn)

[1] DANIEL，G.&H.BASTIAN&G.FRANZ，etal.Continuous 3D-printing for additive manufacturing[J].Rapid Prototyping Journal，2014，20（04）：320-327.

[2] 王忠宏，李揚(yáng)帆，張曼茵.中國(guó)3D打印產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀及發(fā)展思路[J].經(jīng)濟(jì)縱橫，2013（01）：90-93.

[3] 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(shí)現(xiàn)[J].中國(guó)科學(xué)：信息科學(xué)，2015，45（02）：197-203.

[4] 任曉東，陸永明.熔融沉積3D打印機(jī)所面臨的問(wèn)題及解決辦法[J].機(jī)械工程師，2017（01）：103-104.