新工科背景下3D打印技術(shù)本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)

何揚(yáng)波，陳 劍，房飛宇，勞劍東

(1.廣東工業(yè)大學(xué) 藝術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院，廣州 510090；2.廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣州 510006)

0 引 言

當(dāng)前，世界范圍內(nèi)新一輪的科技革命和產(chǎn)業(yè)革命正在深入進(jìn)行，為主動(dòng)應(yīng)對(duì)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)，支撐服務(wù)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展，我國(guó)提出了“中國(guó)制造2025”“一帶一路”等一系列國(guó)家戰(zhàn)略。新經(jīng)濟(jì)發(fā)展迫切需要具有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)和多學(xué)科交叉能力的復(fù)合型人才支撐，相應(yīng)的高等工程教育改革受到廣泛關(guān)注與重視，2017年教育部提出新工科研究與實(shí)踐的號(hào)召, 從“復(fù)旦共識(shí)”“天大行動(dòng)”到“北京指南”,新工科建設(shè)“三部曲”全力探索適合新時(shí)代的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式，以形成領(lǐng)先全球工程教育的中國(guó)模式、中國(guó)經(jīng)驗(yàn)，助力高等教育強(qiáng)國(guó)建設(shè)[1]。新工科的目標(biāo)是培養(yǎng)未來(lái)多元化和創(chuàng)新型卓越工程人才，在此背景下，本科實(shí)踐課程建設(shè)，也與以往封閉式實(shí)驗(yàn)室環(huán)境不同。新工科背景下的培養(yǎng)體系將更加注重學(xué)科融合、校企融合、研教融合，實(shí)踐基地建設(shè)應(yīng)加強(qiáng)開放性、自主性，打造出一個(gè)開放式、個(gè)性化、由淺入深自主選擇式的學(xué)習(xí)和交流平臺(tái)[2]。

3D打印又稱為“增材制造 (Additive Manufacturing, AM)”，具有傳統(tǒng)制造模式無(wú)可比擬的巨大優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)受到世界各國(guó)的極大關(guān)注，被我國(guó)列入戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和“中國(guó)制造2025”規(guī)劃，并多年得到科技重大專項(xiàng)資金支持[3-5]。早在2015年，我國(guó)就已經(jīng)針對(duì)3D打印技術(shù)開展研究，提升3D打印技術(shù)的基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用水平，著力打造3D打印產(chǎn)業(yè)，搶占戰(zhàn)略高地。2017年，中國(guó)3D打印市場(chǎng)的規(guī)模已經(jīng)發(fā)展到100億元人民幣，進(jìn)入到高速發(fā)展期。但是目前我國(guó)高校的3D打印技術(shù)教育基礎(chǔ)相對(duì)薄弱，傳統(tǒng)培養(yǎng)模式已經(jīng)不能順應(yīng)社會(huì)對(duì)3D打印技術(shù)人才的迫切需求，培養(yǎng)相關(guān)的3D打印高端人才已經(jīng)迫在眉睫，探索新工科背景下3D打印技術(shù)本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)室人才培養(yǎng)機(jī)制和實(shí)踐教學(xué)模式具有重大意義[6]。

1 實(shí)驗(yàn)課程體系的構(gòu)建

3D打印涉及機(jī)械工程、材料科學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及工業(yè)設(shè)計(jì)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。3D打印技術(shù)本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)室課程體系構(gòu)建分為3個(gè)層次:基礎(chǔ)課程、實(shí)驗(yàn)課程、項(xiàng)目實(shí)踐，將復(fù)合型人才的培養(yǎng)作為基礎(chǔ)，注重學(xué)科交叉融合而又針對(duì)不同專業(yè)要求因需施教[7]。

3D打印基礎(chǔ)課程針對(duì)機(jī)械類、近機(jī)類、非機(jī)類專業(yè)的專業(yè)設(shè)置和課程體系情況，將3D打印創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育納入到常規(guī)課程體系。基礎(chǔ)課程涵蓋計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)、3D模型設(shè)計(jì)、逆向工程、快速成型裝備設(shè)計(jì)、3D打印材料、3D打印工藝等多個(gè)模塊，而又針對(duì)不同專業(yè)，適當(dāng)選擇模塊內(nèi)容和教學(xué)深度。如機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化、材料成形及控制等專業(yè)，可系統(tǒng)性對(duì)全課程內(nèi)容進(jìn)行教學(xué)；針對(duì)自動(dòng)化、測(cè)控技術(shù)與儀器等專業(yè)，則可省略或簡(jiǎn)化3D打印材料、3D打印工藝兩部分內(nèi)容；而針對(duì)工業(yè)設(shè)計(jì)等其他工科專業(yè)，則著重應(yīng)用教學(xué)，學(xué)習(xí)3D模型設(shè)計(jì)，了解逆向工程內(nèi)容即可。

3D打印實(shí)驗(yàn)課程，則可結(jié)合三維光學(xué)掃描儀使用、設(shè)計(jì)軟件使用、三維打印機(jī)操作等內(nèi)容，對(duì)從三維掃描、逆向建模、三維設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)處理至3D打印的整個(gè)工藝過程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，加深對(duì)3D打印技術(shù)的認(rèn)識(shí)和理解，實(shí)驗(yàn)教學(xué)部分以課程案例模仿操作和課程設(shè)計(jì)為主[8](見圖1)。

圖1 三維打印工藝全流程

3D打印項(xiàng)目實(shí)踐部分，則是傳統(tǒng)教學(xué)模式的升華，依托科研、產(chǎn)業(yè)平臺(tái)，強(qiáng)調(diào)研學(xué)融合、產(chǎn)教融合。

(1) 研學(xué)融合。即在實(shí)驗(yàn)室開放的情況下，以原有課程為基礎(chǔ)，以科研項(xiàng)目或者創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競(jìng)賽等實(shí)踐環(huán)節(jié)為紐帶培養(yǎng)人才的模式[9-10]，將成為高校全面有效地培養(yǎng)3D打印人才的新模式。學(xué)校依托大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目、學(xué)生科技競(jìng)賽、導(dǎo)師科研課題等，驅(qū)動(dòng)3D打印技術(shù)實(shí)驗(yàn)室管理和建設(shè)，為學(xué)生提供競(jìng)賽需要的設(shè)備、指導(dǎo)老師等，建立學(xué)生自主參與、自主學(xué)習(xí)，自我管理的3D打印實(shí)驗(yàn)室教學(xué)模式，形成了“以研促學(xué)”“以賽促學(xué)”的新模式(見圖2)。

圖2 研學(xué)融合的項(xiàng)目實(shí)踐模式

如設(shè)置題目為3D打印熔絲噴頭走路徑實(shí)驗(yàn)(見圖3(a))新課程，為實(shí)現(xiàn)直線OA，取直線起點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，已經(jīng)直線終點(diǎn)坐標(biāo)A值，M為噴頭實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)，若M在OA直線上，則根據(jù)相似三角形關(guān)系可得：

(1)

xm+1=xm+1,ym+1=ym

(2)

新的偏差：Fm+1=ym+1xe-xm+1ye=Fm-ye。

xm+1=xm,ym+1=ym+1

(3)

新的偏差：Fm+1=ym+1xe-xm+1ye=Fm+ye。

(b) 直線插補(bǔ)路徑圖

通過該例實(shí)驗(yàn)的實(shí)施(見圖4)，使得本科生了解插補(bǔ)的基本控制原理，逐步掌握直線插補(bǔ)三維打印堆積的優(yōu)化方法，培養(yǎng)本科生的三維打印設(shè)計(jì)能力。

(a) 插補(bǔ)直線三維堆疊的路徑設(shè)計(jì)

(b) 插補(bǔ)直線三維堆疊的效果

(2) 產(chǎn)教融合。也是3D打印項(xiàng)目實(shí)踐的關(guān)鍵。廣東工業(yè)大學(xué)與佛山數(shù)控研究院等、華南工業(yè)設(shè)計(jì)院等珠三角企業(yè)聯(lián)合制定培養(yǎng)計(jì)劃課程，通過“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”“3+1校企聯(lián)合培養(yǎng)班”[11]，前3年在校內(nèi)完成基礎(chǔ)課程修讀，第4年將針對(duì)產(chǎn)業(yè)需求，安排更具針對(duì)性的專業(yè)化課程內(nèi)容，在校企聯(lián)合培養(yǎng)基地校外導(dǎo)師指導(dǎo)下，結(jié)合企業(yè)實(shí)際項(xiàng)目，進(jìn)行專業(yè)實(shí)踐培養(yǎng)，深化職業(yè)勝任力導(dǎo)向的人才培養(yǎng)模式改革，提升人才培養(yǎng)質(zhì)量，建立高等院校與企業(yè)科技人才合作交流的中介和橋梁，培養(yǎng)具有創(chuàng)新思維和創(chuàng)新實(shí)踐能力的3D打印高層次專業(yè)人才，為區(qū)域產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)提供技術(shù)支撐和人才儲(chǔ)備。

2 實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

2.1 指導(dǎo)思想

全面貫徹黨和國(guó)家、廣東省有關(guān)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的實(shí)施意見，根據(jù)學(xué)校人才培養(yǎng)目標(biāo)，堅(jiān)持先進(jìn)性、綜合性、開放性等的原則，以培養(yǎng)學(xué)生的綜合創(chuàng)新能力為重點(diǎn)，打造集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、3D打印于一體的綜合實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，將創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育融入到實(shí)踐教學(xué)中。

2.2 建設(shè)思路

為了充分發(fā)揮3D打印綜合實(shí)踐平臺(tái)的作用，更好地為學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐服務(wù)，根據(jù)各個(gè)專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)需求不同，實(shí)驗(yàn)室將配置3D掃描儀，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集；配置相關(guān)的建模軟件，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)性處理，配置3D打印設(shè)備，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸出，形成了設(shè)計(jì)、加工一體化的實(shí)踐教學(xué)鏈條。使學(xué)生能夠系統(tǒng)性地進(jìn)行新產(chǎn)品的快速設(shè)計(jì)、快速測(cè)繪和3D打印整個(gè)產(chǎn)品研發(fā)驗(yàn)證環(huán)節(jié)的實(shí)踐，啟迪創(chuàng)新精神，發(fā)揮綜合能力。

基于上述實(shí)驗(yàn)室建設(shè)思路，在實(shí)驗(yàn)室的軟硬件配置上的考慮如下：

(1) 3D打印設(shè)備。3D打印硬件設(shè)備要滿足不同專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)需求，所以在設(shè)備配置上包括了SLASLSFDM3DPLOM等不同工藝的設(shè)備(見圖5)，可以支撐不同專業(yè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)中存在材料差異性(如金屬材料、非金屬材料；有機(jī)材料、無(wú)機(jī)材料；生物活性材料、非生物活性材料等)，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)規(guī)則形狀與復(fù)雜非規(guī)則形狀的制造。

圖5 新工科背景下3D打印實(shí)驗(yàn)室硬件設(shè)備構(gòu)成體系

(2) 三維建模軟件。新工科背景下的三維建模軟件教學(xué)，應(yīng)更側(cè)重于不同專業(yè)的實(shí)際需要，軟件工具的選型也更應(yīng)有針對(duì)。Pro/Engineer在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域具有很高的認(rèn)可度，主要針對(duì)電子行業(yè)與模具制造業(yè)三維打印設(shè)計(jì)；Solidworks的最大的優(yōu)勢(shì)在于操作相比較其他工業(yè)建模軟件命令的使用更加簡(jiǎn)單直觀，適合作為高校基礎(chǔ)三維設(shè)計(jì)專業(yè)課程內(nèi)容；UG功能十分豐富，適合構(gòu)建各種復(fù)雜形狀的三維實(shí)體，主要應(yīng)用領(lǐng)域是產(chǎn)品后期設(shè)計(jì)；3DMax功能強(qiáng)大并支持多款包括后期渲染在內(nèi)的插件，適合于三維特效建模(見圖6)。

(a) Pro/Engineer

(b) Solidworks

(c) UG

(d) 3DMAX

(3) 3D掃描設(shè)備。人機(jī)互通的媒介設(shè)備擁有等同的重要性。這就要求在手工設(shè)計(jì)或前段初創(chuàng)的造型必須能夠生成數(shù)字信息。所以新工科背景下的3D打印實(shí)驗(yàn)室也必須配備完善的建模設(shè)備體系，根據(jù)三維實(shí)體的大小、掃描要求精度、掃描速度等要求，可分為轉(zhuǎn)臺(tái)式、手持式、支架式與懸臂式4類，如圖7所示。

圖7 新工科背景下3D打印技術(shù)本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)室主要掃描儀器分類

3 雙師制隊(duì)伍建設(shè)

在3D打印技術(shù)本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)室實(shí)踐教學(xué)工作中，需建設(shè)由教學(xué)經(jīng)驗(yàn)豐富的資深專業(yè)教師、新工藝能力較強(qiáng)的青年實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員以及從事3D打印行業(yè)研究和應(yīng)用推廣的企業(yè)兼職老師組成一支高素質(zhì)師資隊(duì)伍[12]。學(xué)校探索實(shí)行本科生導(dǎo)師制和校企聯(lián)培班“雙師制”。

本科生導(dǎo)師制，除常規(guī)教學(xué)、實(shí)驗(yàn)外，還集聚高端學(xué)術(shù)資源與國(guó)際高層次人才為本科生開展前沿講座和科研實(shí)踐，感興趣的學(xué)生可申請(qǐng)加入導(dǎo)師課題組，在導(dǎo)師的指導(dǎo)下進(jìn)行科研訓(xùn)練。如機(jī)電工程學(xué)院微納3D打印實(shí)驗(yàn)室，除承擔(dān)科研任務(wù)外，還承擔(dān)本科教學(xué)任務(wù)，指導(dǎo)本科學(xué)生進(jìn)行科研實(shí)踐。同時(shí)，還鼓勵(lì)教師以科技特派員等身份，到企業(yè)掛職，對(duì)接產(chǎn)業(yè)需求。

校企聯(lián)培班“雙師制”，則除了校內(nèi)導(dǎo)師外，還遴選引進(jìn)來(lái)自華南工業(yè)設(shè)計(jì)院、佛山廣工大數(shù)控研究院、先臨三維等研究院、企業(yè)的行業(yè)專家、高端人才作為校外兼職導(dǎo)師，不定期到學(xué)校開展培訓(xùn)、講座，引進(jìn)具備3D打印技術(shù)理論基礎(chǔ)與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的師資對(duì)本科生進(jìn)行實(shí)踐項(xiàng)目指導(dǎo)。

4 創(chuàng)新人才培養(yǎng)體系

新工科的目標(biāo)是培養(yǎng)“頂天立地”的復(fù)合型高素質(zhì)技能人才，“頂天”就是指對(duì)接科技發(fā)展前沿和國(guó)家重大戰(zhàn)略，“立地”是指接地氣立足產(chǎn)業(yè)重大需求[13]。新工科3D打印技術(shù)人才培養(yǎng)體系要“一體多翼”，即注重建立基礎(chǔ)課程、實(shí)驗(yàn)課程、項(xiàng)目實(shí)踐多層次課程體系，校內(nèi)導(dǎo)師和校外導(dǎo)師的本科生導(dǎo)師制，教學(xué)科研平臺(tái)和企業(yè)實(shí)踐基地的產(chǎn)學(xué)研平臺(tái)支撐，以及學(xué)校、企業(yè)和政府多方協(xié)同培養(yǎng)機(jī)制[14](見圖8)。

圖8 新工科3D打印技術(shù)人才培養(yǎng)體系

《國(guó)家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)計(jì)劃 (2015—2016年) 》特別強(qiáng)調(diào)了加快3D打印技術(shù)人才的培養(yǎng), 鼓勵(lì)院校與企業(yè)聯(lián)合辦學(xué)或建立3D打印人才培養(yǎng)基地[15]。學(xué)校積極開展企業(yè)實(shí)踐教學(xué)，面向廣東產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，針對(duì)工業(yè)設(shè)計(jì)、模具、生物醫(yī)療等行業(yè)應(yīng)用，與華南工業(yè)設(shè)計(jì)院、佛山廣工大數(shù)控研究院等共建校企聯(lián)合培養(yǎng)基地、共建3D打印聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室、3D打印服務(wù)中心等，為學(xué)生提供校外實(shí)踐教學(xué)提供保障，從而為3D打印行業(yè)培養(yǎng)出更多專業(yè)性、復(fù)合型高端技術(shù)人才, 有利于專業(yè)人才培養(yǎng)和行業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。

5 結(jié) 語(yǔ)

在新工科背景下，3D打印技術(shù)本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)室，不僅要在實(shí)驗(yàn)室課程體系、師資建設(shè)上下足功夫，更要在人才培養(yǎng)體系建設(shè)上，充分考慮到學(xué)生培養(yǎng)和時(shí)代發(fā)展的需要。更重要的是實(shí)驗(yàn)室建設(shè)上，要充分面向國(guó)家和產(chǎn)業(yè)需求，構(gòu)建合理的裝備體系，實(shí)施產(chǎn)學(xué)研深度融合的實(shí)踐教學(xué)模式，同時(shí)注重學(xué)生能力和素質(zhì)的共同教育，最終實(shí)現(xiàn)新工科人才的培養(yǎng)目標(biāo)，滿足未來(lái)國(guó)家工程發(fā)展對(duì)人才的需求。