校企共建3D打印實驗室在實踐教學中的應用探討

莫遠東， 連海山， 莫德云， 嚴偉聰

（嶺南師范學院機電工程研究所，廣東湛江524048）

0 引 言

近年來，被稱為“第三次工業革命”核心技術［1］的3D打印技術，推動著全球工業的轉型發展，其相對傳統的“減材制造”方法，被稱為“增材制造”［2］，主要應用于零件直接生產、快速成形、模具快速制造、金屬、陶瓷和復合材料零件的修復等［3］，有著生產周期短，制造成本低，個性化定制等特點，在零件加工、航天航空、國防、醫療、建筑行業、教育科研、食品、家具等領域得到廣泛應用［4］。據德國EOS 公司透露，F-35LighteningⅡ飛機有1 600 個零部件是使用3D 技術快速成形制造出來的［5］。近年來，3D打印技術在醫療上運用日益廣泛，西班牙薩拉曼卡大學借助利用澳大利亞科學3D打印設備成功制造出植入罹患胸廓癌患者體內的鈦合金胸骨與肋骨［6］；目前，3D 打印技術在武器制造方面重要性愈發凸顯，美國采用3D 打印技術成功制備出AIM-9 響尾蛇導彈制導部分的基座［7］；在現代建筑領域中，3D 打印技術也逐步在推廣，能節約建筑成本和工期，還能降低施工過程對周邊環境的影響，是一種低碳綠色化的施工手段，但目前只能打印簡單底層的建筑，如何打印高層建筑仍然是個難題［8］；隨著3D打印技術應用領域越來越廣，教育行業也出現了與3D打印相結合的教學模式，趙慶等［9］提出基于CDIO模式的3D 打印課程實踐教學應用；在食品領域，3D打印技術已經在焙烤食品、巧克力、糖果、肉類等食品中應用，但是大多數食品打印機出現在實驗室，面向市場的商業化3D打印食品技術還不成熟［10］；3D打印技術在家具設計與制造領域中逐漸應用，具有較大的應用前景［11］。本文以我校機電工程學院與湛江市特維電子科技有限公司合作共建的“嶺師-特維”3D 打印創新實驗室為基礎，進行3D 打印技術在實踐教學中的應用探討。

1 校企共建實驗室培養創新性應用型人才

《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006—2020 年）》中明確提出，要建立以企業為主體、市場為導向、產學研結合的技術創新體系，提高自主創新能力［12］；在清華大學百年校慶上，胡錦濤同志提出：“鼓勵高校同科研機構、企業開展深度合作，促進資源共享，努力為建設創新型國家做出積極貢獻”［13］；習近平總書記2018 年10 月在廣東考察時指出：“要加強推進產學研一體化，更多地走自主創新道路。”可知推進產學研一體化，加強高校與企業深度合作已被提升到國家層面的戰略高度。校企合作模式逐漸被國內企業、高等院校認可。沈陽大學信息工程學院借助校企聯合實驗室的建設，創新了教育模式，提升了人才培養水平［14］；北京印刷學院利用校企合作契機，極大激勵了實驗室隊伍的發展，優化了實驗室管理機制［15］。西南政法大學在校企合作基礎上，開創第2 課堂及“教-賽-學”三位一體培養體系，極大培養大學生創新創業能力［16］?！皫X師-特維”3D 打印實驗室是廣東粵西地區深度開展企業與師范院校工科專業合作的3D 打印創新實驗室，是我校探索校企合作的新模式，創新技術合作開發新思路，適應國家、廣東省對于我校應用型轉型升級發展需要，與企業開展深度合作的一種有意義嘗試，旨在打造新師范，推進新工科人才培養模式改革，全面培養學生的邏輯思維能力、創新設計能力、實踐動手能力和獨立解決問題的能力。圖1 所示為我校與湛江市特維電子科技有限公司合作共建的3D 打印創新實驗室。

圖1 校企共建模式下3D打印創新實驗室

2 3D打印教學改革方案

2.1 傳統3D 打印實驗室實踐教學模式存在的局限性

傳統的3D打印實驗室實踐教學為了完成教學任務，通常以老師講授為主導，學生絕大部分是被動接受知識，為了做實驗而做實驗。這種模式缺乏探索性思想，嚴重限制了學生的創造能力，不能鍛煉學生自主發現問題、分析問題、解決問題的能力，遠不能滿足國家實現“制造強國”對應用型人才的需求。依據國家的“中國制造2025”戰略目標和學校的“新時代、新師范、新工科”教育方針的要求，傳統3D打印實驗室在實踐教學方面存在的問題主要有以下幾點：

（1）3D打印實驗室實踐教學模式過于注重理論，忽略實踐。傳統3D打印實驗室實踐教學理論知識講解課時多，實驗課時少，通常一次實驗課安排多批學生進行實驗。實驗課時，老師帶學生以觀摩式或驗證式形式了解3D 打印設備結構并講解相應的工作原理，但由于時間有限，學生很難深入了解3D 打印設備運行原理、結構及控制形式，更沒有機會動手實踐，創新能力很難得到培養，實際動手能力難以提高。

（2）3D打印實驗室經費投入有限，設備規格型號陳舊落后，不能滿足學生拓展創新思維能力需求。傳統3D打印實驗室經費通常由學校統一規劃，只限購買數量不多的配置簡單、型號規格單一的設備，然而大部分配置高的主流設備由于經費不足無法購買，無法實現新工科對創新性應用型人才培養目標。

（3）3D打印實驗室實踐教學過于偏重完成常規教學任務，不能形成“以賽促學，以賽促建”模式，無法達到鍛煉學生自主發現問題、分析問題、解決問題能力及提高創新思維目的。傳統的3D 打印實驗室實踐教學，絕大部分都是面向教學完成常規實驗，內容死板，形式單一，老師講過，學生做過就算完成了教學大綱規定的實驗教學任務，學生沒有探索發展該新技術的空間與時間。

（4）3D打印實驗室教學只承接校內教學大綱任務，不能形成“以點帶面”輻射效應，促進中職、中小學3D打印教育事業發展。傳統3D 打印實驗室設備落后，只僅僅滿足學校內完成規定的教學大綱任務，功能單一，不能以校企共建3D 打印實驗室模式，由企業提供型號多樣、主流先進的設備，由企業經驗豐富的工程師和高校3D 打印團隊組成培訓教師團隊對中職、中小學創客基地等開展3D打印技術培訓，加快3D打印技術在中小學、職業技術學校普及速度，為培養更多3D打印方面應用型人才，推動3D打印教育事業發展打下堅實的基礎。

2.2 校企共建3D 打印實驗室模式下實踐教學課程改革總體設計

針對上述問題，我校機電工程學院致力探索新型實驗室建設，以改變傳統3D 打印實驗室現狀。校企共建3D打印實驗室模式引入，整合社會資源，利用企業雄厚資金以及相應豐富的技術經驗，以培養現代工匠型應用型本科人才為目的，探討建設一流3D 打印學科相應的人才培養方案，全面提升工科學生自主創新能力，培養學生重視基礎研究意識，達到全面提高實踐教學水平。圖2 為校企共建3D 打印實驗室模式下實踐教學課程改革總體方案。

圖2 校企共建3D打印實驗室模式下實踐教學改革總體方案

2.3 校企共建3D 打印實驗室模式下的實踐教學內容改革

在《中國制造2025》規劃中，3D 打印技術作為代表性的新興技術占有重要位置，貫穿創新能力提升、信息化與工業化深度融合、重點領域突破發展、推動智能制造等方面，充分體現出我國對3D 打印的重視程度。因此3D實驗室實踐教學改革顯得尤其重要，在校企共建3D打印實驗室模式下對傳統3D 打印實驗室教學內容進行改革，旨在培養更多適應《中國制造2025》對創新型應用型人才，為新工科注入新血液，達到提高學生創新思維、自主分析問題解決問題的能力。校企共建3D 打印實驗室模式下實踐教學內容改革如圖3所示。

圖3 校企共建3D打印實驗室模式下實踐教學改革內容

以校企共建3D 打印實驗室為基礎，建立全新的實踐教學課程，以理論知識為基礎，提高實踐動手能力、創新思維為重點，全面提升實踐教學體系寬度，為培養更多創新性應用型人才打下堅實的基礎，主要的實踐教學改革內容如下。

（1）利用企業贊助的獎學金開展學生開放性3D打印實踐課題，為學生提供創新實踐平臺提供資金支持。我校與湛江市特維電子科技有限公司合作共建的3D打印實驗室，每年企業贊助10 萬元設置“嶺師—特維3D打印”獎學金的一部分開展學生開放性3D打印實踐課題，學生每3 人組成一個團隊，自擬課題主題，通過提交課題申請書—學校組織專家評委會評審出10 項代表性課題—開題—中期評審—答辯結題（作品展示、專利成果或者論文發表）等環節，然后根據答辯成績由專家答辯委員會評定出一等獎1 名，二等獎2，三等獎3 名，優勝獎4 名，分別獎勵金額不等的獎金。有效地調動學生自主學習，自主分析問題、解決問題的能力，充分鍛煉了學生創新思維，發揮了學生聰明才智，提高了學生實際動手能力，在人才培養方面，極大滿足國家戰略需求，為社會主義現代化建設注入了教育動力。

（2）借助校企共建3D 打印實驗室平臺，定期派學生到合作企業學習3D 打印技術，包括企業先進的管理經驗、加工工藝、技術開發、設備裝配及調試等。機電工程學院借助校企共建3D 打印實驗室平臺，每學期派多名成績優異，動手能力強的學生到合作企業特維電子科技有限公司跟著經驗豐富的工程師學習3D打印設備技術的開發、新產品設備的裝配及調試、3D打印材料的研究、企業一流的現代化管理經驗等，讓學生到企業基層鍛煉自己動手能力，深度領悟理論知識與實踐相結合的意義。

（3）利用校企共建3D 打印實驗室，培育優質的3D技術學生創新創業孵化基地。學校高度重視大學生創新創業孵化基地建設，積極探索為大學生創業教育、創業實踐活動建立優秀的平臺，將學生盡快培育為技術創新主力軍，由此借助我校與湛江市特維電子科技有限公司合作共建的3D 打印實驗室平臺，依托企業豐富的資源以及高校雄厚的師資力量，機電工程學院孵化出“意創3D 體驗店”創新創業基地，一方面可以讓學生從被動學習、就業變為主動創業、自主發展，全面理解創新過程，激發創新意識，自覺去開發創新能力。另一方面對幫助學生自主創業，提高學生創業能力，緩解高校畢業生就業壓力，培育創新型應用型人才起著積極有效作用。

3 教學成果分析

依托我校與湛江市特維電子科技有限公司合作共建的3D打印實驗室，機電工程學院3D打印技術研發團隊帶領學生先后開發了桌面級XYZ 型3D 打印機、三角洲型3D打印機和分層多色3D打印機，指導學生創立了“意創3D體驗店”創新創業基地。同時3D 打印技術團隊老師指導學生參加“挑戰杯”“互聯網+”“火炬杯”“南方海谷杯”等創新創業大賽獲獎10 余項，其中國家級獎1 項，省級獎3 項。由此可見校企共建3D打印實驗室建設為培養學生實踐動手能力、創新意識，提高學生綜合素養，鍛煉學生自主創新創業能力發揮著重要的作用。

4 結 語

校企共建3D 打印實驗室，能有效實現雙方優勢互補、資源重組，企業為學校提供教育資源、企業師資、學生實習機會、產學研合作專項等，學校為企業提供聯合實驗室的場地、優秀創新性應用型人才、技術支持、推廣企業品牌等。校企共建3D 打印實驗室對我校人才培養、產學研合作機制、3D 打印研究等具有非常重要的意義，也有利于優化學校學科建設布局、拓寬人才培養渠道、創新校企辦學路徑，為實現“新時代、新師范、新工科”人才培養模式改革，全面培養學生的邏輯思維能力、創新設計能力、實踐動手能力和獨立解決問題的能力提供堅實的基礎，更會對粵西地區經濟發展和社會進步產生積極影響。