新工科背景下“3D打印工程訓練”創新教學探索與實踐＊

李家鵬，王洪博，孫 霞，李 生，王好臣

（1.山東理工大學工程實訓中心，山東 淄博 255049；2.山東理工大學電氣與電子工程學院，山東 淄博 255049；3.山東理工大學機械工程學院，山東 淄博 255049）

工程訓練是普通高等學校本科教學中重要的基礎實踐教學環節，是一門工程實踐性很強的技術基礎課程，是培養學生工程實踐能力、創新精神和社會責任感的重要載體。在新工科建設背景下，應當注重發揮工程訓練中心的資源優勢，積極將具有先進性、創新性和時代性等特征的新技術融入到工程訓練項目中，積極探索促進高素質創新人才培養的新途徑，不斷滿足創新驅動發展、產業轉型升級和新舊動能轉換等對高素質復合型新工科人才的需求[1-4]。

3D打印作為極具發展前景的先進制造技術，是集CAD技術、數控技術、新材料技術、激光技術等于一身的零件原型快速制造技術，在工業技術發展和創新型人才培養方面都占有舉足輕重的地位[5]。與傳統制造技術的去除材料法不同，3D打印是將材料逐層堆積制造模型。運用3D打印可以加工任何表面復雜的工件，無需考慮從毛坯到零件之間的工藝過程，大大縮短了新產品的研發周期[6]。將3D打印技術應用到工程訓練實踐教學中，對學生的動手能力、創新能力和創新思維的培養都有重要的促進作用，對新工科人才的培養具有積極意義[7]。3D打印“增材制造”的引入，有效地為學生建立了車削、銑削等常規加工的“減材制造”，鑄造、鍛造等“等材制造”完善的工藝方案，使學生對工程訓練中的加工工藝有了更深層次的理解。因此，在工程訓練課程中開設“3D打印”訓練模塊，讓學生了解和掌握這種先進的制造技術，符合新工科建設對創新型人才培養的需求，符合社會發展的需要。

學校工程訓練中心以新工科建設為抓手，以“知識成體系、訓練分層次、四年不斷線、專業全覆蓋”為宗旨，建有“工程認知訓練平臺”“工程基礎訓練平臺”“大學生創新訓練平臺”和“專業綜合訓練平臺”四大平臺，從而形成一個完整的工程訓練體系，并不斷拓展創新訓練項目，提高工程訓練教學對新工科建設的支撐作用。本文以機電產品創新設計3D打印在新工科背景下工程訓練教學中應用為載體，不斷探索創新訓練教學項目和新工科人才培養新模式，以鍛煉學生從三維創新設計、逆向工程、3D打印、部分零件機械加工、計算機與電氣控制為過程控制，以CDIO教學模式和工程管理為輔助手段，建立面向專業認證的教學案例，并且該案例涵蓋需求分析、產出目標、問題剖析、多媒體課件、知識內容講解、成績評價、持續改進等，并結合互聯網平臺完成線上與線下互動、校企互動的全方位、全新的立體教學模式，力求為培養全面發展的新工科人才提供一定借鑒意義。

1“3 D打印工程訓練”創新教學思路

在工程訓練中設置3D打印訓練模塊的目的是將3D打印技術的原理、方法和應有場景等傳授給學生，切實提高工程訓練的真實性、教育性和創新性。結合上文所述的四大工程訓練平臺，提出分別建立對應訓練平臺的3D打印創新訓練教學體系，即認知、基礎、創新和綜合提高四個教學體系，針對不同的教學體系設計模塊化教學案例，服務于相關專業的課程實驗、開放實驗課程、課程設計、畢業設計實驗、科技創新實踐等實踐教學環節，促進實踐課程體系與創新人才訓練模式互動發展。

2“3 D打印工程訓練”創新教學體系實施

2.1 認知訓練教學

工程培養即工程教育，是將工程思維作為人類共性的學科基礎。工程認知訓練教學是以其特有的實踐性和工程環境讓學生身臨其境地感受工程的魅力和特點[8]。

通過建立以3D打印微視頻為代表的認知訓練教學案例庫，借助信息技術，把優質教學資源進行分享，學生可以充分利用零散的、碎片化的時間進行網上學習，以提高工程認知訓練教學質量[9]。學生通過網絡平臺上的相關知識學習，然后進入課堂教學和實踐環節，進一步了解和掌握3D打印技術基礎知識，并學會使用桌面級3D打印設備，能將自己的想法通過3D打印制造的方式表達出來。在教學過程采用小組教學法，一般由不同專業的若干個學生自由組合成一個學習小組，每個學習小組在教師指導下共同完成一個訓練項目，充分調動學生學習的積極性和創造性，培養學生的團隊意識和工程意識。

2.2 基礎訓練教學

在認知訓練教學平臺的基礎上，以教育部高教司組織的“產學合作協同育人項目”為契機，與企業共同探索協同育人項目的內涵，以“互聯網+3D打印”為載體，創新性改革教育教學模式。

通過建立以指定3D打印模型代表的基礎訓練教學案例庫，借助指定模型設計與3D打印制作訓練，使學生掌握3D打印的相關原理與概念、制作的工藝過程及其應用，并熟練使用3D打印設備及日常維護。在教學過程中采用現場教學和“互聯網+3D打印”平臺自主學習模式，讓學生把自己設計的作品上傳到互聯網+平臺上，這樣學生既能與指導教師現場進行交流又能在互聯網+平臺上與優秀的設計師進行交流、學習，從而讓學生在這個過程中提高了分析問題和解決問題的能力，實現先進設計理念和優質教學資源的共享和融合。

2.3 創新訓練教學

創新訓練教學以提高學生的創新能力為核心，著重培養學生的創新意識、創新能力和工程實踐能力的教育教學模式。創新訓練教學是對認知訓練教學和基礎訓練教學的提升，主要針對有一定專業基礎但又不僅限于該專業的學生。

通過建立以逆向建模的3D打印為代表的創新訓練教學案例庫，以開源控制的機器狗、全向運動車等為代表，對滾珠絲杠、電機、聯軸器、全向輪或麥克納姆輪等關鍵零部件進行三維測量，并利用逆向工程構建其三維CAD模型，對其他零部件進行設計，完成整個裝置的三維CAD模型，然后3D打印成型后進行裝配、調試和改進設計。在教學過程中采用項目驅動教學法，以項目為抓手，以學生為主體，以教師為引導，充分發揮學生的主動性，從測量、建模和3D打印成型等都由學生自主完成，不斷培養具有創新意識、實踐能力和工程素養的創新型人才。

2.4 綜合提高訓練教學

綜合提高訓練教學是以培養學生動手能力和綜合工程能力為教學目標，從實際工程問題出發，以實際科研項目或教學項目為載體，以產出為導向，以學生為中心，很好地契合了專業認證和新工科教學的要求。整個訓練過程按照技術要求完成機電產品的設計、分析和制造，從而實現以實際工程項目為導向的創新課程教學模式改革。

通過組建3D打印綜合提高訓練班，以實際機電產品創新設計為引領，打破班級及專業的限制，組建小團隊，該團隊包含機械、電氣、計算機、工業設計及管理等專業的學生。訓練過程中除進行理論與技能訓練外，還進行過程管控、角色扮演、方案交流與決策等。訓練過程進行分時段、分項目的全程跟蹤、評價、淘汰與更新，實現持續改進，激發學生學習的內生動力。訓練過程中將3D打印技術融入到教科研項目和大賽中，使學生的大工程意識和解決實際工程問題的能力得到提升。

3 結語

本文針對工程訓練平臺創新訓練項目建設，不斷探索創新教學項目和新工科人才培養新模式，以機電產品創新設計3D打印在新工科背景下工程訓練教學中應用為載體，建立基于工程訓練平臺的“3D打印工程訓練”創新教學體系，針對不同的教學體系設計模塊化教學案例，充分發揮工程訓練的關鍵作用，提高學生的工程實踐能力和創新能力，為培養全面發展的新工科人才發揮積極作用。