新工科背景下工程訓練中心新技術教學探索與應用實踐

劉文康 王黎航

（1.浙江科技學院自動化與電氣工程學院 浙江 杭州 310023；2.浙江科技學院創新創業學院 浙江 杭州 310023）

新工科建設旨在培養一批實踐能力強、綜合素質高、理論基礎深厚、思維能力突出、善于主動學習的復合型人才［1］。習近平總書記于2018年9月10日在全國教育大會上號召高校加強大學生的勞動教育，引導學生崇尚勞動、尊重勞動，懂得勞動最光榮、勞動最崇高、勞動最偉大、勞動最美麗的道理，長大后能夠辛勤勞動、誠實勞動、創造性勞動［2］。工程訓練實訓課程在本科教育中起到了舉足輕重的作用，作為本科教育必修課程之一，其在工程教育中具有重要意義［3］。工程訓練實訓課程可以達到理論聯系實際、培養和鍛煉學生綜合能力的目的［4］。針對面向新工科對創新實踐人才的培養要求，就需要高校在現有的實踐教育體系下進行新的探索，與創新教育更好地結合，培養出滿足新工科需求的工程實踐能力強、創新能力強、具備國際視野的高素質復合型人才。

3D打印技術是一種廣義上的概念，是一種通過逐層累加材料的方法制造實體零件的技術，相對于傳統的材料去除（切削加工）技術與材料重塑（鑄造加工）技術，是一種材料累加制造方法。3D打印作為先進制造技術，已經廣泛應用于機械制造、機電應用、航空航天等重要領域，具有材料環保、加工效率高、可創造性強等優點，極其適合新產品的研發與制造［5］。3D打印設備是集機械、控制及計算機技術等為一體的系統，涉及范圍廣泛，滿足了新工科對學生具備全面的知識結構的要求［6］。為此，浙江科技學院工程訓練中心近年來開設了3D 打印加工實訓課程，將3D 打印技術與傳統的金工實習教學相結合，做出了新工科背景下工程訓練中心新技術應用的探索與實踐。

1 3D打印技術課程的教學要求

1.1 以培養具有實踐能力與創新能力人才為目標

通過引入3D打印的新技術，推動了工程訓練培養計劃的發展，增強了學生工程創新意識和創新能力。3D打印技術加工實訓課程的主要目的是讓學生了解先進制造技術的原理和制造方法，學生可以掌握并熟練運用3D打印技術，培養自身的工程創新意識和創新能力。

1.2 以3D打印作品設計制造為主要內容

3D打印作品設計制造可以讓學生在3D打印課程學習中提升，不斷適應新工科對創新實踐的需求，有利于培養學生創新創業能力和提高人才培養質量。在3D打印課程上開展課程作品設計制造，學生上交作品后，老師們對作品展開評選與交流活動，以此為載體，實現創新實踐能力與工程實踐能力的提升。通過課程作品設計制造比賽的形式，擴大3D打印技術課程的影響力，使之與其他學科專業相結合，如機械專業的機械建模、藝術專業的作品染色。學生在3D打印技術課上學習先進制造技術的同時，也學習了其他學科專業的知識。在學生參與課程作品設計制造的過程中，通過學習先進制造技術，將多學科知識融合，通過以小組的形式完成，不僅提高了創新實踐能力，同時還可以實現團隊合作能力、溝通表達能力等綜合素養的提升。

1.3 結合引入通識教育的運行機制與發展

在3D打印技術加工實訓課程中，通過引入通識教育，使學生深入理解和形成馬克思主義勞動觀，提升學生文化自信，培養學生社會責任感，樹立正確的人生觀、價值觀［7］。通過設計制造型課程中命題式建模實踐為五角星建模與創新提高型課程中課程創意設計主題為“慶祝建黨百年，圍繞紅船精神”，使學生理解愛崗敬業、吃苦耐勞，通過“紅船精神”的課程創意設計主題，可以培養學生對中華民族燦爛文明的自豪感和對中華民族偉大復興的自信，增強學生的社會責任感，幫助學生樹立正確的人生觀和價值觀。

2 3D打印技術課程的教學探索

2.1 3D打印技術課程的教學改革要點

（1）增加學生創新實踐環節。學生進行3D打印的基礎知識學習之后，為了進一步加強對3D打印的基礎知識記憶和使用，應當鼓勵學生自主設計相關內容。自主設計實踐更能提升學生的創新實踐能力，應當給予學生一定程度上的指導與幫助，讓學生更好地在3D打印技術課程中提升自我。

（2）完善學生課程考核機制。工程訓練中心的實訓課程往往通過實操成績和實驗報告進行評估，對自主創新過程考核較少，這極大地限制了學生的創新實踐能力的發展，使得學生對知識的獲取與認識只停留在課堂上的所學所練之中。通過課程創意設計的形式激發學生的參與熱情迫在眉睫，同時，通過宣傳與展示優秀的自主設計作品，進一步激發學生互相競爭學習的熱情與動力。

（3）豐富課程教學內容方式。除了3D打印技術加工實訓課程的正常基礎知識教學以外，更應該培養學生的創新實踐能力和自主發現問題解決問題的能力。當學生在實踐過程中遇到困難時，可以讓學生以小組討論的形式進行交流，讓學生在交流學習中收獲，可以更好地解決問題。

2.2 3D打印技術課程的教學安排內容

3D 打印技術加工實訓課程的教學安排內容是學生了解以3D 打印為例的先進制造技術的原理和制造方法，并熟練使用3D 打印技術，用以培養自己的工程創新意識和創新能力。工程訓練實訓課程的受眾群體是全校本科生，則在課程內容的安排上應當滿足循序漸進和分專業模塊的設置。

在課程安排上設置了3 類課程，即認知理解型課程、設計制造型課程、創新提高型課程，課程內容循序漸進。課程內容與課程要求如表1所示。

表1 3D 打印技術加工實訓課程安排與目標

（1）認知理解型課程。教學方式主要以講述、演示為主，教學過程多運用課件、演示視頻等多媒體方式，并且結合3D打印課程實例。通過3D打印實物、課件、視頻相結合的教學手段，使3D打印教學過程課堂氣氛生動活潑，同時實現理論知識直觀、內容形象，學生易于接受。

（2）設計制造型課程。設計制造型課程主要采用綜合型實踐教學，讓學生學習理論知識和培養動手能力。學生首先通過認知理解型課程學習“3D 打印”相關理論知識；再通過設計制作過程，強調學生自主性，讓學生體驗從產品創意設計、3D模型到打印制作的全過程，讓學生在這個過程中提高分析問題和解決問題的能力，如圖1、圖2所示。

圖1 學生于設計制造型課程中設計與制造五角星

圖2 學生于設計制造型課程中設計與制造“永遠跟黨走”系列作品

（3）創新提高型課程。綜合提高課程主要采用基于項目驅動的教學方法，學生任務是綜合運用SOLIDWORKS、Rhino 等建模軟件親手操作3D 打印機器。教師明確設計任務和要求后，學生應充分發揮自主性，從建模和制作等都由學生自行完成，為學生能動性的發揮和創新留下足夠的空間。

3D 打印技術課程的開展使傳統工程訓練中心的內容更加完善，將先進制造技術與傳統工程技術的結合，讓學生接觸新技術、開拓新思維，使學生的實踐精神與創新精神有機結合。

3 3D打印技術課程的應用實踐

3.1 3D打印技術應用于課外創新實踐活動

為了實現科技強國、建設創新型國家，需要我國教育工作者努力探索培養創新型人才。當學生試圖將創意想法實踐時，常囿于現實而被迫終止：標準零部件需要在市場逐一選擇，過程繁雜；對于非標準零部件，學生自主加工精度不高，代工廠加工周期長且加工昂貴，難以實現學生的創想，消減了學生創新的主動性。以3D 打印為例的先進制造技術可以很好地改變這一現狀。通過3D打印技術，有利于學生進行科技發明或創新制作，3D打印技術能為學生創新制作提供一種更為高效、簡單的方式。

3.2 3D打印技術應用于培養學生的綜合技能

3D打印設備是集機械、控制及計算機技術等為一體的系統，涉及范圍廣，具體包括了機械設計、計算機技術、控制技術、光學技術、材料科學等多種新興技術，其促使學生加強多領域知識的學習融合，符合新工科對于當今綜合性創新人才的需求。因此，對于大學生來說，3D 打印課程不僅是一種創新實踐課程，更應該通過對3D打印技術的系統學習，深入了解學習所涉及的各種技術知識。

3.3 3D打印技術應用于學生創新實踐能力展示載體

以3D 打印技術為例的先進制造技術可以將學生的創新思維想法很好地展示，通過應用3D 打印技術，達到技術是為人所服務、為人所用的目的。在實際操作中，很多情況只通過3D 打印技術不能夠實現，需要學生結合各種技術知識，使3D打印技術更好地體現。

如圖3所示，學生將傳統3D打印技術作品增添后續處理，將其進行上色。因3D 打印材料本身上色不易，因此，學生在創新實踐中同時，提升了上色技術。

圖3 3D 打印技術與上色技術相結合

如圖4所示，學生通過將3D打印技術與銑削技術相結合，解決了傳統3D 打印材料結構強度不高的問題，制作出3D打印花盆。

圖4 3D 打印技術與銑削技術相結合

4 結語

新工科背景下，對于新技術應用于工程訓練中心課程的教學探索與應用實踐的討論詳述了3D 打印課程對于工程訓練中心課程的教學改革的方案，此方案旨在增強學生的實踐學習興趣和自主實踐的積極性，推動學生的創新創業教育與通識教育的融合發展，提升學生的實踐能力與創新能力。將結合引入思政內容，融入“大國工匠”等愛國情懷，提出一種新的通識教育思政教育模式。多學科交叉融合是思維創新的源泉，3D 打印設計制造將多學科知識融合，不僅提高了創新實踐能力，同時還可以實現團隊合作能力、溝通表達能力等綜合素養的提升。3D 打印技術課程的探索與實踐為其他模式的發展建設提供了參考，具有借鑒作用。