基于學科競賽的3D打印實踐教學模式的研究

安芬菊，張靜，吳敬權

（廣東海洋大學機械與動力工程學院，廣東 湛江 524088）

1 前言

當前國內工科專業學生的創新能力較弱是高等工程教育中的一個痛點，是制約創新型工程科技人才培養的關鍵因素之一，如何提高大學生的創新能力并建立以學生為中心的工程實踐教育是需要持續建設與探索的重要問題。其中大學生學科競賽尤其是工科機械、機電類的學科競賽，是培養大學生綜合創新能力的重要途徑，具有常規實踐教學沒法替代的特別教育模式，是提高大學生理論設計能力、創新實踐能力、團隊合作能力等綜合能力的有效教學活動。比如，全國大學生機械設計創新大賽、全國機器人創意設計大賽、中國大學生工程實踐與創新能力大賽（原全國大學生工程訓練綜合能力競賽）、廣東省工科大學生實技能競賽等學科競賽中零件的制造是參賽學生都必須解決的難點問題。參賽學生如果采用數控加工或其他傳統的減材制造的方法，由于受到機械加工工藝的限制，零件的結構設計必須符合加工工藝的要求，設計的零件數量多，零件加工需要不同的人員和機械設備進行聯合生產，生產過程煩瑣，制造周期長，對于參賽時間緊張的學生來說是不小的技術挑戰。然而3D打印作為一種制造業領域迅速發展的新興技術，采用先離散再堆積的方式來逐層生成三維實體，不同于傳統的車、銑、刨、磨、鉗等去除材料的加工方式，是一種全新的材料逐層增加制造方式，具有自動、快速、直接和比較精確的將CAD三維模型設計轉化為實物產品的特點，適合在學科競賽中制造各種連接零件，也非常方便實現零件制作的再設計與再制造，具有零件的制造成本低，生產周期短的優點。采用3D打印技術加工零件，則可以將零件進行整合的設計，減少零件的個數，簡化加工流程，提高設計作品的制作周期。同時，便于設計作品的升級改進。最重要的是相對于傳統的機械加工，3D打印技術加工工藝易學易懂，3D打印設備操作簡單，自動化程度高，安全性好，這些特點都非常適合在校學生從事創新設計與制作活動。

由于3D打印技術在大學生學科競賽中對于外形的制作、結構件的制作可以發揮重要的輔助作用，因此基于學科競賽的3D打印實踐教學模式的研究顯得非常必要，下面從構建“基礎+提高”相結合的3D打印實踐教學體系、建立“一大+一小”雙3D打印實踐硬平臺、 建立了完善、開放、有序、安全的軟平臺、創建良好的3D打印工程競賽文化環境氛圍等多方面進行了基于學科競賽的3D打印實踐教學模式的探究，全面提升學科競賽中學生的創新能力。下面對該教學實踐模式進行具體闡述。

2 構建“基礎+提高”遞進式的3D打印實踐教學體系

“基礎+提高”相結合的3D打印實踐教學體系，具體包括“基礎認知、基礎訓練、提高拓展、創新實踐”4個階段。其中基礎認知、基礎訓練階段屬于“基礎”模塊，提高拓展、創新實踐階段屬于“提高”模塊。“基礎”模塊階段主要學習3D打印技術實踐課的通識性教學內容，教學對象為全校的理工科學生。“提高”模塊學習3D打印零件的制作工藝，3D打印設備的維護，教學對象為學科競賽及創新項目、創新團隊的大學生。教學方式上注重“課內+課外+互聯網”三方聯動，夯實基礎，突出創新。

3 建立“一大+一小”雙3D打印實踐硬平臺

這里的“一大”是指工程訓練中心建立的3D打印實踐平臺，屬于大平臺，主要承擔全校的3D打印教學任務，建筑面積有400多m2，包括多媒體設計室與3D打印室，其中3D打印室-1全部放置桌面級3D打印機，3D打印室-2室用于放置工業級3D打印機。多媒體設計室配有48臺臺式電腦，滿足學生設計的要求，2間打印室擺放有不同種類和不同工藝的3D打印設備，具體包括工業級SLS激光選區燒結設備2臺（一臺用于燒結尼龍PA材料，另一臺用于燒結聚苯乙烯PS材料）；工業級FDM熔融沉積快速成形設備3臺；工業級立體激光固化3D打印機1臺；桌面級FDM 3D打印機20臺。以上設備硬件與場地為開展實踐教學提供了充分的保障。

這里的“一小”是指大學生機械創新基地，在大學生創新基地配備了5臺桌面型3D打印機，其中包括有4臺太爾時代UP plus 2型，1臺太爾時代UP 300型。太爾時代的3D打印機為全國大學生先進成圖技術與產品信息建模創新大賽、廣東省工科大學生實技能競賽官方指定的比賽設備，配備這樣的機型給參加學科競賽的學生進行日常的訓練提供開放平臺，管理上采用學生自主管理和老師日常管理的方式，確保設備的正常運轉率，為學生的創新訓練提供安全可靠保障。

4 建立了完善、開放、有序、安全的軟平臺

4.1 創立了教師指導團隊和學生創新團隊

根據不同的學科競賽項目，建立了各自動態穩定的學科競賽團隊，組建了具有相應理論知識、工程技術水平、凝聚力強的教師指導團隊，根據廣大海洋大學教職工考核評價的文件精神，老師指導學生獲得各級各類的比賽，就有相應的業績積分和績效獎勵，所以老師的指導學生學科競賽的積極性非常高，同時，根據廣東海洋大學創新學分和考研保研的相關規定，獲得學科比賽的學生有相應的創新分，因此，學生的參與度及參與熱情很高，創新團隊或學科競賽團隊成員，一般都要通過校內選拔，方可進入創新團隊或是競賽團隊，進入團隊的學生是包括各個年級的優秀學生，形成了多支梯隊合理的創新團隊，特別有助于團隊的持續發展。

4.2 建立健全開放共享與實驗室安全保障機制

為了提高3D打印實踐平臺的使用效率，高效服務于學生，“一大+一小”雙3D打印實踐平臺均采用開放共享的管理方式，最大化地發揮作用。第一，拓寬了雙3D打印實踐平臺的使用范圍，面向學科競賽的師生開放，對學生通過學科競賽項目團隊的形式實施管理，設備的使用與耗材的管理由學生與實驗教師共同管理，建立了完善的審批與登記制度。第二，在3D打印實踐平臺開放的過程中，優化的運行環境，保證實驗設備的低故障率是關鍵，審批通過后進入實驗室的同學，一律進行實驗室安全培訓，為了保證設備的低故障率，對每一批次的學生進行設備的安全操作培訓同時提醒學生，如果設備有故障發生的情況下，不要在自己不懂的情況下，進行自行修理，需要第一時間告知指導老師或實驗管理老師，進行維修或報修。第三，實驗室開放，安全保護是關鍵，建立了從實驗室主任、實驗員、學生三級安全管理制度，明確了各自的安全職責，并且每學期進行一次實驗室的防火、實驗室急救等方面的安全演練，不斷強化指導老師、實驗指導老師和參加創新活動學生的實驗室安全和防范意識，消除實驗室的安全隱患。

4.3 建立穩定的經費支持制度

學校創建了創新創業學院，設立了規范化的學科競賽專項經費，同時鼓勵通過向企業、地方政府等多方拉取贊助經費，根據各類學科競賽的要求，每年定期舉辦校內學課競賽選拔賽，提高學生的參與度，搭建起持續發展的競賽氛圍。通過學院支持、學校支持、校外贊助等多層次籌取經費的方式，能夠保證學科競賽的持續性建設。學科競賽所需的材料費、差旅費等都能夠得到充分地保障。

5 創建良好的3D打印工程競賽文化環境氛圍

隨著3D打印技術的快速發展，3D打印已成為不少學科競賽的一個重要組成部分。如教育部主辦的全國大學生工程實踐與創新能力大賽（原全國大學生工程訓練綜合能力競賽）、全國大學生先進成圖技術與產品信息建模中都設有3D打印競賽內容，采用學生創新團隊的引領作用營造競賽氛圍，開展多層次的宣傳，激發學生參與競賽的欲望，定期舉辦學科競賽宣講活動，帶領低年級學生參觀競賽獲獎作品，進行獲獎比例與獲獎級別的情況分析，感受良好的3D打印工程競賽文化環境氛圍，激發學生參與的激情。同時通過獲獎的師兄師姐的傳幫帶，在拓展師弟師妹的創新思路的同時協助解決技術創新訓練中遇到的技術難題，一屆接著一屆形成良好的3D打印工程競賽文化環境氛圍。

6 教學效果

6.1 提升學生在學科競賽中零件設計的自由度

3D打印技術引入學科競賽，有效地打破了傳統零件結構的限制，給予學生更多進行零件結構和功能創新設計的機會，尤其是通過3D打印與輕量化結構優化設計相結合，設計打印出重量輕、力學性能強、經濟性能良好的零件。零件的設計與修改更加簡單快捷，易于實現，在不斷的設計與打印，再設計與再打印的過程中，促進與培養了學生的綜合能力，不斷地提高了學科競賽的成績。

6.2 助力學科競賽成績的提高

在目前機械類工科學生參與度高的全國大學生機械設計創新大賽、全國大學生工程訓練綜合能力競賽、全國機器人創意設計大賽、廣東省工科大學生實驗技能競賽、全國大學生先進成圖技術與產品信息建模等學科競賽中，都有3D打印技術的具體應用，其中全國大學生先進成圖技術與產品信息建模大賽、廣東省工科大學生實驗技能競賽中直接設有3D設計與制作的競賽項目，其他沒有設置3D設計與制作的競賽項目的上述學科競賽項目中，其中的零件設計與制作環節中有不少結構零件可以通過3D打印技術實現快速的設計與制造，助力學科競賽成績的提高。如在2020年廣東省工科大學生實驗綜合技能競賽中組建了9支代表隊參加比賽，9支代表隊最終有7支隊獲獎，其中獲得省級一等獎1項，省級二等獎1項，省級三等獎5項。

如在2021年第二屆粵港澳大學生工程訓練綜合能力競賽暨第七屆全國大學生工程訓練綜合能力競賽廣東省分賽中，組建了6支隊伍代表參賽，6支代表隊最終有4支隊獲獎，其中獲得省級一等獎2項、省級二等獎1項和省級三等獎1項，逐年刷新該項賽事的最好成績；如在全國大學生先進成圖技術與產品信息建模大賽國賽中在3D打印團體項目中，近3年都取得不錯的成績，其中獲得國家級一等獎2項，二等獎1項、三等獎1項。這些學科競賽成績的取得與我校3D打印實踐教學的創新與實踐有重要的相關性。

7 教學展望

通過近幾年指導學生參加學科競賽的經歷來看，不僅學科競賽的學生對3D打印技術的需求越來越大，同時機械類畢業設計的學生以及工業設計專業的學生對于3D打印的開放也有較大的需求，希望有一個開放共享的實踐平臺，后續將在基于學科競賽的3D打印實踐教學模式研究的基礎上，探索面向全校開放的3D打印實踐教學模式，更好助力創新人才的培養。