3D 打印技術融入包裝材料學教學的改革探索

梁芬芬，王亞麗，尹琳娜

（山西工程技術學院，山西 陽泉 045000）

包裝材料學是我國高等院校包裝工程本科專業的核心課程，也是學習其他專業課程（如包裝工藝學、包裝機械學、包裝結構設計等）的基礎，主要講授紙、塑料、玻璃、金屬等包裝材料和復合包裝材料及包裝輔料的種類、性能、特點及應用。這門課程涵括各種包裝材料的化學組成、物理性能及成型加工工藝、質量測試和評價方法，涉及的知識點多、內容繁雜，是一門多種學科交叉的綜合學科。但由于包裝材料學的理論性不強，以往的教學內容和方法無法和現代包裝材料學知識、前沿的材料技術發展有機結合起來。而且由于課時量（理論課時40 學時）有限，無法兼顧到不同需求和興趣學生的需要，多數教學還是只注重傳統的填鴨式模式，往往忽略培養學生的創新意識。因此，包裝材料學課程的教學改革勢在必行[1,2]。

3D 打印是一種快速成型的新技術，它基于數字模型，可以使用紙、塑料、陶瓷、金屬等多種材料，逐層打印構造實物。其快捷性和便利性極易帶領學生主動參與教學，尤其好奇心的驅使，激發學生的學習興趣，明確和引導他們主動參與學習活動的動機。3D 打印技術作為機械、材料、計算機科學等多學科交叉融合的技術，能將新工科的創新能力培養及OBE 教學模式引用進行無縫集成，是新工科背景下高校智能制造相關專業的教學熱點。將3D 打印技術融合在工科課程教學中已經有一些研究和實踐，如在機械原理教學[3,4]、塑料制品設計課程[5]、力學課程[6]和航空儀表設備課程教學[7]等。目前，尚未發現3D 打印在包裝材料學課程教學上的應用探索，因此本文有一定的創新性。

1 建立課程體系

包裝材料學的課程一般開設在大學第四學期或者第五學期，先修課程為無機及分析化學、有機化學、高分子科學基礎、高等數學、大學物理、工程力學、機械設計基礎等理工科基礎課程。學生已經具備一定的空間想象能力、CAD 設計和CAM 加工等方面的基礎能力。因此，教學中，融入3D 打印技術的原理背景、設備工藝和實際應用，能在很大程度上調動學生的學習興趣，起到了良好的教學效果（圖1）。

圖1 融合課程體系示意圖Fig.1 Schematic diagram of integrated curriculum system

1.1 增強學生學習信心，激發學習積極性

包裝材料學課程的章節較多，課程中材料的很多性質都與加工工藝有關，這些工藝流程以及工藝條件在課本上的概念很抽象，難以理解。教師在授課的時候可以結合現階段3D 打印技術的發展現狀，制定課前知識預習任務，讓學生在課前對該技術有初步的了解與認知。隨著課程的深入，學生的自主思考與創新能力得到促進和開發，在跟進理論教學的同時，能及時進行對應的知識掌握和消化。在指導教師的指引下進行知識的融合，開展項目式的學習和設計，學生不會覺得理論知識的枯燥無味，相反有興趣地主動開展學習。

3D 打印技術最大特點是能夠讓學生很好地進行體驗式學習，將創意設計和實物驗證有機地結合。學生借助3D 打印機將創新設計的圖形或想法通過真實的實物呈現，可以直觀觀察到設計作品的效果，進而獲得強烈、真實的認知體驗，有利于進入深度學習狀態。這種方式既能增加學生的參與度，促進學生的學習積極性，又能拓寬學生的設計思路，拓展空間思維，激發學生的個性化創意[8]。

1.2 創新教師教學理念，提高教學效果

以天津科技大學王建清的包裝材料學為例，該課程由9 個章節的內容組成，各章節內容相互獨立，知識點較為分散。傳統的教學方式，教師照本宣科，學生沒有學習興趣，對課程內容非常容易遺忘。3D 打印技術的融合，打破章節壁壘，可以實現章節融合。除此之外，還能解決理論教學和實踐教學脫離的問題。很多高校的實驗或實訓課程都是在理論課程學習完成之后進行，導致實訓課在時間上滯后太久，學生理論知識遺忘較多；而且實訓課堂時間有限，學生很難將理論知識與實踐操作快速結合。如果將3D 打印加入在實訓課程中，改變傳統的實訓課程安排，分時分段完成實訓課程的設置，將使實訓教學與理論教學聯系得更緊密。

在課堂教學過程中，教師利用3D 打印機打印出的與課程教學匹配的教學用具展現給學生，可以擴展學生的直接感官和知覺體驗，使隱性知識和認知結構顯現化，教學資料更為具體化、形象化，視覺的認知更為簡單化。這不僅解決了教學設備與器材短缺的問題，還能彌補傳統課堂教學中教師經驗不足的劣勢。

材料科學的發展日新月異，結合案例教學，將本課程所涉及相關理論的最新發展動態和科研前沿熱點進行拓展，能有效提高學生學習包裝材料學相關知識的興趣，達到更好的教學效果。表1 匯總了學生挖掘的各類材料相關領域中3D 打印技術的最新報道，以及3D 打印技術在包裝材料上的應用。可以看到，雖然3D 打印技術在材料學科多個研究領域取得明顯進展，但是在包裝材料上的應用還剛剛起步，發展潛力非常大。

1.3 促使課程考核方式、教學質量評價標準改變

包裝材料學的理論知識雖然有些復雜，但是有很強的實用性，對包裝的設計具有非常強的啟發性。因此，可以利用3D 打印技術的結合針對不同章節內容挖掘出對應大學生創新創業項目。將課程設計任務培育成大創訓練，學生能主動地去思考，以主人翁的心態去探索，保持持久的興趣和好奇心。通過各類項目鼓勵學生將課程知識進行課外拓展，不僅鍛煉了學生的科研和實踐操作能力，又培養了學生的創新能力和科學素養。不僅是創新創業比賽，其他類型的一些比賽也可以考慮通過3D 打印技術制作出包裝類的比賽作品參加比賽。在對學生的綜合能力進行評價時，適當將3D 打印設計與制造的能力加入到考核中，合理地設置其比例，建立新的綜合評定方式。相比于傳統考核方式，新的考核方式注重學習的過程，能夠較為全面地考查學生的知識掌握情況和解決問題的綜合能力，更符合新工科人才培養目標和要求。

推進學科深度交叉融合是培養符合國家經濟社會發展需求的復合型高層次人才的重要途徑。3D 打印目前沒有一個完整的學科體系，它是非常典型的交叉學科體系，是機械、材料、計算機科學、藝術設計等多學科交叉融合。學科交叉的研究領域對教師的要求更高、更多，因此教師也需要不斷學習吸納新的知識，培養跨學科能力。通過對包裝材料學課程與3D 打印技術融合的教改項目，將學科交叉融合建設監測與成效評價、學科評估等高校的教學績效考核結合，探索出新的評價考核體系，有利于推動學科交叉融合更好的發展。

2 課程實例

2.1 三維模型設計

以一個圓形包裝盒為例，圖2 是某小組利用三維軟件(SOLIDWORKS)設計出的包裝盒的三維造型圖。該包裝裝置由盒身和盒蓋組成，學生在自主學習三維造型的過程中，熟悉了工程制圖的基本知識和三維軟件常用的命令。

圖2 包裝盒三維造型圖：a)整體；b)盒蓋；c)盒身Fig.2 Three-dimension Shapes of packing box: a)the overall of the box; b)the lid of the box; c)the body of the box

2.2 軟件數據處理

將SOLIDWORKS 軟件造型好的產品模型，保存成stp 格式，然后利用3D 打印的切片軟件進行數據處理（圖3）。

圖3 3D 打印切片軟件處理圖Fig.3 The slicing software processing diagram of 3D printing

2.3 產品3D 輸出

將處理后的數據導入3D 打印設備，借助設備進行模型的輸出打印工作（圖4）。

圖4 3D 打印成型件實物圖Fig.4 The physical map of 3D printing molding

具體步驟如下：將設備進行初始化→將樹脂(ABS)料絲或者塑料（尼龍）料絲擠出→打印預覽，進行相關參數設置→打印。

3 教學建議

本實驗可以面向多個學科專業的學生，例如包裝工程專業、材料科學專業和機械設計專業等。課程可以在大學二年級或者三年級開展，這時學生已經具備基本的工程制圖能力，對科研興趣也在逐步加深。該項目設置的時長可以為8 ～10 個學時，項目分組可以設置為3 ～4 人一組。首先，布置資料收集和文獻檢索任務，讓學生選擇某一章節對應的包裝材料的研究和3D 打印技術進展進行信息檢索和文獻綜述。再進行包裝材料設計項目討論，主要是由各小組提出設計思路和構圖。教師在指導軟件操作、數據處理和實物打印后，對每組實驗活動進行點評。學生通過打印出的實物，在小組范圍內再進行創新設計的修正和操作流程的完善，最終以個性化的成品實物進行項目總結。完成的成品可以作為各類創新創造的比賽作品。

4 結語

包裝材料學是一門概念抽象、理論性較強的課程，傳統的授課模式不能很好地調動學生學習的主動性和積極性，也無法滿足新工科工程教育體系中卓越工程師培養的要求。本文利用3D 打印技術與包裝材料學的交叉融合，通過項目式小組，讓理論學習與實踐操作有機結合，不但能提高非材料學專業學生學習的積極性，讓學生接觸材料領域最新的前沿技術，還能將學生的設計及時展現，有效地培養和提高了學生的創新思維。這種新工科背景下的包裝材料學課程教改工作，不僅推動了學科交叉融合，也極大提升了專業教師的教學能力，為培養高素質復合型新工科人才提供保障。