基于创新能力培养的3D打印实验室开放模式研究与探索

2015-05-03郑红伟张艳蕊马玉琼李世杰戴士杰

实验技术与管理 2015年11期

郑红伟，张艳蕊，马玉琼，李世杰，戴士杰

（1.河北工业大学工程训练中心，天津 300401；2.河北工业大学机械工程学院，天津 300130）

作为高校实验教学改革的重大举措之一，实验室开放［1－2］是提高教师教学、科研水平及培养大学生自主创新能力的有效平台［3］。教育部下发的《普通高等学校本科教学工作水平评估方案（试行）》中，在实践教学评估指标体系中明确规定实验室要开放，且要求开放时间长、范围及覆盖面广、效果好。《教育部关于开展高等学校实验教学示范中心建设和评审工作的通知》、《教育部财政部关于实施高等学校本科教学质量与教学改革工程的意见》等文件中也明确要求实验室开放运行管理［4］。

近年来，3D打印技术引发了人们越来越多的关注［5］。2014年北京国庆花展“歌唱祖国”与“公平诚信”两个立体花坛的制作［6］、上海张江高新青浦园区内的办公用房［7］、北京大学第三医院成功完成的世界首例3D打印椎骨植入手术［8］都用到了3D打印技术。借助3D打印技术能够使复杂的产品结构快速得到实物模型，使产品结构、设计、制造的一体化趋势更为明显［9］。目前，一些高校在工程训练中增加了关于3D打印的实训内容［10］，使3D打印技术实验教学成为培养学生实践能力和创新能力的重要环节［11－12］。鉴于此，河北工业大学工程训练中心（国家级实验教学示范中心）建立了3D打印实验室，并实现了实验室在时间、空间、服务对象、实验内容上的开放［13］，改变了以往实践教学环节中存在的时间固定、空间固定、对象固定、内容固定的状况［14］。

笔者对3D打印实验室的开放内容、教学方法、运行模式等进行了重点的研究，构建了适用于3D打印实验室的开放教学体系。

1 3D打印实验室开放体系

依托中心已有的设备资源，3D打印实验室目前可完成三维扫描、逆向建模、三维造型设计以及3D打印等多类实验。为使有兴趣参加开放实验的学生不受专业、年级、时间的限制，实验室面向全校学生实行周一至周日全天候开放，做到了开放范围及覆盖面广、时间灵活。基于时间、空间、对象、内容等多个维度，3D打印实验室建立了如图1所示的开放体系，重点是开放实验内容、实验教学方法（含成绩评定）和网络化预约的运行模式。

图1 3D打印实验室开放体系架构

2 3D打印实验室开放内容

3D打印实验室设置了层次化的开放实验项目，涵盖基础层、提高层以及综合创新层，力求通过完整的开放实验训练，培养学生的自主创新意识和能力，提高学生分析问题和解决问题的能力，锻炼学生的实践动手能力以及团队合作能力。此外，为使参加开放实验的学生切实掌握3D打印的知识和技能，激发学生的创新意识，中心还搭建了3D打印竞赛平台，鼓励和支持在开放实验中表现优异的学生参加校级、省级和国家级的各类3D打印竞赛。

目前开放实验的内容主要涉及3D打印基本知识、3D打印机的操作及维护、模型的三维设计与打印、逆向建模与3D打印的结合等。具体的开放内容与目标如图2所示。

图2 3D打印实验室开放内容与目标

3 教学方法——任务教学法

3.1 任务教学法

任务教学法（task－based approach）是一种建立在“建构主义”（constructivism）理论基础上的教学法［15］，其原则是：学生的学习活动与任务相结合，以探索问题来引导和维持学生的学习兴趣，通过创建真实的教学环境，让学生带着任务去学习，提高学生学习的主动性。教师对学习过程进行引导和激励，使学生真正掌握所学内容。学生一直处于主体地位，是学习活动的中心；教师处于主导地位，是学习活动的引导者。在任务教学法中，任务、教师、学生的角色关系如图3所示。

图3 任务、教师、学生角色关系图

基于任务教学法和Jane Willis提出的理论框架，3D打印开放实验各个教学活动可分为前任务阶段、任务环阶段、后任务阶段3个环节，各个阶段中教师和学生的活动如表1所示。

表1 3D打印开放实验教学各阶段教师、学生的活动

本文以2个综合创新层的实验项目为例，简述任务教学法的应用。

3.2 实验项目例1——自设计三维模型并打印

前任务阶段：教师确定设计、打印一套创意家居的任务，并对任务的具体要求进行介绍，如设计的作品个数不少于3件，作品要有实用性、美观性及可操作性等。学生通过查阅资料寻求完成任务的途径和方法。

任务环阶段：教师根据学生的创意和思路，引导学生选用P/roe、Solid Works等三维造型软件进行设计。学生选定造型软件，通过充分的思考和学习，将自己的创意转变成三维数字模型，经教师审核后完成模型打印。

后任务阶段：学生撰写实验报告和参加开放实验的心得。教师分析学生的实验过程，进行总体效果的评价，对创意优秀的团队/个人给予加分鼓励。

3.3 实验项目例2——结合逆向建模的3D打印

前任务阶段：教师确定打印与实验室现有玩具娃娃相同的3D实体模型的任务，并对任务的具体要求进行介绍，如实体模型的比例、色彩、个性化等。学生通过网络、图书馆等各种途径寻求解决办法。

任务环阶段：教师根据学生提出的解决办法，引导并提示学生采用实验室现有设备完成任务，学生以小组合作的形式通过学习、探索，执行并完成任务。根据作品的个性化要求，加入自己的小创意，如为作品添加自己小组的队标、签名等，培养创新意识和能力。

后任务阶段：学生撰写实验报告和参加开放实验的心得。教师分析学生的实验过程，进行总体效果的评价，对创意优秀的团队给予加分鼓励。

在3D打印实验室开放过程中应用任务教学法，改变了以教师为中心的工程训练教学模式，使学生成为教学活动的主体，获得了充足的自主学习及自由空间，有利于培养学生的创新意识和创新能力。

3.4 实验成绩评定

为保证实验的效果，在参加开放实验前，学生需根据网站上公布的实验资料进行预习；实验完成后，要按时、按要求提交实验报告。教师根据学生课前的预习情况、实验过程中的表现以及实验报告的完成情况，对学生的学习效果进行评价。完成全部实验且成绩合格的学生可获得1个创新学分，并可申请获得实训合格证书。实验成绩的评定不局限于实验报告的书写，而是突出实验过程，避免了因实验报告类似而形成的实验成绩的不合理问题。创新附加分项的设置，能够更好地激发学生的创新意识，有利于促进学生创新能力的培养。各次实验成绩评定的计算公式如下：