3D打印技术在燃气工程方向的教学应用探讨

张帮亮

(广东石油化工学院 石油工程学院, 广东 茂名 525000)

现代教育技术

3D打印技术在燃气工程方向的教学应用探讨

张帮亮

(广东石油化工学院 石油工程学院, 广东 茂名 525000)

从理论教学和实践教学两方面阐述了3D打印技术在燃气工程方向教学中应用的优势、存在的问题和改进意见,探讨了3D打印技术在促进燃气工程方向产学研合作方面的应用与展望,为3D打印技术应用于燃气工程相关专业的教学提供借鉴。

燃气工程教学； 教学改革； 3D打印技术

3D打印技术被誉为第三次工业革命的重大标志[1],已经应用于诸多领域[2-12],并将对人类未来生活的各个方面产生深远的影响。3D打印技术最突出的优点是无需机械加工和任何模具,能够直接从计算机图形数据中生成任何形状的物件,实现虚拟世界与实体世界的结合。

目前,3D打印技术已在高校工业设计专业教学[13]、机械工程创新实践教学[14]、外科临床教学[15]、土木工程教学[16]、基础地质矿物教学[17]中得到应用。尤其中国石油大学[18]首先将3D打印技术应用于石油工程实验教学,具有很大的启示作用。本文将探讨3D打印技术在广东石油化工学院燃气工程方向教学中的应用,为3D打印技术在工程类相关学科专业实验教学上的应用提供借鉴。

1 燃气工程教学的主要内容

燃气工程指燃气的生产、储存、输配、应用、工程施工、设计和安全管理等一体化的工程技术(见图1)。

广东石油化工学院在油气储运工程专业基础上,增加了燃气工程教学方向,结合本校专业优势和区域经济发展方向,燃气工程方向的主干课程除了以上内容外,外延了少量海上天然气集输、伴生气燃烧利用以及海洋天然气运输等内容,强化了天然气分布式能源[19 ]和工程施工知识内容,并积极探讨3D打印技术在燃气工程方向理论教学、实践教学中的应用。

图1 燃气工程简介

2 3D打印技术在燃气工程理论教学的应用

2.1 应用优势

2.1.1 激发学生学习兴趣,提高学习效果

利用3D打印技术能相对快速地将虚拟变成现实,制作现代化的教学用具。按照燃气生产、燃气输送和燃气应用知识脉络,结合本校燃气工程方向以天然气为主的专业定位,利用3D打印技术可在燃气工程方向制作的教具如表1所示。

表1 天然气工程教学内容可用3D技术打印的教具

从表1可以看出,燃气生产和燃气燃烧应用工艺所涉及的机件、设备等几乎都可用3D 打印机打印出来,不仅是外形的展示,连设备内部的细节、附件都能一体化地展示。3D打印的教具还可以与声、光、电结合,打印出微缩的可操作的“真实工厂”。课堂上极大地激发了学生的学习兴趣和探究欲望,调动起学生学习燃气工程理论课的积极性和主动性,提高了对抽象知识点理解能力,增强理论课程的教学效果。

2.1.2 培养学生的协作精神和实践能力

学生不仅可以近距离观看教具,而且可以现场打印出小的零件,甚至可以打印出整体装备。通过实物教具,强化了学生对知识点的掌握。教师可以将学生分成若干小组并布置课下3D打印任务,尤其是设定一些相对复杂的结构件让学生完成。学生经过讨论设计方案、进行3D建模、模型修正、3D打印的过程,培养了实践能力和协作精神。

2.2 存在的问题

3D打印技术在燃气工程理论教学中具有明显的优势,但是也存在以下一些问题。

(1) 学生掌握3D打印技术的基础知识不均衡。因国内尚无燃气类教学用3D打印技术应用的教材,少部分学生在做专业创新实验时才有机会与相关教师沟通,接触3D打印机,而多数本专业的学生短时间内应用3D打印机感觉力不从心。

(2) 3D打印技术的速度较慢，3D打印机和打印材料较贵。目前比较适合教学用的3D打印机一般采用的熔融挤出技术(FDM),打印材料为热塑性塑料,但打印速度较慢,很难做到在课堂上和课间的有限时间内打印出大型、复杂的物件。另外,廉价的3D打印机打印质量并不理想。

(3) 对于燃气工程教学中涉及的机理和内在规律等内容无法通过3D打印技术呈现。虽然3D打印技术能够将虚拟变成现实,能制作现代化的教具,但是它基于看得见、能够物化的燃气工程生产工艺设备等,而对于工艺计算涉及到的燃气的相平衡能量换算、燃气燃烧能量的转化等视觉看不到的知识点,3D打印技术也无法呈现。

2.3 改进意见

(1) 自编3D打印教材,合理调整教学安排。借鉴2016年2月发行的国内首本《3D打印基础教程》[20]和其他教材,自行编制适合燃气工程方向教学的3D打印教材,纳入“计算机工程制图”课在大学一年级开设,夯实学生应用3D打印技术的基础。

(2) 改进教学方法,合理分配授课学时，解决目前教学用3D打印机打印速度慢、打印质量不高和价格成本高等问题。对于燃气工程方向教学的专业课教师来说可能无能为力，但是作为主讲教师可以扬长避短,将演示法、讲授法、讨论法和任务驱动法4种教学方法有机地结合起来,充分利用课上、课下时间,完成课堂教学任务。例如在讲授天然气水路运输时,借助3D打印船模讲解LNG运输船的结构、用途和优势,并现场打印和展示LNG储仓截面,时间可控制在10 min以内。在讲授天然气陆路运输时,先让学生讨论陆上静态LNG储罐的结构；如果将储罐移动起来,就将知识点引到LNG的公路和铁路运输上。最后教师给学生布置课余任务,分组打印出LNG的4种运输方式的典型运输工具。学生得到了锻炼,教具也得到了补充。

(3) 创设理论应用情境,多手段结合,提高对理论知识的认知。类似规律、能量转化等不可见的抽象知识,可以间接用3D打印技术制作出其应用情景。例如制作出换热器,辅以公式、图表,精心组织、合理运用,提高学生对能量转化知识的认知。

3 3D打印技术在燃气工程实践教学的应用

3.1 应用优势

3D打印本身就是设计、制造一体化的实践过程。在燃气工程方向实践教学环节中应用的3D打印教具,更是创新思想物化的强有力的工具,有着很大的发挥空间。3D打印技术在燃气工程方向实践教学环节上的应用如表2所示。

优势一：在实验课中应用。燃气工程实验课都有非常专业的实验仪器、设备,有些如管道腐蚀防护实验、燃气输配实验等可以不用3D打印技术。但是为了更好地理解实验原理、实验设备工作原理,可3D打印出大部分实验所用仪器设备的内部剖视教具,展示核心部件的结构,辅助实验教学。另外,在不影响安全的情况下,可以用3D打印机临时修补一些实验仪器设备的非核心部件,如二氧化碳临界点观测及P-V-T关系实验仪、燃气相对密度测定仪、有机玻璃外罩的修补以及燃气热值测定仪冷却水管裂口的3D打印修补等。

优势二：在实训课中应用。燃气工程方向实训课包括仿真实训和实际操作两部分。3D打印技术在仿真实训中大有作为。利用3D打印技术不仅可以制造单个机具件,还可以将整个LNG接收站打印成沙盘,配以声、光呈现在学生面前,使学生有身临其境的感觉,强化了仿真实训教学效果。另外,利用3D打印技术可以低成本、高效率、个性化制作大型的仿真实训沙盘。在机泵拆装、管路和阀门连接实训中,可以用3D打印机制作泵、阀门等剖视模型,给学生拆卸和安装实际设备起到提示作用。

表2 燃气工程方向实践教学环节中3D打印技术的应用

类别课程内容3D打印应用实验课燃气燃烧与应用①燃气组分分析;②燃气相对密度测定;③燃气快速热水器热工性能测定;④长玻璃管中火焰传播演示;⑤燃气法向火焰传播速度测定;⑥燃气表流量校正;⑦湿式气体流量计校正;⑧燃气热值测定;⑨二氧化碳临界点态观测及P-V-T关系实验;⑩甲烷爆炸演示实验③⑥⑦实验装备剖析油气集输①气液两相流流型测试;②气液两相流压降及截面含液率的测量;③二氧化碳填料塔吸收实验③实验装备剖析管道腐蚀与防护①阳极接地电阻测定实验;②土壤电阻率测定实验;③极化曲线测土壤腐蚀性;④管-地电位差测量不用液化天然气技术①单级蒸气压缩制冷系统的循环实验原理与方法;②活塞式制冷压缩机的性能实验原理与方法;③涡旋式制冷压缩机性能实验原理与方法;④液氦的输送和实验室杜瓦瓶的灌注;⑤液氮水下排放实验①—④实验装备剖析燃气输配①燃气管网水力工况实验;②天然气分配管道计算,流量确定实验不用实训课仿真实训①LNG接收终端仿真实训;②压缩机仿真实训;③加热炉仿真实训展示教具实际操作①金工实训;②机泵拆装;③管路和阀门连接实训②③设备结构剖析课程设计①天然气处理原理与工艺;②燃气输配;③燃气工程施工;辅助实习①认识实习;②毕业实习;③生产实习不用毕业设计(论文)①设计类;②科学研究;③调查研究类部分竞赛①创新训练;②科技竞赛胜任

优势三：在课程设计、毕业设计(论文)、科技竞赛等实践环节得到应用。不论是单门课程的设计课、综合课程的设计课,还是在毕业设计(论文)环节,都可以发挥3D打印技术能快速地将虚拟变成现实的优势。例如,可以打印单个天然气净化装置、换热器等,也可以打印山区管道施工现场、燃气管道穿越河流的导流施工现场、天然气分输站等毕业设计内容。3D打印技术在实践课程的应用,最重要的不是实物的呈现,而是学生从生产工艺、设备等设计到模型的呈现,本身就是一个自主探索和学习的过程,是一个研究性学习过程。其中涉及多学科知识的交叉和大量理论、实物模型的反复论证和不断完善,才呈现出最终的成果。这一过程培养了学生科学、严谨的精神,锻炼了动手能力和创新能力。尤其在学生参加“挑战杯”“创新创业训练”等大学生科技创新竞赛和辅助教师完成科研项目、完成毕业论文中,3D打印技术大有作为。

3.2 存在的问题

3D打印技术在燃气工程实践教学中大有用武之地。但是,对于以石化特色教学为主的普通本科院校——广东石油化工学院来说,3D打印技术是新生事物,在本校现有条件下,还无力进行前期资金投入和场地建设,无法一次性地为油气储运燃气工程教学大手笔运作,后期政策性的扶持、耗材的持续供应、师资力量的完善等也无法保证。目前,只有个别教师利用科研项目经费购置3D打印机用于燃气工程实践教学,但可持续性无法保障。另外,教师自身对3D打印技术掌握的程度有限,同样制约着3D打印技术在燃气工程方向实践教学中的应用。

3.3 改进意见

将3D打印技术运用于燃气工程方向实践教学,专业教师是最先践行者。专业教师要高度重视3D打印技术的应用,洞悉新技术对专业发展可能起到的促进作用。此外，教师要从技术和教学设计层面学习和提高,做好领路人。教师可以将3D 打印技术的优势应用到科学研究上,根据需要,自行设计流程、研制仪器设备,缩短研发周期,有利于教师自身科研水平的提高、素质的提升,增强所在学科的竞争实力。

4 3D打印技术促进产学研合作发展探讨

广东石油化工学院是华南地区唯一一所具有石油化工行业背景的省属本科院校。2007年承办油气储运工程专业以来,已有6届半数以上的毕业生从事燃气相关行业,遍布广东省绝大多数燃气企业,许多燃气企业与我校达成燃气类设计、员工培训等项目合作意向,合作内容包括：

(1) 设计图纸的数字化整理；

(2) 企业员工理论培训；

(3) 非常规设计,包括分布式能源、燃气替改整体设计、投资回收期概算；

(4) 复杂地形施工设计；

(5) 企业员工理论培训

(6) 接收优质毕业生。

校企合作为3D打印技术应用提供了用武之地。燃气类生产运行单位的设计图纸可以整理成二维的CAD图,还能建立3D图,并且能够打印出微缩的实物。不仅能够永久保存设计资料,还能为企业的改扩建设计提供借鉴。

作为培养燃气工程专业人才的院校,广东石油化工学院不仅能够与设计单位合作,攻克燃气非常规设计遇到的难题,而且能够向设计单位输出具有3D打印技能、掌握燃气工程专业知识的复合型人才,提高设计单位的竞争实力。同样,对于燃气工程施工单位,利用3D打印技术考量在山区、河流等复杂地形施工设计方案,提高安全施工效率。学校利用3D打印技术在培训企业员工和人才输出上发挥特长。达到企业提高生产效益、学校强化办学实力、学生增加就业机会多方共赢的可持续发展模式。

5 展望

目前,以热塑性塑料为基材的熔融挤出3D打印技术(FDM)的性价比高、容易推广应用。利用该技术自制辅助教学用具,将在燃气工程专业理论教学、实践教学中大有用武之地。在应用3D打印技术的过程中,可以提高学生的学习效率,训练学生的动手能力、协作能力和培养创新精神。教师利用3D打印机,方便自行设计流程、研制仪器设备,缩短研发周期,提高研发效率,增强所在学科的竞争实力,促进燃气工程方向的产学研合作，更好地服务燃气行业和区域经济的发展。

References)

[1] 蒋建科,李秋荣,杭慧喆.一项颠覆性的制造技术正在进入普通人的生活:3D打印第三次工业革命的重大标志[N].人民日报,2013-01-04(020).

[2] 肖兵.世界第一款3D打印机[J].科学大观园,2013(15)：3.

[3] 卢利平.瑞士科学家用3D打印机首次打印出人体拇指骨骼[J].功能材料信息,2009,6(3)：55.

[4] 中塑在线.碳纤维增强型塑料助力全球首款3D打印车[J].工程塑料应用,2014(10)：11.

[5] 王丽.卖“3D打印煎饼”的清华才子[J].劳动保障世界,2016(10)：36-37.

[6] 黄敏.英科学家首次3D打印人体胚胎干细胞[N].新华每日电讯,2013-02-07(008).

[7] 赤天.3D打印,走进个性化定制时代[J].黄金时代月刊,2015(5)：37-39.

[8] 陈泽锋.3D打印进入玩具零售业或引发行业变革[J].玩具世界,2016(3)：19-22.

[9] Rolls-Royce Inc. Rolls royce trent XWB-97 completes first test flight [EB/OL].(2015-11-06)[2016-10-25].http://www.rolls-royce.com/media/press-releases/yr-2015/pr-06-11-2015-rolls-royce-trent-xwb-97-completes-first-test-flight.aspx.

[10] DesRochers T M,Suter L,Roth A,et al. Bioengineered 3D human kidney tissue,a platform for the determination of nephrotoxicity[J].Plos One,2013,8(3)：1-12.

[11] Bodiford M P,Fiske M R,McGregor W,et al. In situ resource-based lunar and martian habitat structures development at NASA/MSFC [R]. AIAA-2005-2704,2005.

[12] McLemore C A,Fikes J C,Darby C A,et al. Fabrication capabilities utilizing in situ materials[C]//AIAA Space 2008 Conference and Exposition. San Diego,CA,2008: 9-11.

[13] 毕延刚.3D打印对高等院校工业设计专业教学的影响[C]//2013国际工业设计研讨会暨第十八届全国工业设计学术年会论文集.2013.

[14] 孙伦业,张新.3D打印实训项目在机械工程创新实践教学中的应用[J].考试周刊,2016(14)：109-110.

[15] 周悦,黄华兴,王巍,等.3D打印技术在外科临床教学中的应用[J].南京医科大学学报(社会科学版),2015(6)：504-506.

[16] 张萍,闫宇,李苗,等.3D打印机在高校土木工程教学中的应用探讨[J].山西建筑,2016,42(15)：229-230.

[17] 王建秀,刘笑天,居哲超,等.3D打印技术在基础地质矿物教学中的应用[J].教育教学论坛,2015(51)：1-2.

[18] 孙致学,张凯,姚军,等.3D打印技术在石油工程实验教学中的应用及教学改革实践[J].实验技术与管理,2015,32(11)：54-57.

[19] 王雁凌,李蓓,崔航.天然气分布式能源站综合价值分析[J].电力系统自动化,2016,40(1)：136-142.

[20] 周功耀,罗军.3D打印基础教程[M].北京：东方出版社,2016.

Discussion on teaching application of 3D printing technology in gas engineering direction

Zhang Bangliang

(School of Petroleum Engineering,Guangdong University of Petrochemical Engineering, Maoming 525000,China)

From two aspects of theory teaching and practice teaching,this paper discusses application advantages,existing problems and improvements of 3D printing technology applied to the teaching of gas engineering direction. Besides, this paper also discusses the application and expectation of 3D printing technology applied to promote the industrial-academic-research cooperation in gas engineering direction and provides reference for 3D printing technology application to the gas engineering majors.

gas engineering teaching; teaching reform; 3D printing technology

10.16791/j.cnki.sjg.2017.04.039

2016-10-31

广东省高等教育教学改革项目“储运专业燃气工程方向教学体系构建”(2015)；广东石油化工学院教育教学改革研究项目“储运专业新增燃气工程方向教学体系构建”(2014)

张帮亮(1973—),男,陕西西乡,硕士,工程师,主要研究方向为石油化工工艺及油气储运.

E-mail：blzhang89@sohu.com

G642.0；TH164

A

1002-4956(2017)4-0156-05