基于学生创新创业能力培养的快速成型实验开发

王会良 韩建海 贾新杰 连朋杰

河南科技大学机电工程学院 河南洛阳 471003

创新创业教育不仅能够极大地促进国家崛起、民族复兴及提升国家经济竞争力，同时能有效地提升国家层面的创新能力与水平。在2016年的《政府工作报告》中，“大众创新，万众创业”首次被上升到国家经济发展新引擎的战略高度，进一步明确指出创新创业教育在当今的重要性，故在当今国家高质量向前发展的关键时期，培养新时代的创新创业型人才是现在高校责无旁贷的任务。大学生担负着成为未来国家创新创业主力军的任务，在本科教育阶段开展相关的创新培养和创业教育会直接提高国家和社会创新创业能力，故培养学生的创新创业能力已成为高校人才培养的重要目标。作为高等教育中实践教学的重要环节之一，实验教学中创新创业能力的培养日益受到重视。随着快速成型技术理论和应用的飞速发展，使其在先进制造领域内得到广泛的应用，尤其是在新产品的研发、试制过程中起到举足轻重的作用，在很大程度上实现创新产品的快速设计、快速制造，为企业赢得了市场空间。如何利用快速成型技术及其应用课程培养新时期高素质创新创业型人才是亟待解决的问题。为增加创新创业教育校园文化氛围，培养学生的创新创业的意识和能力，鼓励各学院、各老师积极开放实验室及开发相关实验，以培养学生创新创业能力。机电工程学院成立大学生创新创业基地，具有3D打印机、三维扫描仪、三坐标测量等一系列设备，开设了快速成型实验课程，开放了快速成型实验室，培养了学生创新创业能力。

1 快速成型技术的介绍

快速成型技术(Rapid Prototyping Manufacturing)之一的3D打印技术目前越来越受青睐，它是把数据和原料放进3D打印机中，机器会按照程序把产品一层层造出来。 这是一种累积制造技术，即快速成型技术的一种机器，与传统打印机最大的区别在于它使用的“墨水”是实实在在的原材料，它是以一种数字模型文件为基础，运用特殊蜡材、粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过打印一层层的粘合材料来制造三维的物体。现阶段三维打印机被用来制造产品。可用于打印的介质种类多样，从繁多的塑料到金属、陶瓷以及橡胶类物质[1]。快速成型技术的应用首先由计算机建模软件设计绘制出零件的三维数字化模型，然后通过切片软件再将建成的三维模型沿成型方向进行指定的分层切片，再利用软件将每一层的轮廓信息自动进行编程，最后导入到3D打印机上加工出一系列层片，并逐层熔融联结起来，即可得到三维实体(如图1所示)。

图1 快速成型技术基本途径

快速成型技术是一种改变人类生活方式的技术。在工业领域，起初在模具制造、产品研发等用于制造模型，后逐渐用于一些产品的直接制造，已经有使用这种技术打印而成的零部件。在工业制造、文化创意(2014年北京国庆花展“歌唱祖国”与“公平诚信”2个立体花坛的制作[2])、航空航天(正牛津性能材料公司开发出2款针对航空航天及工业制造市场的OXFAB3D打印材料[3])、生物医疗(与口腔医学相结合，使口腔修复医学在义齿设计、加工方面更加简便化、精确化[4])、建筑工程(上海张江高新青浦园区内的办公用房[5])、教育(教具的开发、毕业设计的模型制作、机械创新设计等学科竞赛等[6])以及其他领域都已经有了该技术的身影。

2 快速成型实验开放体系及内容

2.1 快速成型实验开放体系

根据实验室现有的桌面级3D打印机，工业级3D打印机、三维扫描仪、三坐标等主要设备资源，实验室目前可实施三维造型设计开发、三维扫描、三坐标与逆向建模并实现3D打印等多种实验。为了在全校普及快速成型技术，使全校对快速成型实验感兴趣的学生不受时间、年级、专业等的限制，实验室采取学生自主管理机制，实现面向全校学生，包括机械类、近机类、非机类学生，开放中午、周末及假期时间，便于感兴趣的学生进行快速成型实验。基于时间、对象、内容及管理模式4个纬度，快速成型实验室建立了如图2所示的开放体系，重点是开放实验内容、实验教学方法和学生自主预约的运行模式。

图2 快速成型实验室开放体系

2.2 快速成型实验开放内容

快速成型实验室综合考虑目前开放对象属于不同年级、不同专业的特点，采用层次化、模块化的开放实验方法，涵盖基础部分、创新部分、开放部分，满足了不同层次学生的需求，并编写出实验指导书及开发3D打印试验教程的PPT等教学文档，组建三维造型设计学生社团，承接创意作品打印。培养了学生的创新创业的意识和能力，锻炼了学生自主学习能力，提高了学生的动手实践能力以及团队合作能力。此外，为丰富学生的课余生活，激发学生的创新意识，加强学生的动手能力，实验室还成功举办了职工亲子活动、机电学院第一届3D打印大赛，鼓励和支持学生利用3D打印制作创新作品，为全校学生的科技制作、参加学科竞赛提供一个快速成型平台。

目前开放实验的内容主要涉及类别有如下几种。

(1)基础部分。此部分主要针对低年级学生，使低年级学生对3D打印有一个初步了解，并能够独立简单操作3D打印机打印出符合精度要求的零件。主要依靠教师课上提前讲解及学生在实验前完成教师指定的三维零件的建模；实验中教师直接指导学生动手操作并观察打印的制作过程，明白实验操作，获得基本认识；试验后学生自行维护设备，明白3D打印机工作原理。

(2)创新部分。此部分主要针对快速成型有一定了解并能够独立操作设备的学生，使学生对快速成型有更深入的了解，探索提高打印质量的方法，根据打印出来的实物模型分析打印误差产生的原因及解决方法，同时开始了解逆向建模的相关知识，培养学生的动手能力和专业技能。主要依靠学生的兴趣去自学，有问题请教实验室相关同学或者实验室教师。

(3)开放部分。此部分主要针对有需要快速成型技术的学生，使学生可以真正利用快速成型技术，提高学生的综合应用能力。

具体的开放内容和目标如图3所示。

图3 快速成型实验开放内容与目标

3 快速成型实验开放方法

3.1 任务教学法概述

任务教学法(task-based approach)，也叫任务型教学法，是一种以实用主义作为教育理论基础而提出的“学生中心，从做中学”的教学模式[7，8]。任务教学法在实验中的基本步骤：教师提前将一个任务教学方案交给学生，学生自己在课下利用网络资源或者询问教师同学，收集资料→设计方案→完成实验指导书，最后在教师指导下，学生独立自主地完成实验，并对任务进行反馈，优化下一次任务，如图4所示。

图4 任务教学法在实验中的基本步骤

3.2 具体实施

3.2.1 确定任务

任务的主要来源有3个方面：一是快速成型实验以工程图学、三维造型设计等课本知识为依据，选择学生、课堂、参加项目中具有一定加工难度或者难以理解的实体任务；二是以学生参与的学科竞赛或者毕业设计等项目为题，在实践的过程中培养学生的发现问题、分析问题和解决问题的能力，使学生在实践中能够有所创新，为今后的进一步学习或者工作打下坚实的基础；三是学生自己制订的相关任务，在学习中锻炼和引导学生朝着参与者和创造者的角度发展，在发现任务、解决任务的过程中，理解和把握课程要求的知识和技能，培养学生的综合能力。

3.2.2 拟达到的目标

通过快速成型实验任务教学法的尝试，使快速成型这门实验与工程图学、三维造型设计等课程达到优化整合，提高了学生的综合能力，注重培养学生创新、实践的素质。为今后从事相关工作积累经验。

3.2.3 待解决的关键问题

一是任务教学法理论虽然取得了较大的成效，但从科学到技术，从理论到实践仍然有一定的距离，特别是结合课程的具体实施还有待于进一步研究，因此，如何将任务教学法的理论运用到快速成型实验建设上是要解决的关键问题。二是由于目前快速成型设备加工时间过长，对实验课堂效率有所影响，如何提高实验课堂效率为待解决的第二个问题。

4 开放运行模式

为提高工作效率及保证学生实验安全，快速成型实验室的开放运行采用学生自主预约、指导教师审核、基地备案模式。学生预约试验的基本流程如图5所示。

图5 预约试验的基本流程

学生可以按照班级、兴趣小组、项目小组等团体或者个人进行申请，为保证实验效果，对于不遵守实验室规章制度或者申请流程者，取消其参加开放实验的资格。

5 结语

通过快速成型技术实验的教学，使学生对产品设计及创新的方法有了一定的了解，形成对快速成型技术的总体框架认识，锻炼了实践动手能力，提高了解决实际问题的能力，培养了学生团队的协作精神，运行效果良好。