基于高校创新教育的3D打印创新实验室建设研究

刘德生 尹若军 邓家烜 田雪清

摘 要：近年来3D打印技术快速发展和壮大，因其优良的性能，3D打印技术在各行业具有良好的发展前景，因此将3D打印技术引入高校的创新教育课堂具有现实意义。本文首先通过研究3D打印成型技术在机械行业中应用的特点及优势，确定3D打印创新实验在高校创新教育中的发展方向，其次基于培养创新能力的教育理念，在实验内容、实验方法、实验室运行模式方面进行探索，确定了3D打印创新实验开设内容：基础实验，提升实验，创新实验。对高校开展3D打印成型技术的创新教育具有重要的现实意义。

关键词：3D打印;创新教育;探索;培养模式

一、绪论

随着3D打印技术的兴起与发展，3D打印技术已在大部分学科领域得到应用。尤其在机械行业，如各种机械发明制作中，利用3D打印技术可以比以往更加方便的做出模型进行实验。[1]此外，3D打印于学生各种竞赛中实物的制作、学生的课程设计以及教师课堂的教具教学展示等方面皆有重要作用，因此，为使之能够更好的应用到学生学习、教师教学等方面，进行学校3D打印室的创新建设，有着重要意义。[2]在我校大学生创新创业基地中，3D打印室在实验室教学中的改革主要侧重点在于提高学生应用3D打印机的实际操作能力、培养学生的创新意识、提高创新能力上。

二、3D打印的特点及优势

与传统加工制造方法相比，3D打印技术具有以下特点：

（一）复杂工艺简便化

在传统制造业的工艺过程中，如果需要加工一个复杂的工件，可能需要不同工种在不同地方进行加工。例如加工一个简单的锤子，传统工艺需经过铣工、车工、钳工、热处理等繁琐工序。而使用选择性激光融化技术（SLM）利用金属粉末进行3D打印则可以简化加工步骤，只需用三维制图软件画出所需加工的锤子的模型图，就可以快速的加工出所建模的锤子。

（二）耗材较少

众所周知，传统制造业加工零件大多是用“减材制造”来加工零件的，这种加工方法是在一快完整的原料上做“减法”从而制作出做需要的零件，而且切削掉的材料很难被加工再利用，造成了极大的损耗。3D打印技术属于“增材制造”的過程，它是利用“加法”把所需零件一层层的“加”出来，除了必要的支撑和底座以外，没有多余的材料浪费。

（三）制造材料多样性

在过去，限制3D打印技术发展原因之一是材料技术没有突破。打印材料价格昂贵、种类单一使得3D打印技术停滞不前。近几年，随着材料技术的不断发展，尼龙材料、PLA材料、金属材料，树脂材料、生物材料等众多适合3D打印的材料层出不穷，随着材料技术的日益发展，3D打印技术的应用的领域将会更加广阔。

三、3D打印在高校创新教育中的发展方向

3D打印技术的不断发展已经使得各大高校开始注重3D打印实验室的建设与改革。但是，不足也逐渐先露出来，其表现在相关教师资源的缺乏和实验室建设经验上。

目前的3D打印教学模式仍处于“老师讲，学生听”的传统模式，学生学习效率低下等一系列问题亟待解决。此外，3D打印室的管理模式封闭、僵硬，缺乏自主管理的活力，以上种种原因造成学生未能深入了解打印机的实际操作以至于考研或工作之后相关动手能力欠缺等问题。学生一边摆脱不了传统教育的束缚，一边无法全面提高创新能力。

综上所述：3D打印室创新教育的发展应趋向于以传统教学与实践教学相结合的方式带动学生自主学习、自主管理的方向。3D打印的高校创新教育旨在让更多的学生了解3D打印，提高动手能力与创新能力，发挥自主管理的灵活性，提高学生的学习兴趣。

四、3D打印的创新教育及模式

随着国务院“大众创业，万众创新”口号的提出，我校成立大学生创新创业基地，旨在培养学生的创新意识和创新能力。我校3D打印室将进行创新教学改革，具体内容如下：

（一）传统教学与实践教学相结合

创造的基础是动手实践，因此，我们将传统课堂教学模式，与实践教学活动相结合。在这种两相结合的模式下，采用“任务教学法+活动教学法”，培养学生动手能力，提升学生综合素养。任务教学法对学生完成任务的流程进行规范。活动教学法使学生在更加开放的环境中阐述自己的观点，使彼此的想法更容易碰撞，促进团队之间的沟通交流，在自由的氛围中产生更加合理的解决问题的方法。前者更加强调学，后者更加强调做，两者优势互补，赋予学生更多的学习自主性，在自己动手完成任务的过程中，对所制作的物品的结构、功能等属性有了更加深刻的了解，从而可以对作品进行优化处理，更好的利用3D打印机进行作品制作。

（二）3D打印室运作模式

我校的3D打印机主要由机电工程学院大学生创新创业基地负责管理，目前实验室中有8台先临3D打印机，一台工业打印机，且本校实验室面向全校师生开放。

为提高工作效率，避免出现人员过于集中增大工作量的现象，我校将预约表的相关文件及所填信息注意事项发布到官网上，让学生自行打印。学生填写预约表之后应交与老师审核，审核通过后，联系打印室负责人员以便安排打印。如果审核未通过，应自行改进或者联系老师进行指导，再次进行预约。预约后若长时间或无故不按时不进行实验，以及违反3D打印室规定者，取消其本次实验资格并予以警告。如下图所示为3D打印室运作模式流程图。

（三）3D打印室实验内容

实验内容我们分为三个阶段：基础实验阶段，提升实验阶段，创新实验阶段。

基础实验阶段：依据自由开放的原则，学生们进行自由创意创作，使之熟悉整个学习流程，了解打印机的使用方法，最后由老师点评，指出不足之处。

提升实验阶段：由老师进行命题，并且给出初步思路，或者在学生讨论时、进行打印时给予教师意见。在此过程中，循序渐进的培养学生的创新意识、提高创新能力，最后由老师给出指导意见。

创新实验阶段：由老师进行命题，给与学生完全的自主权，学生在规定的时间段内完成相应的任务，任务结束之后，由老师进行点评指导。

五、总结

3D打印发展前景良好，目前3D打印技术仍处于研发阶段，但随着各国对3D打印技术的深入研究和重视，3D打印将会以更为优越的性能被引入到高校的教学之中。本文以我校3D打印室为例，将传统教学与实验教学相结合、改进实验室运作模式、革新实验阶段，提出创新教育模式。高校对3D打印技术的不断关注和投入，将会拉动高校创新教育的发展。

参考文献：

[1]王萍.3D打印及其教育应用初探[J].中国远程教育，2013，8：83-87.

[2]周达，黄彬彬.3D打印技术在高校创新创业教育中的应用[J].科技创新导报，2017（35）：140.

[3]孙江山，吴永和，任友群.3D打印教育创新：创客空间，创新实验室和STEAM[J].现代远程教育研究，2015，4：96-103.

[4]尚雯，谭跃刚，张帆，等.面向大学生创新教育的3D打印教学实验平台研究与应用[J].中国轻工教育，2016，3：73-76.

作者简介：刘德生（1999-），男，汉族，山东德州人，河南科技大学机电工程学院本科在读生。