校企共建3D打印实验室在实践教学中的应用探讨

莫远东， 连海山， 莫德云， 严伟聪

（岭南师范学院机电工程研究所，广东湛江524048）

0 引 言

近年来，被称为“第三次工业革命”核心技术［1］的3D打印技术，推动着全球工业的转型发展，其相对传统的“减材制造”方法，被称为“增材制造”［2］，主要应用于零件直接生产、快速成形、模具快速制造、金属、陶瓷和复合材料零件的修复等［3］，有着生产周期短，制造成本低，个性化定制等特点，在零件加工、航天航空、国防、医疗、建筑行业、教育科研、食品、家具等领域得到广泛应用［4］。据德国EOS 公司透露，F-35LighteningⅡ飞机有1 600 个零部件是使用3D 技术快速成形制造出来的［5］。近年来，3D打印技术在医疗上运用日益广泛，西班牙萨拉曼卡大学借助利用澳大利亚科学3D打印设备成功制造出植入罹患胸廓癌患者体内的钛合金胸骨与肋骨［6］；目前，3D 打印技术在武器制造方面重要性愈发凸显，美国采用3D 打印技术成功制备出AIM-9 响尾蛇导弹制导部分的基座［7］；在现代建筑领域中，3D 打印技术也逐步在推广，能节约建筑成本和工期，还能降低施工过程对周边环境的影响，是一种低碳绿色化的施工手段，但目前只能打印简单底层的建筑，如何打印高层建筑仍然是个难题［8］；随着3D打印技术应用领域越来越广，教育行业也出现了与3D打印相结合的教学模式，赵庆等［9］提出基于CDIO模式的3D 打印课程实践教学应用；在食品领域，3D打印技术已经在焙烤食品、巧克力、糖果、肉类等食品中应用，但是大多数食品打印机出现在实验室，面向市场的商业化3D打印食品技术还不成熟［10］；3D打印技术在家具设计与制造领域中逐渐应用，具有较大的应用前景［11］。本文以我校机电工程学院与湛江市特维电子科技有限公司合作共建的“岭师-特维”3D 打印创新实验室为基础，进行3D 打印技术在实践教学中的应用探讨。

1 校企共建实验室培养创新性应用型人才

《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020 年）》中明确提出，要建立以企业为主体、市场为导向、产学研结合的技术创新体系，提高自主创新能力［12］；在清华大学百年校庆上，胡锦涛同志提出：“鼓励高校同科研机构、企业开展深度合作，促进资源共享，努力为建设创新型国家做出积极贡献”［13］；习近平总书记2018 年10 月在广东考察时指出：“要加强推进产学研一体化，更多地走自主创新道路。”可知推进产学研一体化，加强高校与企业深度合作已被提升到国家层面的战略高度。校企合作模式逐渐被国内企业、高等院校认可。沈阳大学信息工程学院借助校企联合实验室的建设，创新了教育模式，提升了人才培养水平［14］；北京印刷学院利用校企合作契机，极大激励了实验室队伍的发展，优化了实验室管理机制［15］。西南政法大学在校企合作基础上，开创第2 课堂及“教-赛-学”三位一体培养体系，极大培养大学生创新创业能力［16］。“岭师-特维”3D 打印实验室是广东粤西地区深度开展企业与师范院校工科专业合作的3D 打印创新实验室，是我校探索校企合作的新模式，创新技术合作开发新思路，适应国家、广东省对于我校应用型转型升级发展需要，与企业开展深度合作的一种有意义尝试，旨在打造新师范，推进新工科人才培养模式改革，全面培养学生的逻辑思维能力、创新设计能力、实践动手能力和独立解决问题的能力。图1 所示为我校与湛江市特维电子科技有限公司合作共建的3D 打印创新实验室。

图1 校企共建模式下3D打印创新实验室

2 3D打印教学改革方案

2.1 传统3D 打印实验室实践教学模式存在的局限性

传统的3D打印实验室实践教学为了完成教学任务，通常以老师讲授为主导，学生绝大部分是被动接受知识，为了做实验而做实验。这种模式缺乏探索性思想，严重限制了学生的创造能力，不能锻炼学生自主发现问题、分析问题、解决问题的能力，远不能满足国家实现“制造强国”对应用型人才的需求。依据国家的“中国制造2025”战略目标和学校的“新时代、新师范、新工科”教育方针的要求，传统3D打印实验室在实践教学方面存在的问题主要有以下几点：

（1）3D打印实验室实践教学模式过于注重理论，忽略实践。传统3D打印实验室实践教学理论知识讲解课时多，实验课时少，通常一次实验课安排多批学生进行实验。实验课时，老师带学生以观摩式或验证式形式了解3D 打印设备结构并讲解相应的工作原理，但由于时间有限，学生很难深入了解3D 打印设备运行原理、结构及控制形式，更没有机会动手实践，创新能力很难得到培养，实际动手能力难以提高。

（2）3D打印实验室经费投入有限，设备规格型号陈旧落后，不能满足学生拓展创新思维能力需求。传统3D打印实验室经费通常由学校统一规划，只限购买数量不多的配置简单、型号规格单一的设备，然而大部分配置高的主流设备由于经费不足无法购买，无法实现新工科对创新性应用型人才培养目标。

（3）3D打印实验室实践教学过于偏重完成常规教学任务，不能形成“以赛促学，以赛促建”模式，无法达到锻炼学生自主发现问题、分析问题、解决问题能力及提高创新思维目的。传统的3D 打印实验室实践教学，绝大部分都是面向教学完成常规实验，内容死板，形式单一，老师讲过，学生做过就算完成了教学大纲规定的实验教学任务，学生没有探索发展该新技术的空间与时间。

（4）3D打印实验室教学只承接校内教学大纲任务，不能形成“以点带面”辐射效应，促进中职、中小学3D打印教育事业发展。传统3D 打印实验室设备落后，只仅仅满足学校内完成规定的教学大纲任务，功能单一，不能以校企共建3D 打印实验室模式，由企业提供型号多样、主流先进的设备，由企业经验丰富的工程师和高校3D 打印团队组成培训教师团队对中职、中小学创客基地等开展3D打印技术培训，加快3D打印技术在中小学、职业技术学校普及速度，为培养更多3D打印方面应用型人才，推动3D打印教育事业发展打下坚实的基础。

2.2 校企共建3D 打印实验室模式下实践教学课程改革总体设计

针对上述问题，我校机电工程学院致力探索新型实验室建设，以改变传统3D 打印实验室现状。校企共建3D打印实验室模式引入，整合社会资源，利用企业雄厚资金以及相应丰富的技术经验，以培养现代工匠型应用型本科人才为目的，探讨建设一流3D 打印学科相应的人才培养方案，全面提升工科学生自主创新能力，培养学生重视基础研究意识，达到全面提高实践教学水平。图2 为校企共建3D 打印实验室模式下实践教学课程改革总体方案。

图2 校企共建3D打印实验室模式下实践教学改革总体方案

2.3 校企共建3D 打印实验室模式下的实践教学内容改革

在《中国制造2025》规划中，3D 打印技术作为代表性的新兴技术占有重要位置，贯穿创新能力提升、信息化与工业化深度融合、重点领域突破发展、推动智能制造等方面，充分体现出我国对3D 打印的重视程度。因此3D实验室实践教学改革显得尤其重要，在校企共建3D打印实验室模式下对传统3D 打印实验室教学内容进行改革，旨在培养更多适应《中国制造2025》对创新型应用型人才，为新工科注入新血液，达到提高学生创新思维、自主分析问题解决问题的能力。校企共建3D 打印实验室模式下实践教学内容改革如图3所示。

图3 校企共建3D打印实验室模式下实践教学改革内容

以校企共建3D 打印实验室为基础，建立全新的实践教学课程，以理论知识为基础，提高实践动手能力、创新思维为重点，全面提升实践教学体系宽度，为培养更多创新性应用型人才打下坚实的基础，主要的实践教学改革内容如下。

（1）利用企业赞助的奖学金开展学生开放性3D打印实践课题，为学生提供创新实践平台提供资金支持。我校与湛江市特维电子科技有限公司合作共建的3D打印实验室，每年企业赞助10 万元设置“岭师—特维3D打印”奖学金的一部分开展学生开放性3D打印实践课题，学生每3 人组成一个团队，自拟课题主题，通过提交课题申请书—学校组织专家评委会评审出10 项代表性课题—开题—中期评审—答辩结题（作品展示、专利成果或者论文发表）等环节，然后根据答辩成绩由专家答辩委员会评定出一等奖1 名，二等奖2，三等奖3 名，优胜奖4 名，分别奖励金额不等的奖金。有效地调动学生自主学习，自主分析问题、解决问题的能力，充分锻炼了学生创新思维，发挥了学生聪明才智，提高了学生实际动手能力，在人才培养方面，极大满足国家战略需求，为社会主义现代化建设注入了教育动力。

（2）借助校企共建3D 打印实验室平台，定期派学生到合作企业学习3D 打印技术，包括企业先进的管理经验、加工工艺、技术开发、设备装配及调试等。机电工程学院借助校企共建3D 打印实验室平台，每学期派多名成绩优异，动手能力强的学生到合作企业特维电子科技有限公司跟着经验丰富的工程师学习3D打印设备技术的开发、新产品设备的装配及调试、3D打印材料的研究、企业一流的现代化管理经验等，让学生到企业基层锻炼自己动手能力，深度领悟理论知识与实践相结合的意义。

（3）利用校企共建3D 打印实验室，培育优质的3D技术学生创新创业孵化基地。学校高度重视大学生创新创业孵化基地建设，积极探索为大学生创业教育、创业实践活动建立优秀的平台，将学生尽快培育为技术创新主力军，由此借助我校与湛江市特维电子科技有限公司合作共建的3D 打印实验室平台，依托企业丰富的资源以及高校雄厚的师资力量，机电工程学院孵化出“意创3D 体验店”创新创业基地，一方面可以让学生从被动学习、就业变为主动创业、自主发展，全面理解创新过程，激发创新意识，自觉去开发创新能力。另一方面对帮助学生自主创业，提高学生创业能力，缓解高校毕业生就业压力，培育创新型应用型人才起着积极有效作用。

3 教学成果分析

依托我校与湛江市特维电子科技有限公司合作共建的3D打印实验室，机电工程学院3D打印技术研发团队带领学生先后开发了桌面级XYZ 型3D 打印机、三角洲型3D打印机和分层多色3D打印机，指导学生创立了“意创3D体验店”创新创业基地。同时3D 打印技术团队老师指导学生参加“挑战杯”“互联网+”“火炬杯”“南方海谷杯”等创新创业大赛获奖10 余项，其中国家级奖1 项，省级奖3 项。由此可见校企共建3D打印实验室建设为培养学生实践动手能力、创新意识，提高学生综合素养，锻炼学生自主创新创业能力发挥着重要的作用。

4 结 语

校企共建3D 打印实验室，能有效实现双方优势互补、资源重组，企业为学校提供教育资源、企业师资、学生实习机会、产学研合作专项等，学校为企业提供联合实验室的场地、优秀创新性应用型人才、技术支持、推广企业品牌等。校企共建3D 打印实验室对我校人才培养、产学研合作机制、3D 打印研究等具有非常重要的意义，也有利于优化学校学科建设布局、拓宽人才培养渠道、创新校企办学路径，为实现“新时代、新师范、新工科”人才培养模式改革，全面培养学生的逻辑思维能力、创新设计能力、实践动手能力和独立解决问题的能力提供坚实的基础，更会对粤西地区经济发展和社会进步产生积极影响。