新工科背景下工程训练中心新技术教学探索与应用实践

刘文康 王黎航

（1.浙江科技学院自动化与电气工程学院 浙江 杭州 310023；2.浙江科技学院创新创业学院 浙江 杭州 310023）

新工科建设旨在培养一批实践能力强、综合素质高、理论基础深厚、思维能力突出、善于主动学习的复合型人才［1］。习近平总书记于2018年9月10日在全国教育大会上号召高校加强大学生的劳动教育，引导学生崇尚劳动、尊重劳动，懂得劳动最光荣、劳动最崇高、劳动最伟大、劳动最美丽的道理，长大后能够辛勤劳动、诚实劳动、创造性劳动［2］。工程训练实训课程在本科教育中起到了举足轻重的作用，作为本科教育必修课程之一，其在工程教育中具有重要意义［3］。工程训练实训课程可以达到理论联系实际、培养和锻炼学生综合能力的目的［4］。针对面向新工科对创新实践人才的培养要求，就需要高校在现有的实践教育体系下进行新的探索，与创新教育更好地结合，培养出满足新工科需求的工程实践能力强、创新能力强、具备国际视野的高素质复合型人才。

3D打印技术是一种广义上的概念，是一种通过逐层累加材料的方法制造实体零件的技术，相对于传统的材料去除（切削加工）技术与材料重塑（铸造加工）技术，是一种材料累加制造方法。3D打印作为先进制造技术，已经广泛应用于机械制造、机电应用、航空航天等重要领域，具有材料环保、加工效率高、可创造性强等优点，极其适合新产品的研发与制造［5］。3D打印设备是集机械、控制及计算机技术等为一体的系统，涉及范围广泛，满足了新工科对学生具备全面的知识结构的要求［6］。为此，浙江科技学院工程训练中心近年来开设了3D 打印加工实训课程，将3D 打印技术与传统的金工实习教学相结合，做出了新工科背景下工程训练中心新技术应用的探索与实践。

1 3D打印技术课程的教学要求

1.1 以培养具有实践能力与创新能力人才为目标

通过引入3D打印的新技术，推动了工程训练培养计划的发展，增强了学生工程创新意识和创新能力。3D打印技术加工实训课程的主要目的是让学生了解先进制造技术的原理和制造方法，学生可以掌握并熟练运用3D打印技术，培养自身的工程创新意识和创新能力。

1.2 以3D打印作品设计制造为主要内容

3D打印作品设计制造可以让学生在3D打印课程学习中提升，不断适应新工科对创新实践的需求，有利于培养学生创新创业能力和提高人才培养质量。在3D打印课程上开展课程作品设计制造，学生上交作品后，老师们对作品展开评选与交流活动，以此为载体，实现创新实践能力与工程实践能力的提升。通过课程作品设计制造比赛的形式，扩大3D打印技术课程的影响力，使之与其他学科专业相结合，如机械专业的机械建模、艺术专业的作品染色。学生在3D打印技术课上学习先进制造技术的同时，也学习了其他学科专业的知识。在学生参与课程作品设计制造的过程中，通过学习先进制造技术，将多学科知识融合，通过以小组的形式完成，不仅提高了创新实践能力，同时还可以实现团队合作能力、沟通表达能力等综合素养的提升。

1.3 结合引入通识教育的运行机制与发展

在3D打印技术加工实训课程中，通过引入通识教育，使学生深入理解和形成马克思主义劳动观，提升学生文化自信，培养学生社会责任感，树立正确的人生观、价值观［7］。通过设计制造型课程中命题式建模实践为五角星建模与创新提高型课程中课程创意设计主题为“庆祝建党百年，围绕红船精神”，使学生理解爱岗敬业、吃苦耐劳，通过“红船精神”的课程创意设计主题，可以培养学生对中华民族灿烂文明的自豪感和对中华民族伟大复兴的自信，增强学生的社会责任感，帮助学生树立正确的人生观和价值观。

2 3D打印技术课程的教学探索

2.1 3D打印技术课程的教学改革要点

（1）增加学生创新实践环节。学生进行3D打印的基础知识学习之后，为了进一步加强对3D打印的基础知识记忆和使用，应当鼓励学生自主设计相关内容。自主设计实践更能提升学生的创新实践能力，应当给予学生一定程度上的指导与帮助，让学生更好地在3D打印技术课程中提升自我。

（2）完善学生课程考核机制。工程训练中心的实训课程往往通过实操成绩和实验报告进行评估，对自主创新过程考核较少，这极大地限制了学生的创新实践能力的发展，使得学生对知识的获取与认识只停留在课堂上的所学所练之中。通过课程创意设计的形式激发学生的参与热情迫在眉睫，同时，通过宣传与展示优秀的自主设计作品，进一步激发学生互相竞争学习的热情与动力。

（3）丰富课程教学内容方式。除了3D打印技术加工实训课程的正常基础知识教学以外，更应该培养学生的创新实践能力和自主发现问题解决问题的能力。当学生在实践过程中遇到困难时，可以让学生以小组讨论的形式进行交流，让学生在交流学习中收获，可以更好地解决问题。

2.2 3D打印技术课程的教学安排内容

3D 打印技术加工实训课程的教学安排内容是学生了解以3D 打印为例的先进制造技术的原理和制造方法，并熟练使用3D 打印技术，用以培养自己的工程创新意识和创新能力。工程训练实训课程的受众群体是全校本科生，则在课程内容的安排上应当满足循序渐进和分专业模块的设置。

在课程安排上设置了3 类课程，即认知理解型课程、设计制造型课程、创新提高型课程，课程内容循序渐进。课程内容与课程要求如表1所示。

表1 3D 打印技术加工实训课程安排与目标

（1）认知理解型课程。教学方式主要以讲述、演示为主，教学过程多运用课件、演示视频等多媒体方式，并且结合3D打印课程实例。通过3D打印实物、课件、视频相结合的教学手段，使3D打印教学过程课堂气氛生动活泼，同时实现理论知识直观、内容形象，学生易于接受。

（2）设计制造型课程。设计制造型课程主要采用综合型实践教学，让学生学习理论知识和培养动手能力。学生首先通过认知理解型课程学习“3D 打印”相关理论知识；再通过设计制作过程，强调学生自主性，让学生体验从产品创意设计、3D模型到打印制作的全过程，让学生在这个过程中提高分析问题和解决问题的能力，如图1、图2所示。

图1 学生于设计制造型课程中设计与制造五角星

图2 学生于设计制造型课程中设计与制造“永远跟党走”系列作品

（3）创新提高型课程。综合提高课程主要采用基于项目驱动的教学方法，学生任务是综合运用SOLIDWORKS、Rhino 等建模软件亲手操作3D 打印机器。教师明确设计任务和要求后，学生应充分发挥自主性，从建模和制作等都由学生自行完成，为学生能动性的发挥和创新留下足够的空间。

3D 打印技术课程的开展使传统工程训练中心的内容更加完善，将先进制造技术与传统工程技术的结合，让学生接触新技术、开拓新思维，使学生的实践精神与创新精神有机结合。

3 3D打印技术课程的应用实践

3.1 3D打印技术应用于课外创新实践活动

为了实现科技强国、建设创新型国家，需要我国教育工作者努力探索培养创新型人才。当学生试图将创意想法实践时，常囿于现实而被迫终止：标准零部件需要在市场逐一选择，过程繁杂；对于非标准零部件，学生自主加工精度不高，代工厂加工周期长且加工昂贵，难以实现学生的创想，消减了学生创新的主动性。以3D 打印为例的先进制造技术可以很好地改变这一现状。通过3D打印技术，有利于学生进行科技发明或创新制作，3D打印技术能为学生创新制作提供一种更为高效、简单的方式。

3.2 3D打印技术应用于培养学生的综合技能

3D打印设备是集机械、控制及计算机技术等为一体的系统，涉及范围广，具体包括了机械设计、计算机技术、控制技术、光学技术、材料科学等多种新兴技术，其促使学生加强多领域知识的学习融合，符合新工科对于当今综合性创新人才的需求。因此，对于大学生来说，3D 打印课程不仅是一种创新实践课程，更应该通过对3D打印技术的系统学习，深入了解学习所涉及的各种技术知识。

3.3 3D打印技术应用于学生创新实践能力展示载体

以3D 打印技术为例的先进制造技术可以将学生的创新思维想法很好地展示，通过应用3D 打印技术，达到技术是为人所服务、为人所用的目的。在实际操作中，很多情况只通过3D 打印技术不能够实现，需要学生结合各种技术知识，使3D打印技术更好地体现。

如图3所示，学生将传统3D打印技术作品增添后续处理，将其进行上色。因3D 打印材料本身上色不易，因此，学生在创新实践中同时，提升了上色技术。

图3 3D 打印技术与上色技术相结合

如图4所示，学生通过将3D打印技术与铣削技术相结合，解决了传统3D 打印材料结构强度不高的问题，制作出3D打印花盆。

图4 3D 打印技术与铣削技术相结合

4 结语

新工科背景下，对于新技术应用于工程训练中心课程的教学探索与应用实践的讨论详述了3D 打印课程对于工程训练中心课程的教学改革的方案，此方案旨在增强学生的实践学习兴趣和自主实践的积极性，推动学生的创新创业教育与通识教育的融合发展，提升学生的实践能力与创新能力。将结合引入思政内容，融入“大国工匠”等爱国情怀，提出一种新的通识教育思政教育模式。多学科交叉融合是思维创新的源泉，3D 打印设计制造将多学科知识融合，不仅提高了创新实践能力，同时还可以实现团队合作能力、沟通表达能力等综合素养的提升。3D 打印技术课程的探索与实践为其他模式的发展建设提供了参考，具有借鉴作用。