《3D打印材料與技術》課程的教改認識與實踐

趙鑫 可丹丹 蔡穎 宋金玲 胡峰

摘要：3D打印技術作為在全球爆發(fā)式發(fā)展的快速成型制造技術，已經(jīng)被廣泛地引入到我國的教育教學中，這一技術的應用也為制造類、材料類專業(yè)的教育工作提供了新的理念與思路。本文針對3D打印技術課程特點及現(xiàn)有的教學問題，提出優(yōu)化傳統(tǒng)教學的創(chuàng)新手段，激發(fā)學生的興趣和創(chuàng)造能力，提高學生思維創(chuàng)新與實踐能力。

關鍵詞：3D打印材料與技術;課程特點;教學創(chuàng)新

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2019）18-0146-02

一、引言

21世紀，材料科學已經(jīng)與能源科學和信息科學并列為現(xiàn)代科學技術的三大支柱。20世紀80年代3D打印技術得以發(fā)展與推廣，被賦予了“第三次工業(yè)革命”的大背景，以3D打印技術為代表的快速成型技術被看作是引發(fā)新一輪工業(yè)革命的關鍵要素，其已經(jīng)超越傳統(tǒng)單材均質(zhì)加工技術的限制，成為可實現(xiàn)多材料、功能梯度材料、多色及真彩色表面紋理貼圖制件的直接制造;可跨越多個尺度（從微觀結構到零件級的宏觀結構）直接制造;并與傳統(tǒng)加工工藝結合，可實現(xiàn)多種兼顧精度和形狀復雜度的新型加工方法。目前3D打印技術方面人才匱乏，嚴重阻礙了這一技術的推廣應用。3D打印教育教學工作應不斷優(yōu)化3D打印技術，完善3D打印教育創(chuàng)新，使3D打印從象牙塔里的高科技發(fā)展，成為融入學校、家庭和社會教育常態(tài)的具有革命性影響的技術，對材料專業(yè)學生開展3D打印技術的教學工作具有顯著必要性。

文章對3D打印材料與技術的教學形式所面臨的問題及采用多元化教學手段等方面的研究改革進行探討，提出了自己的一些思考。

二、課程特點及現(xiàn)有問題

3D打印材料與技術是一種與傳統(tǒng)的材料去除加工方法截然相反的材料添加成型技術，基于三維CAD模型數(shù)據(jù)，通過增加材料逐層制造的方式，采用直接制造與相應數(shù)學模型完全一致的三維模型制造方法成型三維物體?；?D打印顯著特征和多樣化創(chuàng)新應用，3D打印教育特性體現(xiàn)為：3D打印是蘊含了“思維”的個性化創(chuàng)造工具，讓學生體驗從無到有的設計過程，讓想象變成現(xiàn)實，提升學生的立體思維空間能力。與噴墨打印機、激光打印機只能實現(xiàn)物質(zhì)的二維結構相比，3D打印能夠從虛擬的符號表述轉變成實實在在的物體，3D打印課程擁有視覺、觸覺的學習方式，打造虛實結合的教育平臺，實現(xiàn)將學生的設計思維有效地創(chuàng)造為現(xiàn)實實體，不僅豐富學生的學習環(huán)境，而且促進學生的創(chuàng)新活動。

雖然近年來3D打印技術成為全世界范圍內(nèi)得以迅速推廣的快速生成技術，但是在國內(nèi)不少高校這門技術僅僅是試水教育行業(yè)，在學校中的推廣和普及仍面臨很大的挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在以下兩方面：首先是要在教學中充分展示3D打印技術的效果，3D打印機及專業(yè)的三維建模軟件等軟硬件配套設施必不可少，然而目前在高校中3D打印設施很難配套，配置較好的3D打印機價格高昂，而入門級的機器工作效率低，很難滿足教學活動需要。其次是3D打印技術是一項涵蓋機械設計、機械繪圖、軟件應用等技術的綜合學科，用好3D打印技術對教師和學生的綜合素養(yǎng)要求很高，現(xiàn)有的學科知識基礎很難全面的完成3D打印的設計和再造。這就首先需要提升教師在使用設備及3D制圖軟件等方面的培訓和深化學習。

三、課程教學手段改革

（一）授課采取多種形式，引發(fā)學生興趣

根據(jù)3D打印材料與技術課程獨特的特性，課堂教學可充分利用多媒體演示和計算機三維建模手段，在有限學時內(nèi)最大限度地發(fā)揮多媒體教學的效果，讓學生系統(tǒng)性地進行新產(chǎn)品的快速設計、CAE分析等，了解現(xiàn)代先進的制造技術引導下的產(chǎn)品快速成型整個產(chǎn)品研發(fā)環(huán)節(jié)的學習。

課堂教學可開展“以學生為中心”的顛倒師生關系的教學理念，讓學生在課下時間通過自學研究完成對新知識的學習，利用上課時間教師通過設計一些問題情境讓學生作為老師進行講解，不僅有利于學生自主學習的積極性，同時，讓學生從一味的被灌輸知識轉為以輸出知識為主導的學習模式;同時可以組織學生以團隊間的協(xié)助合作、交流討論的形式，實現(xiàn)對新知識的理解吸收與應用研究。

邀請國內(nèi)外3D打印技術和3D打印材料研發(fā)專家做專題報告和學術前沿講座，使學生能夠傾聽到科研專家、專業(yè)工程師的蒞臨指導，更好地了解到3D打印技術的前沿發(fā)展動態(tài)，拓寬學生和教師的思維知識面，不僅僅局限于課本知識教學，活躍課堂氛圍，創(chuàng)新教學模式。

（二）教學應與實踐相結合

與傳統(tǒng)的材料專業(yè)教學課程不同，3D打印技術需要實體與模型，采用傳統(tǒng)的教學方法缺乏直觀的立體感，不利于提高學生的感性認識，學生利用3D打印機打印自己設計的各種成型產(chǎn)品，體驗理論設計與現(xiàn)場加工的完美結合，將課程理論知識與實踐緊密聯(lián)系，提高學生的設計能力和動手能力等綜合素質(zhì)，在寓教于樂中促進教學效果的提高。

3D打印材料與技術是一門理論密切聯(lián)系實際的課程，是理論性與應用性都很強的交叉學科，目前材料行業(yè)快速發(fā)展，讓學生有機會去3D打印材料生產(chǎn)廠家以及3D打印機械部門參觀和學習，了解3D打印技術的最新發(fā)展并如何應用于現(xiàn)實生活生產(chǎn)中，同時學生可在實踐中開發(fā)自己獨特的興趣愛好;鼓勵學生最好能利用寒暑假等節(jié)假日的時間里去機械廠家進行金工實習培訓，不僅能在空余時間鍛煉能力，也將對未來的工作生活具有深遠的影響。

（三）工程實訓鍛煉培訓

在高校原有工程訓練中心的基礎上，增加三維數(shù)字建模的設計以及3D打印快速成型技術的教學服務，讓學生近距離地接觸仿真的研發(fā)、車間和生產(chǎn)線，為教學提供全面實驗支持，使學生能將各種理論知識與科研實踐相結合，獲得解決實際問題的能力。

（四）創(chuàng)建學習電子平臺

隨著電子設備的普及以及數(shù)字校園、智能校園、互聯(lián)網(wǎng)+的發(fā)展，在課堂教學、課后自學中有效地利用智能電子設備輔助教學將成為順應學生心意的教學改革方式。結合3D打印技術課程特點，學生利用班級微信群、QQ群等交流平臺進行信息交流、資源共享、專題研討等，教師根據(jù)學生反饋的信息進行有針對性的教學;同時，學生可利用直播平臺、微信公眾號等自主發(fā)布、傳授所學到的知識、設計的產(chǎn)品，學以致用，將前沿科技進行普及推廣，激發(fā)學生自主學習的興趣和創(chuàng)新能力。

學生亦可以組建團隊利用互聯(lián)網(wǎng)+創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)平臺結合3D打印技術的學習成果成立自主研發(fā)的創(chuàng)新項目?；ヂ?lián)網(wǎng)平臺不僅為生活的發(fā)展帶來極大的便利，也為未來的工作生活創(chuàng)造無限的可能，3D打印技術將有著巨大的發(fā)展?jié)摿?，鼓勵學生能將理論學習與實際應用智能地結合起來。

（五）課程成績評定

課程考試成績的評定應以卷面考試為主、平時成績?yōu)檩o進行核定，平時成績不僅包括課堂表現(xiàn)、平時作業(yè)，更應將學生課外的自主學習情況進行核定，包括學生的實習、知識傳播與拓展等多方面進行。

四、結束語

作為本世紀最具發(fā)展前景的前沿科技研究熱點之一，3D打印材料與技術得到迅速發(fā)展，其在航空航天、醫(yī)學、建筑、電子等領域都有著廣發(fā)的潛在應用價值，3D打印材料的偉大變革包括3D打印工程材料、導電材料、記憶材料、人體組織器官等從理論研究走向實際應用，將引發(fā)技術和社會的革新，為人類的生活帶來無限新的可能。我們要積極適應新科技的發(fā)展，改革現(xiàn)有的新材料教學內(nèi)容，改進教學方法，激發(fā)學生的學習興趣和熱情，充分調(diào)動學生自主學習與科研創(chuàng)造的主動性，提升學生在學習過程中的主導地位，為材料行業(yè)培養(yǎng)合格的3D打印技術人才，促進新材料行業(yè)的快速發(fā)展。

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Abstract：3D printing technology，as a global developed rapid prototyping manufacturing technology，has been widely introduced into education teaching in China.The application of this technology also provides new concept and ideas for education work on manufacturing and material science majors.In view of the course features and the existing teaching problems，this paper proposes innovative methods to optimize traditional teaching，stimulate students' interest and creativity，and improve students' thinking innovation and practical ability.

Key words：3D printing materials and technology;course features;teaching innovation