新工科背景下3D打印開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室的探索與研究

摘要：3D打印技術(shù)是新興的智能制造技術(shù)，具有先進(jìn)性、創(chuàng)新性和實(shí)踐性等特點(diǎn)，其與新工科建設(shè)的要求和目標(biāo)相契合，本文結(jié)合我校開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室實(shí)踐性教學(xué)，圍繞管理模式和運(yùn)行機(jī)制等問(wèn)題進(jìn)行了探討，可為其他高校實(shí)踐教學(xué)改革提供借鑒與參考。

關(guān)鍵詞：新工科;開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室;3D打印;實(shí)踐教學(xué)

一、新工科背景下的3D打印實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放

教育部在2017年發(fā)布的《關(guān)于開(kāi)展新工科研究與實(shí)踐的通知》中提及，為主動(dòng)應(yīng)對(duì)新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，支撐服務(wù)創(chuàng)新，驅(qū)動(dòng)發(fā)展“一帶一路”、“中國(guó)制造2025”、“互聯(lián)網(wǎng)+”等一系列國(guó)家戰(zhàn)略，提出了“新工科”建設(shè)構(gòu)想，即：相對(duì)于傳統(tǒng)工科型人才，未來(lái)新興產(chǎn)業(yè)和新經(jīng)濟(jì)需要的是實(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)、具備國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的高素質(zhì)復(fù)合型新工科人才。這就要求高校在人才培養(yǎng)環(huán)節(jié)上，必須將傳統(tǒng)工科專業(yè)隨時(shí)代發(fā)展進(jìn)行逐步轉(zhuǎn)型升級(jí)，將實(shí)踐創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育貫穿大學(xué)生人才培養(yǎng)的全過(guò)程，達(dá)到“新工科”多維度、多層次、復(fù)合型大學(xué)生人才的培養(yǎng)目標(biāo)[1]。

實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放是指各類實(shí)驗(yàn)室在完成計(jì)劃內(nèi)教學(xué)、科研任務(wù)的前提下，利用現(xiàn)有師資、儀器設(shè)備等資源面向?qū)W生開(kāi)放，為學(xué)生提供實(shí)踐學(xué)習(xí)和科學(xué)研究的條件。開(kāi)放實(shí)驗(yàn)不僅僅能提高實(shí)驗(yàn)設(shè)備的使用率，還能極大提升參與學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，與培養(yǎng)“新工科”人才要求的高素質(zhì)、實(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)不謀而合。

3D打印技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展迅速的先進(jìn)制造技術(shù)之一，是集機(jī)械、電氣、材料等學(xué)科于一體的復(fù)合型技術(shù)。其特有的離散-堆積“增材成型”方式對(duì)比與傳統(tǒng)的減材成型，在物體造型、材料利用率等方面具有巨大的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)3D打印技術(shù)結(jié)合三維建模更容易激發(fā)學(xué)生的興趣拓展學(xué)生的創(chuàng)新能力，與新工科的要求精神高度契合，因而國(guó)內(nèi)高校普遍比較重視3D打印實(shí)踐教學(xué)。在其教學(xué)模式上，大部分高校采用在“金工實(shí)習(xí)”中增加了3D打印實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的方式，而有些高校則是在已開(kāi)設(shè)“材料成形原理”等課程基礎(chǔ)上增開(kāi)了3D打印選修課，還有部分學(xué)校將3D打印融入進(jìn)鑄造教學(xué)中，取得了良好的教學(xué)效果。

二、開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室形式分類

針對(duì)學(xué)生、教師和專業(yè)技術(shù)人員，我校3D打印室開(kāi)放可以分為大致兩種模式，分別是按時(shí)間開(kāi)放和按實(shí)驗(yàn)內(nèi)容開(kāi)放。

（一）按時(shí)間開(kāi)放

1、全天時(shí)開(kāi)放，我校工程訓(xùn)練中心的3D打印創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室實(shí)行全天時(shí)開(kāi)放。學(xué)生不

用受到時(shí)間的限制，可隨時(shí)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，增加了開(kāi)放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的連貫性。但由于場(chǎng)地限制，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室內(nèi)設(shè)備種類和數(shù)量有限，只能滿足少部分學(xué)生開(kāi)放實(shí)驗(yàn)的需求。

2、定時(shí)開(kāi)放，由于我校3D打印實(shí)訓(xùn)室承擔(dān)有大量教學(xué)任務(wù)，只有利用每周三下午和晚上教學(xué)空檔時(shí)間進(jìn)行開(kāi)放。實(shí)訓(xùn)室內(nèi)設(shè)備數(shù)量較多，可滿足大部分學(xué)生開(kāi)放實(shí)驗(yàn)的需求，但是開(kāi)放時(shí)間有限，學(xué)生需要按照規(guī)定時(shí)間進(jìn)入和離開(kāi)實(shí)訓(xùn)室。同時(shí)由于3D打印過(guò)程較慢，需要學(xué)生第二天在上課前取走打印完成的模型。

3、預(yù)約開(kāi)放，對(duì)于一些價(jià)值較高、成型材料特殊的3D打印設(shè)備，如光固化3D打印機(jī)和金屬激光3D打印機(jī)，由于操作相對(duì)熔融沉積3D打印機(jī)較為復(fù)雜，需要提前網(wǎng)上預(yù)約，實(shí)驗(yàn)室會(huì)根據(jù)預(yù)約人數(shù)及項(xiàng)目種類統(tǒng)一安排進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放。

（二）按內(nèi)容開(kāi)放

1、課程內(nèi)容開(kāi)放，主要針對(duì)因故沒(méi)能在正常教學(xué)中完成實(shí)訓(xùn)的學(xué)生，利用實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放補(bǔ)做實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，避免了學(xué)生重修帶來(lái)的不便。

2、競(jìng)賽內(nèi)容開(kāi)放，我校3D打印實(shí)驗(yàn)室采取的這種形式進(jìn)行開(kāi)放，主要針對(duì)大二以上年級(jí)學(xué)生，立足于一些競(jìng)賽，如全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽、“挑戰(zhàn)杯”全國(guó)大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽、全國(guó)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽、互聯(lián)網(wǎng)+大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽等。特別是在全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽中，3D打印技術(shù)已是所有參賽選手必備的一項(xiàng)基本技能。我校參與競(jìng)賽的學(xué)生無(wú)論專業(yè)無(wú)論年級(jí)都至少進(jìn)行過(guò)一學(xué)期以上3D打印的開(kāi)放實(shí)驗(yàn)。在物料電控組、“8”字行組和“S”環(huán)組的競(jìng)賽準(zhǔn)備過(guò)程中，像軸承支座、前叉、滑輪支架、凸輪、繞線輪等精度要求不高的零件都是采用3D打印的方式制作的。

3、科研內(nèi)容開(kāi)放，這種主要是面向高年級(jí)本科生和部分教師。這種模式主要以教師為主，通過(guò)發(fā)布科研項(xiàng)目中的課題任務(wù)，吸納部分優(yōu)秀學(xué)生加入科研小組，參與到科研項(xiàng)目中。以我校為例，我校金屬激光3D打印機(jī)承擔(dān)了部分模具和材料類的國(guó)家級(jí)科研任務(wù)，主要針對(duì)有相關(guān)課題項(xiàng)目的科研小組開(kāi)放，教師帶隊(duì)指導(dǎo)學(xué)生一起完成科研任務(wù)。由于受設(shè)備有限、操作難度大、危險(xiǎn)系數(shù)較高等各種條件的限制，難以對(duì)普通個(gè)體學(xué)生開(kāi)放，覆蓋面較小，可作為實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放的一種補(bǔ)充。

三、3D打印開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室實(shí)施的必要條件

實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放管理是一項(xiàng)系統(tǒng)的工作，是由教務(wù)處和實(shí)驗(yàn)室管理中心協(xié)同管理。對(duì)于3D打印類的開(kāi)放實(shí)驗(yàn)和其他大類的開(kāi)放實(shí)驗(yàn)在實(shí)施上并無(wú)太大差別，需要學(xué)校針對(duì)不同科研、競(jìng)賽項(xiàng)目進(jìn)行嚴(yán)格的審查，以確保在資源有限的條件下，教學(xué)效果最大化。

（一）完善的規(guī)章制度

開(kāi)放實(shí)驗(yàn)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)必須要有一套完善的規(guī)章制度，既要保證開(kāi)放期間學(xué)生的安全，又要保證設(shè)備在高強(qiáng)度的工作狀態(tài)下正常運(yùn)轉(zhuǎn)。針對(duì)于上述情況，我們制定了相關(guān)的《開(kāi)放實(shí)驗(yàn)學(xué)生守則》、《開(kāi)放實(shí)驗(yàn)設(shè)備管理規(guī)定》和《開(kāi)放實(shí)驗(yàn)教師守則》等規(guī)章制度。同時(shí)對(duì)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)實(shí)施過(guò)程中的實(shí)施細(xì)則和學(xué)生參與記錄都做了規(guī)范化。對(duì)于實(shí)驗(yàn)室的安全，要求實(shí)驗(yàn)室安全員每天結(jié)束之后認(rèn)真檢查并填寫《實(shí)驗(yàn)室安全日志》，切實(shí)保證安全第一的核心思想。

（二）學(xué)生的獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制

為了鼓勵(lì)學(xué)生積極參加開(kāi)放實(shí)驗(yàn)，我校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院規(guī)定學(xué)生在校期間必須至少完成2個(gè)學(xué)分的開(kāi)放實(shí)驗(yàn)任務(wù)。學(xué)生一個(gè)學(xué)期完成一項(xiàng)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)就可以完成2個(gè)學(xué)分的任務(wù)，對(duì)于在開(kāi)放實(shí)驗(yàn)期間參與競(jìng)賽和科研項(xiàng)目獲得名次或發(fā)表論文取得成果的學(xué)生，追加2-4分創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)分并給與獎(jiǎng)學(xué)金獎(jiǎng)勵(lì)。對(duì)于有突出貢獻(xiàn)的學(xué)生，在研究生免推生的選拔中適當(dāng)?shù)挠枰约臃謨A斜。

（三）教師的激勵(lì)措施

開(kāi)放型實(shí)驗(yàn)室屬于大綱以外的教學(xué)，學(xué)生可能涉及到的知識(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出課本以外，這就需要教師花費(fèi)更多的時(shí)間和精力準(zhǔn)備資料和指導(dǎo)學(xué)生。同時(shí)作為開(kāi)放實(shí)驗(yàn)期間學(xué)生安全的第一責(zé)任人，教師還肩負(fù)起了秩序管理者和實(shí)驗(yàn)室安全員的責(zé)任，工作任務(wù)量遠(yuǎn)超過(guò)一般的教學(xué)。同時(shí)鑒于大部分教師進(jìn)行開(kāi)放實(shí)驗(yàn)是犧牲了自己的休息時(shí)間，為了調(diào)動(dòng)教師的積極性，在教師開(kāi)放實(shí)驗(yàn)的待遇上應(yīng)予以照顧，在涉及到課時(shí)補(bǔ)助的問(wèn)題上標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該高于一般的教學(xué)。對(duì)于在學(xué)校開(kāi)放實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)突出的項(xiàng)目，在其職稱評(píng)審上應(yīng)予以加分。這樣才能夠調(diào)動(dòng)他們的積極性和主動(dòng)性，使他們有更多的精力投入開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)。

（四）資金的投入

資金是開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和發(fā)展的根本保障，包括耗材的購(gòu)買，設(shè)備的維修以及指導(dǎo)教師的補(bǔ)助等。3D打印開(kāi)放實(shí)驗(yàn)是對(duì)資金依賴程度較高的開(kāi)放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。對(duì)于融融沉積型3D打印機(jī)，主要耗材為PLA塑料。每人每周至少需要1kg左右耗材，質(zhì)量較好的PLA材料價(jià)格大約為100元/kg，對(duì)于參與競(jìng)賽項(xiàng)目的開(kāi)放實(shí)驗(yàn)材料要求更高，價(jià)格也就更高。而對(duì)于

選擇性激光熔化型金屬3D打印機(jī)，選用最便宜的304不銹鋼金屬粉，質(zhì)量較好的金屬粉價(jià)格大約為200元/kg，其他合金粉價(jià)格會(huì)更高。同時(shí)設(shè)備加工中的氮?dú)庀囊彩且还P不小的費(fèi)用，所以對(duì)于金屬激光3D打印機(jī)不建議進(jìn)行大批次的開(kāi)放實(shí)驗(yàn)。此外教師的課時(shí)補(bǔ)助也應(yīng)納入到開(kāi)放實(shí)驗(yàn)的資金投入中。

四、3D打印開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室的實(shí)施

（一）開(kāi)放題目申報(bào)

（1）有相關(guān)科研項(xiàng)目的教師或自帶課題的學(xué)生經(jīng)工程訓(xùn)練中心3D打印教研室同意后上報(bào)實(shí)驗(yàn)室管理中心和教務(wù)處備案，經(jīng)審批可通過(guò)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室。（2）由3D打印教研室根據(jù)相關(guān)競(jìng)賽統(tǒng)一設(shè)置開(kāi)放題目，并向全校發(fā)布。

（二）參與開(kāi)放實(shí)驗(yàn)

（1）自帶課題的教師或?qū)W生團(tuán)隊(duì)需要提前在教務(wù)平臺(tái)上預(yù)約開(kāi)放時(shí)間、參與人數(shù)和需要使用的設(shè)備和材料，然后預(yù)約人需按照規(guī)定時(shí)間進(jìn)入工程訓(xùn)練中心進(jìn)行3D打印實(shí)驗(yàn)開(kāi)放。（2）競(jìng)賽類開(kāi)放課題的學(xué)生需要按照通知的時(shí)間進(jìn)入中心學(xué)習(xí)三維建模和3D打印類的基本技能。在統(tǒng)一學(xué)習(xí)后，學(xué)生可根據(jù)自己的時(shí)間無(wú)需預(yù)約自行進(jìn)入3D打印創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行相關(guān)內(nèi)容的設(shè)計(jì)和研究。

（三）考核與評(píng)價(jià)

在學(xué)期結(jié)束時(shí)根據(jù)課題完成情況評(píng)出優(yōu)良中差，并上報(bào)教務(wù)處進(jìn)行備案。對(duì)于發(fā)表論文、在競(jìng)賽中獲省級(jí)二等獎(jiǎng)以上者追加創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)分，同時(shí)按學(xué)校規(guī)定給予獎(jiǎng)學(xué)金獎(jiǎng)勵(lì)，特殊貢獻(xiàn)者在研究生免試推薦選拔中給予加分。

五、總結(jié)

“新工科”強(qiáng)調(diào)將創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育貫穿整個(gè)本科教育的過(guò)程中，以達(dá)到多維度、多層次、復(fù)合創(chuàng)新型人的培養(yǎng)目標(biāo)[1]，3D打印作為今年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的新興技術(shù)，具有很強(qiáng)的創(chuàng)新性和實(shí)踐性，用其作為“新工科”培養(yǎng)人才的工具，再合適不過(guò)。將3D打印和已趨于成熟的開(kāi)放實(shí)驗(yàn)兩者的結(jié)合，為學(xué)生提供了一個(gè)激發(fā)創(chuàng)作靈感、增強(qiáng)創(chuàng)新意識(shí)、提高實(shí)踐能力的平臺(tái)，是傳統(tǒng)教學(xué)思維向“新工科”思維轉(zhuǎn)型的一條有效途徑。

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作者簡(jiǎn)介：

武振威 （1992-02-），男， 漢族， 河南鶴壁人， 助理實(shí)驗(yàn)室 ， 學(xué)士 ，主要從事機(jī)械類實(shí)踐教學(xué)。