校企共建3D打印實(shí)驗(yàn)室在實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用探討

莫遠(yuǎn)東， 連海山， 莫德云， 嚴(yán)偉聰

（嶺南師范學(xué)院機(jī)電工程研究所，廣東湛江524048）

0 引 言

近年來，被稱為“第三次工業(yè)革命”核心技術(shù)［1］的3D打印技術(shù)，推動(dòng)著全球工業(yè)的轉(zhuǎn)型發(fā)展，其相對傳統(tǒng)的“減材制造”方法，被稱為“增材制造”［2］，主要應(yīng)用于零件直接生產(chǎn)、快速成形、模具快速制造、金屬、陶瓷和復(fù)合材料零件的修復(fù)等［3］，有著生產(chǎn)周期短，制造成本低，個(gè)性化定制等特點(diǎn)，在零件加工、航天航空、國防、醫(yī)療、建筑行業(yè)、教育科研、食品、家具等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用［4］。據(jù)德國EOS 公司透露，F(xiàn)-35LighteningⅡ飛機(jī)有1 600 個(gè)零部件是使用3D 技術(shù)快速成形制造出來的［5］。近年來，3D打印技術(shù)在醫(yī)療上運(yùn)用日益廣泛，西班牙薩拉曼卡大學(xué)借助利用澳大利亞科學(xué)3D打印設(shè)備成功制造出植入罹患胸廓癌患者體內(nèi)的鈦合金胸骨與肋骨［6］；目前，3D 打印技術(shù)在武器制造方面重要性愈發(fā)凸顯，美國采用3D 打印技術(shù)成功制備出AIM-9 響尾蛇導(dǎo)彈制導(dǎo)部分的基座［7］；在現(xiàn)代建筑領(lǐng)域中，3D 打印技術(shù)也逐步在推廣，能節(jié)約建筑成本和工期，還能降低施工過程對周邊環(huán)境的影響，是一種低碳綠色化的施工手段，但目前只能打印簡單底層的建筑，如何打印高層建筑仍然是個(gè)難題［8］；隨著3D打印技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣，教育行業(yè)也出現(xiàn)了與3D打印相結(jié)合的教學(xué)模式，趙慶等［9］提出基于CDIO模式的3D 打印課程實(shí)踐教學(xué)應(yīng)用；在食品領(lǐng)域，3D打印技術(shù)已經(jīng)在焙烤食品、巧克力、糖果、肉類等食品中應(yīng)用，但是大多數(shù)食品打印機(jī)出現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室，面向市場的商業(yè)化3D打印食品技術(shù)還不成熟［10］；3D打印技術(shù)在家具設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域中逐漸應(yīng)用，具有較大的應(yīng)用前景［11］。本文以我校機(jī)電工程學(xué)院與湛江市特維電子科技有限公司合作共建的“嶺師-特維”3D 打印創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室為基礎(chǔ)，進(jìn)行3D 打印技術(shù)在實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用探討。

1 校企共建實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)創(chuàng)新性應(yīng)用型人才

《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020 年）》中明確提出，要建立以企業(yè)為主體、市場為導(dǎo)向、產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的技術(shù)創(chuàng)新體系，提高自主創(chuàng)新能力［12］；在清華大學(xué)百年校慶上，胡錦濤同志提出：“鼓勵(lì)高校同科研機(jī)構(gòu)、企業(yè)開展深度合作，促進(jìn)資源共享，努力為建設(shè)創(chuàng)新型國家做出積極貢獻(xiàn)”［13］；習(xí)近平總書記2018 年10 月在廣東考察時(shí)指出：“要加強(qiáng)推進(jìn)產(chǎn)學(xué)研一體化，更多地走自主創(chuàng)新道路?！笨芍七M(jìn)產(chǎn)學(xué)研一體化，加強(qiáng)高校與企業(yè)深度合作已被提升到國家層面的戰(zhàn)略高度。校企合作模式逐漸被國內(nèi)企業(yè)、高等院校認(rèn)可。沈陽大學(xué)信息工程學(xué)院借助校企聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)，創(chuàng)新了教育模式，提升了人才培養(yǎng)水平［14］；北京印刷學(xué)院利用校企合作契機(jī)，極大激勵(lì)了實(shí)驗(yàn)室隊(duì)伍的發(fā)展，優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)室管理機(jī)制［15］。西南政法大學(xué)在校企合作基礎(chǔ)上，開創(chuàng)第2 課堂及“教-賽-學(xué)”三位一體培養(yǎng)體系，極大培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力［16］?！皫X師-特維”3D 打印實(shí)驗(yàn)室是廣東粵西地區(qū)深度開展企業(yè)與師范院校工科專業(yè)合作的3D 打印創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，是我校探索校企合作的新模式，創(chuàng)新技術(shù)合作開發(fā)新思路，適應(yīng)國家、廣東省對于我校應(yīng)用型轉(zhuǎn)型升級發(fā)展需要，與企業(yè)開展深度合作的一種有意義嘗試，旨在打造新師范，推進(jìn)新工科人才培養(yǎng)模式改革，全面培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力、創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力、實(shí)踐動(dòng)手能力和獨(dú)立解決問題的能力。圖1 所示為我校與湛江市特維電子科技有限公司合作共建的3D 打印創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室。

圖1 校企共建模式下3D打印創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室

2 3D打印教學(xué)改革方案

2.1 傳統(tǒng)3D 打印實(shí)驗(yàn)室實(shí)踐教學(xué)模式存在的局限性

傳統(tǒng)的3D打印實(shí)驗(yàn)室實(shí)踐教學(xué)為了完成教學(xué)任務(wù)，通常以老師講授為主導(dǎo)，學(xué)生絕大部分是被動(dòng)接受知識(shí)，為了做實(shí)驗(yàn)而做實(shí)驗(yàn)。這種模式缺乏探索性思想，嚴(yán)重限制了學(xué)生的創(chuàng)造能力，不能鍛煉學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力，遠(yuǎn)不能滿足國家實(shí)現(xiàn)“制造強(qiáng)國”對應(yīng)用型人才的需求。依據(jù)國家的“中國制造2025”戰(zhàn)略目標(biāo)和學(xué)校的“新時(shí)代、新師范、新工科”教育方針的要求，傳統(tǒng)3D打印實(shí)驗(yàn)室在實(shí)踐教學(xué)方面存在的問題主要有以下幾點(diǎn)：

（1）3D打印實(shí)驗(yàn)室實(shí)踐教學(xué)模式過于注重理論，忽略實(shí)踐。傳統(tǒng)3D打印實(shí)驗(yàn)室實(shí)踐教學(xué)理論知識(shí)講解課時(shí)多，實(shí)驗(yàn)課時(shí)少，通常一次實(shí)驗(yàn)課安排多批學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)課時(shí)，老師帶學(xué)生以觀摩式或驗(yàn)證式形式了解3D 打印設(shè)備結(jié)構(gòu)并講解相應(yīng)的工作原理，但由于時(shí)間有限，學(xué)生很難深入了解3D 打印設(shè)備運(yùn)行原理、結(jié)構(gòu)及控制形式，更沒有機(jī)會(huì)動(dòng)手實(shí)踐，創(chuàng)新能力很難得到培養(yǎng)，實(shí)際動(dòng)手能力難以提高。

（2）3D打印實(shí)驗(yàn)室經(jīng)費(fèi)投入有限，設(shè)備規(guī)格型號(hào)陳舊落后，不能滿足學(xué)生拓展創(chuàng)新思維能力需求。傳統(tǒng)3D打印實(shí)驗(yàn)室經(jīng)費(fèi)通常由學(xué)校統(tǒng)一規(guī)劃，只限購買數(shù)量不多的配置簡單、型號(hào)規(guī)格單一的設(shè)備，然而大部分配置高的主流設(shè)備由于經(jīng)費(fèi)不足無法購買，無法實(shí)現(xiàn)新工科對創(chuàng)新性應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)。

（3）3D打印實(shí)驗(yàn)室實(shí)踐教學(xué)過于偏重完成常規(guī)教學(xué)任務(wù)，不能形成“以賽促學(xué)，以賽促建”模式，無法達(dá)到鍛煉學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題能力及提高創(chuàng)新思維目的。傳統(tǒng)的3D 打印實(shí)驗(yàn)室實(shí)踐教學(xué)，絕大部分都是面向教學(xué)完成常規(guī)實(shí)驗(yàn)，內(nèi)容死板，形式單一，老師講過，學(xué)生做過就算完成了教學(xué)大綱規(guī)定的實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)，學(xué)生沒有探索發(fā)展該新技術(shù)的空間與時(shí)間。

（4）3D打印實(shí)驗(yàn)室教學(xué)只承接校內(nèi)教學(xué)大綱任務(wù)，不能形成“以點(diǎn)帶面”輻射效應(yīng)，促進(jìn)中職、中小學(xué)3D打印教育事業(yè)發(fā)展。傳統(tǒng)3D 打印實(shí)驗(yàn)室設(shè)備落后，只僅僅滿足學(xué)校內(nèi)完成規(guī)定的教學(xué)大綱任務(wù)，功能單一，不能以校企共建3D 打印實(shí)驗(yàn)室模式，由企業(yè)提供型號(hào)多樣、主流先進(jìn)的設(shè)備，由企業(yè)經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師和高校3D 打印團(tuán)隊(duì)組成培訓(xùn)教師團(tuán)隊(duì)對中職、中小學(xué)創(chuàng)客基地等開展3D打印技術(shù)培訓(xùn)，加快3D打印技術(shù)在中小學(xué)、職業(yè)技術(shù)學(xué)校普及速度，為培養(yǎng)更多3D打印方面應(yīng)用型人才，推動(dòng)3D打印教育事業(yè)發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.2 校企共建3D 打印實(shí)驗(yàn)室模式下實(shí)踐教學(xué)課程改革總體設(shè)計(jì)

針對上述問題，我校機(jī)電工程學(xué)院致力探索新型實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，以改變傳統(tǒng)3D 打印實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)狀。校企共建3D打印實(shí)驗(yàn)室模式引入，整合社會(huì)資源，利用企業(yè)雄厚資金以及相應(yīng)豐富的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，以培養(yǎng)現(xiàn)代工匠型應(yīng)用型本科人才為目的，探討建設(shè)一流3D 打印學(xué)科相應(yīng)的人才培養(yǎng)方案，全面提升工科學(xué)生自主創(chuàng)新能力，培養(yǎng)學(xué)生重視基礎(chǔ)研究意識(shí)，達(dá)到全面提高實(shí)踐教學(xué)水平。圖2 為校企共建3D 打印實(shí)驗(yàn)室模式下實(shí)踐教學(xué)課程改革總體方案。

圖2 校企共建3D打印實(shí)驗(yàn)室模式下實(shí)踐教學(xué)改革總體方案

2.3 校企共建3D 打印實(shí)驗(yàn)室模式下的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容改革

在《中國制造2025》規(guī)劃中，3D 打印技術(shù)作為代表性的新興技術(shù)占有重要位置，貫穿創(chuàng)新能力提升、信息化與工業(yè)化深度融合、重點(diǎn)領(lǐng)域突破發(fā)展、推動(dòng)智能制造等方面，充分體現(xiàn)出我國對3D 打印的重視程度。因此3D實(shí)驗(yàn)室實(shí)踐教學(xué)改革顯得尤其重要，在校企共建3D打印實(shí)驗(yàn)室模式下對傳統(tǒng)3D 打印實(shí)驗(yàn)室教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行改革，旨在培養(yǎng)更多適應(yīng)《中國制造2025》對創(chuàng)新型應(yīng)用型人才，為新工科注入新血液，達(dá)到提高學(xué)生創(chuàng)新思維、自主分析問題解決問題的能力。校企共建3D 打印實(shí)驗(yàn)室模式下實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容改革如圖3所示。

圖3 校企共建3D打印實(shí)驗(yàn)室模式下實(shí)踐教學(xué)改革內(nèi)容

以校企共建3D 打印實(shí)驗(yàn)室為基礎(chǔ)，建立全新的實(shí)踐教學(xué)課程，以理論知識(shí)為基礎(chǔ)，提高實(shí)踐動(dòng)手能力、創(chuàng)新思維為重點(diǎn)，全面提升實(shí)踐教學(xué)體系寬度，為培養(yǎng)更多創(chuàng)新性應(yīng)用型人才打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，主要的實(shí)踐教學(xué)改革內(nèi)容如下。

（1）利用企業(yè)贊助的獎(jiǎng)學(xué)金開展學(xué)生開放性3D打印實(shí)踐課題，為學(xué)生提供創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)提供資金支持。我校與湛江市特維電子科技有限公司合作共建的3D打印實(shí)驗(yàn)室，每年企業(yè)贊助10 萬元設(shè)置“嶺師—特維3D打印”獎(jiǎng)學(xué)金的一部分開展學(xué)生開放性3D打印實(shí)踐課題，學(xué)生每3 人組成一個(gè)團(tuán)隊(duì)，自擬課題主題，通過提交課題申請書—學(xué)校組織專家評委會(huì)評審出10 項(xiàng)代表性課題—開題—中期評審—答辯結(jié)題（作品展示、專利成果或者論文發(fā)表）等環(huán)節(jié)，然后根據(jù)答辯成績由專家答辯委員會(huì)評定出一等獎(jiǎng)1 名，二等獎(jiǎng)2，三等獎(jiǎng)3 名，優(yōu)勝獎(jiǎng)4 名，分別獎(jiǎng)勵(lì)金額不等的獎(jiǎng)金。有效地調(diào)動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，自主分析問題、解決問題的能力，充分鍛煉了學(xué)生創(chuàng)新思維，發(fā)揮了學(xué)生聰明才智，提高了學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力，在人才培養(yǎng)方面，極大滿足國家戰(zhàn)略需求，為社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)注入了教育動(dòng)力。

（2）借助校企共建3D 打印實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)，定期派學(xué)生到合作企業(yè)學(xué)習(xí)3D 打印技術(shù)，包括企業(yè)先進(jìn)的管理經(jīng)驗(yàn)、加工工藝、技術(shù)開發(fā)、設(shè)備裝配及調(diào)試等。機(jī)電工程學(xué)院借助校企共建3D 打印實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)，每學(xué)期派多名成績優(yōu)異，動(dòng)手能力強(qiáng)的學(xué)生到合作企業(yè)特維電子科技有限公司跟著經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師學(xué)習(xí)3D打印設(shè)備技術(shù)的開發(fā)、新產(chǎn)品設(shè)備的裝配及調(diào)試、3D打印材料的研究、企業(yè)一流的現(xiàn)代化管理經(jīng)驗(yàn)等，讓學(xué)生到企業(yè)基層鍛煉自己動(dòng)手能力，深度領(lǐng)悟理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合的意義。

（3）利用校企共建3D 打印實(shí)驗(yàn)室，培育優(yōu)質(zhì)的3D技術(shù)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)孵化基地。學(xué)校高度重視大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)孵化基地建設(shè)，積極探索為大學(xué)生創(chuàng)業(yè)教育、創(chuàng)業(yè)實(shí)踐活動(dòng)建立優(yōu)秀的平臺(tái)，將學(xué)生盡快培育為技術(shù)創(chuàng)新主力軍，由此借助我校與湛江市特維電子科技有限公司合作共建的3D 打印實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)，依托企業(yè)豐富的資源以及高校雄厚的師資力量，機(jī)電工程學(xué)院孵化出“意創(chuàng)3D 體驗(yàn)店”創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)基地，一方面可以讓學(xué)生從被動(dòng)學(xué)習(xí)、就業(yè)變?yōu)橹鲃?dòng)創(chuàng)業(yè)、自主發(fā)展，全面理解創(chuàng)新過程，激發(fā)創(chuàng)新意識(shí)，自覺去開發(fā)創(chuàng)新能力。另一方面對幫助學(xué)生自主創(chuàng)業(yè)，提高學(xué)生創(chuàng)業(yè)能力，緩解高校畢業(yè)生就業(yè)壓力，培育創(chuàng)新型應(yīng)用型人才起著積極有效作用。

3 教學(xué)成果分析

依托我校與湛江市特維電子科技有限公司合作共建的3D打印實(shí)驗(yàn)室，機(jī)電工程學(xué)院3D打印技術(shù)研發(fā)團(tuán)隊(duì)帶領(lǐng)學(xué)生先后開發(fā)了桌面級XYZ 型3D 打印機(jī)、三角洲型3D打印機(jī)和分層多色3D打印機(jī)，指導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)立了“意創(chuàng)3D體驗(yàn)店”創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)基地。同時(shí)3D 打印技術(shù)團(tuán)隊(duì)老師指導(dǎo)學(xué)生參加“挑戰(zhàn)杯”“互聯(lián)網(wǎng)+”“火炬杯”“南方海谷杯”等創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽獲獎(jiǎng)10 余項(xiàng)，其中國家級獎(jiǎng)1 項(xiàng)，省級獎(jiǎng)3 項(xiàng)。由此可見校企共建3D打印實(shí)驗(yàn)室建設(shè)為培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力、創(chuàng)新意識(shí)，提高學(xué)生綜合素養(yǎng)，鍛煉學(xué)生自主創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力發(fā)揮著重要的作用。

4 結(jié) 語

校企共建3D 打印實(shí)驗(yàn)室，能有效實(shí)現(xiàn)雙方優(yōu)勢互補(bǔ)、資源重組，企業(yè)為學(xué)校提供教育資源、企業(yè)師資、學(xué)生實(shí)習(xí)機(jī)會(huì)、產(chǎn)學(xué)研合作專項(xiàng)等，學(xué)校為企業(yè)提供聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室的場地、優(yōu)秀創(chuàng)新性應(yīng)用型人才、技術(shù)支持、推廣企業(yè)品牌等。校企共建3D 打印實(shí)驗(yàn)室對我校人才培養(yǎng)、產(chǎn)學(xué)研合作機(jī)制、3D 打印研究等具有非常重要的意義，也有利于優(yōu)化學(xué)校學(xué)科建設(shè)布局、拓寬人才培養(yǎng)渠道、創(chuàng)新校企辦學(xué)路徑，為實(shí)現(xiàn)“新時(shí)代、新師范、新工科”人才培養(yǎng)模式改革，全面培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力、創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力、實(shí)踐動(dòng)手能力和獨(dú)立解決問題的能力提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，更會(huì)對粵西地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步產(chǎn)生積極影響。