基于新工科融合创新实践能力培养的3D打印实训教学改革与实践.pdf

模具制造 2023年第11期基于新工科融合创新实践能力培养的3D打印实训教学改革与实践李春玲（苏州大学工程训练中心，江苏苏州 215000）【摘要】创新是新工科工程教育发展的不竭动力。通过对工程训练实践教学的现状分析，围绕3D打印实训教学模式进行改革和实践。改革以培养学生工程创新能力和实践能力为目标，依托现有实训教学平台，结合不同专业采取多种教学模式进行3D打印教学实践。教学模式主要包括3D打印基础训练、3D打印与激光内雕组合法、项目式创意设计以及参加竞赛筹备及实战等，具有由易到难、由浅入深和以点带面等特点。融合工程创新和实践能力的3D打印实践教学培养模式，能够有效激发学生参与实训的兴趣，高质量培养应用型人才，大幅提升实训教学质量。关键词：新工科；工程训练；3D打印；改革；创新&实践能力中图分类号：TG659；G712 文献标识码：B DOI：10.12147/ki.1671-3508.2023.11.019Reform and Practice of 3D Printing Engineering Training with the Ability to Innovate Emerging Engineering Education Li Chunling（Engineering Training Center of Soochow University,Suzhou，Jiangsu 215000，CHN）【Abstract】Innovation is an inexhaustible motivation for the development of emerging engineering education.Based on the analysis on current situation of engineering training practical teaching,this article aims at reform and practice of 3D printing based practical skills training model.With the purpose of training students innovative engineering and practical abilities by virtue of current practical training teaching platform,the reform adopts multiple specialty-dependent teaching models to conduct teaching practice of 3D printing.Various teaching models primarily comprise basic training of 3D printing,combinatorial 3D printing and laser inner carver,innovative program design and participating in competition preparation as well as actual combat,which possess some features such as stepwise implementation from simple to complicated,from the shallower to the deeper and fanning out from point to area.By combination of engineering innovation and practical ability,the present 3D printing training models can efficiently stimulate students interest in participating in practical training,cultivate application-oriented talents in high quality and hence substantially promote the practice teaching quality.Key words：emerging engineering education；engineering training；3D printing；reform；innovative and practical ability1 引言新工科作为一种新型工程教育，创新是工程教育发展的不竭动力。为了更好地应对新技术的更新迭代、多学科的交叉融合态势，国家提出了创新、协调、绿色、开放、共享的发展理念，提出了工程教育改革方向，各高校积极进行实践创新创业能力强化，实习教 模具制造技术 62模具制造 2023年第11期学实训以及拓展育人平台的改革；通过创客模式、3D打印等新技术、新模式改变工程实践环节和模式，将真实的参与体验融入到工程教育中12。随着新技术的发展，越来越多的高校工程训练中心引进了3D打印设备并开设了相关的实训项目，工程训练中心作为校内实践教学基地，是培养学生工程实践能力及创新能力的重要部门，承担着工程实践教学改革重任，人才培养过程中重要的实践教学环节，开设3D打印实训课程为学生的创意、创新实践活动提供全方位的支持平台，并通过创新实践课程、创新实践项目、科技竞赛活动等培养学生工程创新能力和工程实践能力34。本文根据本校学生工程实训中创新能力和工程实践能力培养方面的优势与不足，在3D打印实训工种上尝试多种教学模式的改革，激发学生的创新兴趣、启迪探索精神、培养学生的自主创新能力。在实践教学中，对大学生的工程意识、创新意识、创新能力的培养起到了推动作用58。2 3D打印实训在创新实践教学中的现状分析2.1 实训工种增多由于各种新技术设备不断应用到实训教学中，但传统的项目比如车、铣、铸、钳、焊等工艺实训依然保留。在总学时不变的情况下各工种分配到的时间就会缩短，而学习的内容较多，学生动手操作的时间则相对减少。如果增加该工种实训时间，看起来有机会实践，但实际上是通过增加每组的人数来实现的，这样执行下来往往只是一部分学生实践操作，其他学生处于观摩的状态。2.2 学生基础薄弱（1）三维设计基础参差不齐。3D打印使用的模型数据通常由正向设计或者逆向工程获得，但由于基于逆向工程获取的设备在实训中的使用较少，大部分实验室采用的还是正向设计方法。正向设计需要设计软件的熟练使用，而参与实训的理工类学生三维设计基础参差不齐，对于非机械类的学生，极少有学生接触过三维设计软件。（2）理论知识不扎实。来实训的通常都是大二学生，没有上过或者正在上相关的专业基础课，在实习3D打印工艺时三维模型的设计需要用到机械制图等相关基础理论知识。所以，对学生来说，既要学习工艺，又要掌握设计软件和设备操作软件，在时间上已经非常紧凑。很多学生实训前，相应的理论课程没有及时消化和吸收，跟不上实践教学的节奏，这不利于对实训内容的理解和掌握，也没有时间提高动手能力和工程实践能力。2.3 实训缺乏创新工程训练各工种的实训内容相对固定，多年来基本上采取的是老师示范讲解，学生模仿操作，同样的教学内容针对不同组的学生轮流实训。同时，对学生的考核主要集中在提交上来工件，导致学生只注重结果，忽视了学习的过程。在这种训练模式下，指导老师思维也容易固化，在教学上缺乏创新和探索精神，教学内容侧重于操作技能的培训，综合训练和创新训练内容较少，对培养学生的创新能力难以起到推动作用。2.4 学生对实训兴趣不高长期以来，工程训练各工种的实训沿袭着独立训练的模式，学生实习完一个工种转入下一个工种，有些学生存在为拿学分走过场的心理。教与学的模式相对被动，学生不能主动参与到学习的过程中。同时，部分学生对实习缺乏学习兴趣，积极性不高。各实训工种之间联系少，实训零件也不要求配合，学生很难体验到一个作品完整的加工装配过程，整体教学效果不理想。综上分析，为了改变现状，强化学生工程创新素质的培养。针对机械类和非机械类专业制定不同的培养方案，让学生在有限的学习时间内选修自己感兴趣的实训工种，引领沉浸式学习，以此提升学习效果。3 3D打印技术实训教学的主要模式3.1 日常实训内容为了避免分配到各个工种分配时间缩短，学生在实践动手环节的时间相对减少的情况，3D打印课程提供4种时长的训练，分别为0、0.5、1.0、1.5天。学生按班级来统一选择适合的实习时长组合。比如智能制造专业的学生重点在产线联动实训，3D打印工种可以舍弃，大部分非机械专业学生选择0.5天的实习，通过了解3D打印的基本原理和工艺过程，理解离散-堆积成型的实质，熟悉相关设备操作软件的使用，在给定的模型库里选择一个典型的三维模型进行实践操作，学会不同模型成型方向的选择以及制造步骤，并将打印实物出来，进行必要的后处理，如图1所示的典型零件制造。而机械专业学生，他们对自主设计非 模具制造技术 63模具制造 2023年第11期常感兴趣则可以选择较长的实训时间，如1.5天。该部分学生在实训中不但能够了解 3D 打印的工艺原理、工艺过程，加工的实质，同时掌握成型方向的选择，学会工艺参数的设置，增加应用软件的内容，使学生学会模型从设计到制作实物的全部工艺过程，同时熟练掌握模型的制作步骤，最后打印自己设计的模型作为实训纪念，这样既挖掘了优秀学生的创造潜能，又保证了整体教学的目标和教学效果，努力做到因材施教。如图2所示的自主设计作品。图1 典型零件制造 图2 自主设计作品3.2 与其它工种联合实训3D打印与其它工种相结合，建立两工种之间的联系，使得加工出来的零件产生配合。在这个教学模式中要求在3D打印工种实习时自行设计零件并打印成实物，可以单个复杂的三维实体件，也可以是多个零件的组合体，与给定水晶外形尺寸的激光内雕作品配合后组装成最后的作品。执行方案如下：（1）给定激光内雕水晶的外形尺寸，与3D打印零件配合的方向任意。（2）3D打印零件可以是单个零件，也可以是多个零件的装配体，给定单个零件尺寸的经验参考数据，最大外形尺寸不超过3D打印机的成型空间且单个零件打印时间在30min左右，并通过模拟打印软件预览时间。如果打印时间不合适，则改变参数设置或者优化零件的结构，直到满足打印要求。（3）调整装配尺寸。由于内雕作品原材料的加工存在误差，所以，在设计前需测量内雕水晶的具体尺寸，确定与 3D 打印模型装配的关键尺寸的具体数值。通过确定好的内雕材料实际尺寸来确定3D打印模型的相关尺寸。（4）确定工艺尺寸。由于3D打印实训的材料通常为ABS或者PLA，材料通过熔融挤压成型后存在一定的收缩率，根据3D打印机的精度和与之配备的材料，调整好需要配合用的工艺尺寸再进行加工。在这个教学模式的实训中，学生通过简单的两个工种的实践操作，初步尝试了两个零件的装配设计及制造过程，通过3D打印零件的自由设计，体验到一个作品从设计、加工到组装成作品的全过程，完成各自纪念品的过程中，创新能力和实践能力得到一定程度的培养。部分3D打印与激光内雕联合实训作品如图3所示。图3 3D打印与内雕联合实训作品3.3 项目式创意设计 项目式创意设计是两两工种联合实训的升华，是一项综合能力的培养模式，几乎涉及到基础实训的所有工种。其中，3D 打印在这个项目中应用较多。通常对于机械类的学生在结束基础的实训后进行培训，时长2周，项目要求创意设计的作品尽可能使用到基础实训中的各个工种来加工零件，每组学生 7-8人。项目方案有多种供学生选择：一种为规定的设计方案，通常是与竞赛相关的命题，比如无碳小车的设计，对竞赛参与感兴趣的同学可以选择；另一种是自行拟定方案，实训指导老师对项目的可行性进行把关，以学生为主体，倡导学生在合作中解决问题，有意识地培养学生的创新实践能力和工程训练综合能力。项目流程总共分为5部分：（1）方案设计。设计方案要有创新性和规范性，综合考虑材料、加工、制造成本。（2）图纸绘制。学生按照制图标准进行零件图及装配图的绘制，每个学生负责方案中的至少一个零件的图纸绘制和加工。（3）加工工艺制定。每个学生根据自己所要加工的零件制定加工工艺并填写工艺卡片。（4）零件加工及装配调试，学生根据零件图和工艺卡片至所需工种，并在老师的指导下进行加工。根据调试结果进行机构改进，满足功能要求。（5）项目总结答辩。每小组根据自己的设计成果进行总结答辩。模具制造技术 64模具制造 2023年第11期在这个项目中，由于学生经过前期的基础项目的实训，在3D打印工种实习中熟悉了从设计到加工的工艺过程，掌握了零件从设计到实物加工的操作方法，所以应用较多，作品中有个别零件使用3D打印工艺的，如图4所示，也有大部分零件都使用3D打印工艺的，如图5所示。图4 工程实训创意设计图5 工程实训创意设计3.4 与竞赛培训相结合引导学生参与实际的竞赛项目，通过具体的竞赛题目，设计对应的零部件进行打印、装配和调试，完成竞赛演练，提高学生的创新能力、实践能力和团队协作精神。同时组织在校专业学生参加各类科技竞赛，如基于3D打印工艺的校大学生工程训练综合能力大赛、无碳小车，模块化机器人竞赛等，为省赛的产品设计提供创新零件的制造，提高学生的实践能力和创新能力910。图6所示为苏州大学第一届工程训练综合能力竞赛3D打印获奖作品，图7所示为江苏省第七届先进制造技术（智能制造）创新制作和实习教学竞赛中全地形机器人对抗赛作品，荣获一等奖和二等奖。图6 3D打印竞赛图7 模块化机器人竞赛4 总结与展望根据工程训练中心现有的实训教学平台，结合不同的专业分别采取多个教学模式进行3D打印教学实践。近年来在两个校区多个专业班级中实施改革和实践，采取单个基础训练、与激光内雕工种联合、项目式创意设计以及参与多种竞赛筹备与实战的模式的训练。这几种实训教学培养模式由易到难，由浅入深，以点带面融合工程创新能力和实践能力。这种模式不但激发了学生参与实训的兴趣，同时还提高了工程创新能力和工程实践能力，对培养应用型人才具有促进作用，有利于提高实训教学质量和工程训练中心的发展。参 考 文 献1 钟登华.新工科建设的内涵与行动J.高等工程教育研究，2017，（3）：162 叶晓琴.新工科背景下工程训练中心创新人才探究J.实 验技术与管理，2019，36（12）：2742773 田爱华，王丽慧.机械类专业学生工程实践创新能力培养 探讨J.智库时代，2018，33（1）：94964 马鹏举，佟杰，张兴华等.工程训练课程体系的研究与实践 J.北京航空航天大学学报，2017，30（2）：1051085 张猛持，陈云，马傲玲.基于创新能力培养的工程训练教学 改革研究J.实验室科学，2019，22（1）：1551576 赵晓丹，吴春华，周振.构建以培养创新型科技人才的实践 教学体系J.实验室研究与探索，2015，34（11）：2062097 庞艳荣，张晓霞.依托工程实训与实验平台卓越创新人才 培养J.广州化工，2016，44（12）：1721738 李学涛，谭金铃，白广华.工程训练中心对大学生创新能力 的培养性实践探索J.高教学刊，2015，（21）：2142159 何岚岚，张海光，胡庆夕.学科竞赛牵引下的工程素质培养 模式探究J.实验室研究与探索，2019，38（9）：15115510 安芬菊，张静，吴敬权基于学科竞赛的3D打印实践教学 模式的研究J中国设备工程，2022，（9）：262264 作者简介：李春玲，女，1973年1月生，汉族，湖南黔阳人，高级工程师，大学本科，研究方向：先进制造技术及工程训练实践教学研究。（收稿日期：2023-06-09）模具制造技术 65