摘" 要" 為滿足工程教育專業(yè)認(rèn)證基本要求，針對傳統(tǒng)教學(xué)中的不足進(jìn)行改革，實(shí)現(xiàn)教與學(xué)與時(shí)俱進(jìn)。結(jié)合浙江海洋大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)工程認(rèn)證中的教學(xué)實(shí)踐，闡述3D打印技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)、實(shí)踐環(huán)節(jié)、創(chuàng)新能力培養(yǎng)等方面的應(yīng)用和探索，在激發(fā)學(xué)生熱情、提高教學(xué)質(zhì)量、促進(jìn)專業(yè)建設(shè)等方面取得一定的實(shí)踐成效。

關(guān)鍵詞" 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化；工程教育；3D打印技術(shù)；實(shí)踐教學(xué)

中圖分類號：G642.0" " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號：1671-489X（2022）23-0150-04

0" 引言

3D打印技術(shù)，又稱增材制造技術(shù)，是一種對傳統(tǒng)制造業(yè)具有顛覆意義的技術(shù)，是對傳統(tǒng)制造加工原理的根本性創(chuàng)新。近年來隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，其在世界范圍內(nèi)受關(guān)注的程度越來越高。我國政府為了促進(jìn)3D打印技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，也出臺(tái)了相關(guān)政策，如《增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（2017—2020年）》中指出要加快推進(jìn)增材制造（又稱3D打?。┊a(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略部署，推動(dòng)增材制造在創(chuàng)新教育等領(lǐng)域規(guī)?；瘧?yīng)用，推廣“3D打印+創(chuàng)新教育”[1]。

通過這一系列的政策引導(dǎo)，在社會(huì)各界共同努力下，我國增材制造關(guān)鍵技術(shù)不斷突破，裝備性能顯著提升，應(yīng)用領(lǐng)域日益拓展，生態(tài)體系初步形成，涌現(xiàn)出一批具有一定競爭力的骨干企業(yè)，形成若干產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)，實(shí)現(xiàn)了快速發(fā)展。但是在行業(yè)快速成長的同時(shí)，人才建設(shè)的短板成為產(chǎn)業(yè)更上層樓的重要阻礙。教育部、人力資源社會(huì)保障部、工業(yè)和信息化部2016年12月發(fā)布的《制造業(yè)人才發(fā)展規(guī)劃指南》顯示：中國制造業(yè)十大重點(diǎn)領(lǐng)域2020年的人才缺口超過1 900萬人，2025年這個(gè)數(shù)字將接近3 000萬人[2]。而且，隨著企業(yè)自動(dòng)化程度不斷提升，對技能人才的要求也越來越高。針對這一突出問題，國內(nèi)部分高校正積極開展3D打印系列實(shí)踐教學(xué)工作的初步改革與實(shí)踐探索，甚至設(shè)置了3D打印本科專業(yè)。

浙江海洋大學(xué)機(jī)械工程學(xué)科按照“海洋特色、區(qū)域特色、與時(shí)俱進(jìn)、國際化”的辦學(xué)定位，堅(jiān)持省屬地方區(qū)域性海洋高校機(jī)械專業(yè)人才培養(yǎng)特色，根據(jù)工程認(rèn)證基本要求，實(shí)施以生為本、OBE（Out-come based education）為目標(biāo)導(dǎo)向的工程教育認(rèn)證培養(yǎng)模式改革，學(xué)校機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)于2020年通過國家工程教育認(rèn)證。浙江海洋大學(xué)結(jié)合自身教育資源，針對機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)，開設(shè)了3D打印技術(shù)課程。為滿足新時(shí)期產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，實(shí)現(xiàn)教與學(xué)的與時(shí)俱進(jìn)，浙江海洋大學(xué)以強(qiáng)化學(xué)生工程應(yīng)用和創(chuàng)新能力培養(yǎng)為主線，在激發(fā)學(xué)生熱情、提高教學(xué)質(zhì)量、促進(jìn)專業(yè)建設(shè)等方面取得一定的實(shí)踐成效，為同類院校和同專業(yè)其他課程滿足當(dāng)前形勢要求下的課程標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)提供借鑒。

1" 當(dāng)前實(shí)踐教學(xué)中存在的問題

1.1" 缺乏3D打印的學(xué)習(xí)實(shí)踐平臺(tái)

學(xué)習(xí)實(shí)踐平臺(tái)建設(shè)是學(xué)科發(fā)展的基礎(chǔ)。部分院校經(jīng)費(fèi)較緊張，實(shí)驗(yàn)設(shè)備長期落后，而3D打印設(shè)備種類繁多，部分設(shè)備又較為昂貴，很多學(xué)校無力引進(jìn)各類3D打印設(shè)備，組建3D打印技術(shù)學(xué)習(xí)實(shí)踐平臺(tái)。同時(shí)，師資隊(duì)伍多為專職教師，缺少企業(yè)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，對3D打印技術(shù)的講解僅停留在理論上，往往通過口述或PPT演示的方法進(jìn)行講解，缺乏實(shí)際應(yīng)用，更沒有辦法提供實(shí)際指引。這就導(dǎo)致學(xué)生難以真正了解設(shè)備的組成及其運(yùn)行情況，普遍缺乏實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)。

1.2" 學(xué)生運(yùn)用3D技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)的能力較弱

在傳統(tǒng)教學(xué)過程中，教師先進(jìn)行理論知識(shí)的講解與操作示范，然后讓學(xué)生進(jìn)行練習(xí)操作，操作的模型一般都是教師事先準(zhǔn)備好的，常以建筑、動(dòng)物、機(jī)械結(jié)構(gòu)等為對象，打印過程一般以三至四人為一個(gè)小組打印模型[3]。這種教師一步步教、學(xué)生一步步學(xué)的“師傅帶徒弟”的教學(xué)方法，只能讓學(xué)生熟悉3D打印設(shè)備的操作過程，難以讓學(xué)生深入體會(huì)3D打印技術(shù)的優(yōu)勢，不利于提升學(xué)生自主動(dòng)手的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。

1.3" 學(xué)生學(xué)習(xí)興趣容易減退

興趣是支持學(xué)生繼續(xù)前進(jìn)的動(dòng)力，對學(xué)習(xí)有著極大的促進(jìn)作用。3D打印技術(shù)上手容易精通難，傳統(tǒng)的教學(xué)方法無法很好地培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)的興趣和意識(shí)，導(dǎo)致很多學(xué)生剛開始對3D打印技術(shù)很感興趣，但后來慢慢感到枯燥乏味，不想繼續(xù)深入了解3D打印技術(shù)，從而使得學(xué)生在實(shí)踐學(xué)習(xí)之后并沒有真正掌握應(yīng)該具備的技能。

1.4" 缺乏系統(tǒng)性的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

一個(gè)學(xué)科的發(fā)展離不開一套成熟的系統(tǒng)性的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)性的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不僅能讓教師更好地去評判一個(gè)學(xué)生的課程學(xué)習(xí)情況，也能激發(fā)學(xué)生的積極性與創(chuàng)造性[4]。3D打印技術(shù)課程的傳統(tǒng)評價(jià)一般是以學(xué)生平時(shí)上課的表現(xiàn)和最后打印模型的質(zhì)量為標(biāo)準(zhǔn)，而模型的單一化，操作過程的機(jī)械化，使得教師難以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性，學(xué)生無法自主發(fā)揮創(chuàng)造性，深入運(yùn)用3D打印技術(shù)，因而導(dǎo)致教師難以全面客觀地去評價(jià)一個(gè)學(xué)生，一定程度上影響了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

2" 針對當(dāng)前存在的問題的改革思路與做法

在社會(huì)對3D打印人才的巨大需求下，為強(qiáng)化學(xué)生工程應(yīng)用和創(chuàng)新能力，浙江海洋大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)結(jié)合自身教育資源，開設(shè)3D打印技術(shù)課程，并在長期實(shí)踐過程中對3D打印技術(shù)課程教學(xué)中存在的問題提出相關(guān)改革對策，具體改革思路如圖1所示。

2.1" 加強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)備建設(shè)

以強(qiáng)化學(xué)生工程應(yīng)用能力的培養(yǎng)為主線，加強(qiáng)校內(nèi)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐條件建設(shè)，為人才培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)保障。對此，本專業(yè)近五年通過中央財(cái)政支持和省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室改革項(xiàng)目建設(shè)三個(gè)3D打印實(shí)驗(yàn)室，配備了各類3D打印機(jī)，有非金屬類的FDM塑料3D打印機(jī)、SLA液體樹脂3D打印機(jī)和陶泥3D打印機(jī)，以及金屬類的WAAM電弧3D打印機(jī)和SLM粉末床激光3D打印機(jī)等（圖2），設(shè)備種類較齊全，完善了3D打印實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

但也有很多院校經(jīng)費(fèi)有限，難以購買大批量的3D打印設(shè)備和昂貴的工業(yè)3D打印機(jī)。針對3D打印設(shè)備臺(tái)套數(shù)不夠、大型工業(yè)級3D打印機(jī)價(jià)格昂貴的問題，一方面可以將實(shí)驗(yàn)室已有的機(jī)械手臂等移動(dòng)裝置改造為3D打印設(shè)備，如圖3所示。僅需購買打印噴頭組件即可，利用機(jī)械臂作為移動(dòng)機(jī)構(gòu)，夾持打印組件進(jìn)行打印，充分利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的設(shè)備也能吸引學(xué)生，提高學(xué)生對3D打印技術(shù)的興趣，鼓勵(lì)他們運(yùn)用3D打印技術(shù)，培養(yǎng)他們的動(dòng)手能力。另一方面可以通過開源圖紙和程序，自行設(shè)計(jì)開發(fā)桌面3D打印設(shè)備，供學(xué)生動(dòng)手拆解組裝，如圖4所示。該臺(tái)設(shè)備的大部分支撐件采用3D打印機(jī)打印完成，讓學(xué)生通過團(tuán)隊(duì)合作完成這臺(tái)設(shè)備的制作和組裝，實(shí)現(xiàn)3D打印機(jī)的“自我復(fù)制”，不僅能讓學(xué)生更好地了解3D打印設(shè)備的組成，明白每個(gè)零部件在打印過程中的運(yùn)行情況、功能，還能解決3D打印機(jī)數(shù)量不足的問題。

2.2" 注重學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)

當(dāng)前，3D打印技術(shù)對競賽的促進(jìn)作用越來越凸顯，學(xué)生參加競賽過程中經(jīng)常需要加工一些零件，采用傳統(tǒng)的加工方法制造零件需要耗費(fèi)大量的時(shí)間，而3D打印技術(shù)具有快速成型的優(yōu)勢，將3D打印應(yīng)用于學(xué)生競賽中，不僅能提高作品制作效率、減少成本，還可以使結(jié)構(gòu)復(fù)雜的作品變得簡單化。積極指導(dǎo)學(xué)生參加各類大學(xué)生競賽活動(dòng)是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維能力的重要一環(huán)，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)3D打印技術(shù)課程的同時(shí)積極參加競賽，還能以賽促教、以賽促學(xué)，從而提高教學(xué)質(zhì)量、促進(jìn)專業(yè)建設(shè)。

為強(qiáng)化學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)，本學(xué)科制定了相關(guān)政策并提供資金資助學(xué)生參加各類大學(xué)生競賽活動(dòng)，如大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽、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、“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽等課外實(shí)踐活動(dòng)；同時(shí)對參與競賽的學(xué)生實(shí)行導(dǎo)師制，積極聘請企業(yè)導(dǎo)師指導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練和實(shí)踐，學(xué)院還定期組織項(xiàng)目指導(dǎo)教師之間的交流。3D打印技術(shù)對參賽作品在結(jié)構(gòu)和功能上大膽升級改造提供了保障，助力學(xué)生在第九屆全國大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽上榮獲全國一等獎(jiǎng)。

2.3nbsp; 創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境，提高學(xué)生興趣

要想充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性與創(chuàng)新性，讓學(xué)生感興趣是最好的源動(dòng)力。在教師完成理論知識(shí)講解與操作示范后，可將傳統(tǒng)的綜合型實(shí)驗(yàn)改為創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)，給學(xué)生創(chuàng)設(shè)一個(gè)有趣味、有意義的主題，讓學(xué)生圍繞該主題展開相關(guān)設(shè)計(jì)與制作，取代打印傳統(tǒng)的動(dòng)物、建筑、玩偶等3D模型。授課教師通過挖掘?qū)W生的興趣所在，激發(fā)學(xué)生的動(dòng)力，給學(xué)生帶來成就感。如“雞蛋跌落防護(hù)實(shí)驗(yàn)”，讓學(xué)生自行設(shè)計(jì)各類保護(hù)雞蛋的結(jié)構(gòu)并運(yùn)用3D打印技術(shù)打印出來，最終通過比賽的形式點(diǎn)燃學(xué)生的好勝心，如圖5所示。再如“學(xué)校紀(jì)念品設(shè)計(jì)打印實(shí)驗(yàn)”，讓學(xué)生設(shè)計(jì)并打印一款能代表學(xué)校的紀(jì)念品，通過加入校園美景、典型建筑、?；盏忍厣?，打印出的紀(jì)念品具有代表性和獨(dú)特性，能讓人感受到紀(jì)念意義，如圖6所示。

通過這些創(chuàng)新主題的設(shè)定來提高學(xué)生獨(dú)立思維能力與動(dòng)手能力，讓他們充分理解3D打印技術(shù)的相關(guān)理念，深入了解該技術(shù)的特點(diǎn)并通過該技術(shù)將自己的奇思妙想變成實(shí)物。

2.4" 以產(chǎn)出為導(dǎo)向，量化評價(jià)指標(biāo)

遵循工程教育認(rèn)證中產(chǎn)出導(dǎo)向的思想原則，重點(diǎn)是學(xué)生掌握了多少知識(shí)，而不是教師教了多少知識(shí)[5]。將工程教育專業(yè)認(rèn)證的指導(dǎo)思想真正落實(shí)到課程改革上，傳統(tǒng)的書面測試和考試的方式并不適合3D打印課程評價(jià)，需要重新設(shè)計(jì)考核方式，過程性評價(jià)和結(jié)果性評價(jià)相結(jié)合，側(cè)重對學(xué)生應(yīng)用能力考核，成績評定向綜合性轉(zhuǎn)變，通過比賽、優(yōu)秀作品展示等方式對學(xué)生的學(xué)習(xí)成果進(jìn)行評價(jià)。

在“雞蛋跌落防護(hù)實(shí)驗(yàn)”中，學(xué)生展現(xiàn)了豐富的想象力，設(shè)計(jì)了不同形狀的保護(hù)結(jié)構(gòu)。有學(xué)生結(jié)合本次新冠疫情，設(shè)計(jì)了病毒形狀的保護(hù)結(jié)構(gòu)，打印出實(shí)物后，發(fā)現(xiàn)防撞效果很好，如圖7a、b所示。在“學(xué)校紀(jì)念品設(shè)計(jì)打印實(shí)驗(yàn)”中，學(xué)生設(shè)計(jì)開發(fā)的3D打印月亮燈、風(fēng)景臺(tái)燈等產(chǎn)品精美漂亮，并入選浙江海洋大學(xué)校名產(chǎn)品，如圖7c、d所示，作為校園文創(chuàng)產(chǎn)品來提升學(xué)校品牌影響力。這些成果性的產(chǎn)出體現(xiàn)出學(xué)生能力的提高，以及教學(xué)改革的良好成效。

3" 教學(xué)改革成效

通過教學(xué)改革的實(shí)施，學(xué)生對3D打印技術(shù)課程的滿意度評價(jià)很好，學(xué)校專家及同行反饋均良好。教學(xué)改革主要取得以下成效。

1）通過理論教學(xué)與實(shí)際操作，使本專業(yè)學(xué)生充分掌握了3D打印機(jī)的基本結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其工作原理，掌握了相關(guān)參數(shù)設(shè)置，可自主解決一些打印過程中出現(xiàn)的問題，具備了一定的綜合應(yīng)用能力。

2）通過采用創(chuàng)新主題實(shí)驗(yàn)的方式，培養(yǎng)了學(xué)生團(tuán)結(jié)協(xié)作的能力，促使小組成員之間互相溝通、交流，增強(qiáng)學(xué)生獨(dú)立思考解決問題的能力，激發(fā)他們的創(chuàng)新精神；同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生在設(shè)計(jì)打印過程中充分運(yùn)用理論力學(xué)、材料力學(xué)、工程圖學(xué)等相關(guān)知識(shí)，響應(yīng)了國家建設(shè)新工科的號召。

3）人才培養(yǎng)及教學(xué)方法改革成效顯著，為本專業(yè)開展校內(nèi)外人才培養(yǎng)、教育教學(xué)奠定了重要基礎(chǔ)，也為畢業(yè)生了解并進(jìn)入企業(yè)奠定了非常好的前期學(xué)習(xí)交流基礎(chǔ)。

4" 結(jié)束語

隨著工程教育專業(yè)認(rèn)證工作的開展，基于認(rèn)證理念的課程教學(xué)改革勢在必行。3D打印技術(shù)課程依照成果導(dǎo)向、以學(xué)生為本、持續(xù)改進(jìn)的工程教育認(rèn)證基本理念進(jìn)行改革，通過對課程內(nèi)容及評價(jià)方式進(jìn)行創(chuàng)新，將打印傳統(tǒng)簡單模型改為讓學(xué)生自行設(shè)計(jì)模型去打印，將評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)由模型質(zhì)量改為解決問題的能力。通過對課程的改革創(chuàng)新，不僅增強(qiáng)了學(xué)生參與課程的積極性，培養(yǎng)了學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力，而且實(shí)現(xiàn)了多學(xué)科的交叉，引導(dǎo)學(xué)生把所學(xué)知識(shí)學(xué)以致用，讓知識(shí)真正“活”起來，為培養(yǎng)工程技術(shù)新人才奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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*項(xiàng)目來源：2021年浙江海洋大學(xué)研究生教育質(zhì)量系列工程項(xiàng)目（110410641210）。

作者：鄭余琦，浙江海洋大學(xué)，助教，研究方向?yàn)樗颊徒虒W(xué)研究；石學(xué)智，通信作者，浙江海洋大學(xué)，博士，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)?D打印技術(shù)（316022）。