梁芬芬，王亞麗，尹琳娜

（山西工程技術(shù)學(xué)院，山西 陽(yáng)泉 045000）

包裝材料學(xué)是我國(guó)高等院校包裝工程本科專業(yè)的核心課程，也是學(xué)習(xí)其他專業(yè)課程（如包裝工藝學(xué)、包裝機(jī)械學(xué)、包裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等）的基礎(chǔ)，主要講授紙、塑料、玻璃、金屬等包裝材料和復(fù)合包裝材料及包裝輔料的種類、性能、特點(diǎn)及應(yīng)用。這門課程涵括各種包裝材料的化學(xué)組成、物理性能及成型加工工藝、質(zhì)量測(cè)試和評(píng)價(jià)方法，涉及的知識(shí)點(diǎn)多、內(nèi)容繁雜，是一門多種學(xué)科交叉的綜合學(xué)科。但由于包裝材料學(xué)的理論性不強(qiáng)，以往的教學(xué)內(nèi)容和方法無(wú)法和現(xiàn)代包裝材料學(xué)知識(shí)、前沿的材料技術(shù)發(fā)展有機(jī)結(jié)合起來(lái)。而且由于課時(shí)量（理論課時(shí)40 學(xué)時(shí)）有限，無(wú)法兼顧到不同需求和興趣學(xué)生的需要，多數(shù)教學(xué)還是只注重傳統(tǒng)的填鴨式模式，往往忽略培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。因此，包裝材料學(xué)課程的教學(xué)改革勢(shì)在必行[1,2]。

3D 打印是一種快速成型的新技術(shù)，它基于數(shù)字模型，可以使用紙、塑料、陶瓷、金屬等多種材料，逐層打印構(gòu)造實(shí)物。其快捷性和便利性極易帶領(lǐng)學(xué)生主動(dòng)參與教學(xué)，尤其好奇心的驅(qū)使，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，明確和引導(dǎo)他們主動(dòng)參與學(xué)習(xí)活動(dòng)的動(dòng)機(jī)。3D 打印技術(shù)作為機(jī)械、材料、計(jì)算機(jī)科學(xué)等多學(xué)科交叉融合的技術(shù)，能將新工科的創(chuàng)新能力培養(yǎng)及OBE 教學(xué)模式引用進(jìn)行無(wú)縫集成，是新工科背景下高校智能制造相關(guān)專業(yè)的教學(xué)熱點(diǎn)。將3D 打印技術(shù)融合在工科課程教學(xué)中已經(jīng)有一些研究和實(shí)踐，如在機(jī)械原理教學(xué)[3,4]、塑料制品設(shè)計(jì)課程[5]、力學(xué)課程[6]和航空儀表設(shè)備課程教學(xué)[7]等。目前，尚未發(fā)現(xiàn)3D 打印在包裝材料學(xué)課程教學(xué)上的應(yīng)用探索，因此本文有一定的創(chuàng)新性。

1 建立課程體系

包裝材料學(xué)的課程一般開設(shè)在大學(xué)第四學(xué)期或者第五學(xué)期，先修課程為無(wú)機(jī)及分析化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、高分子科學(xué)基礎(chǔ)、高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、工程力學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)等理工科基礎(chǔ)課程。學(xué)生已經(jīng)具備一定的空間想象能力、CAD 設(shè)計(jì)和CAM 加工等方面的基礎(chǔ)能力。因此，教學(xué)中，融入3D 打印技術(shù)的原理背景、設(shè)備工藝和實(shí)際應(yīng)用，能在很大程度上調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，起到了良好的教學(xué)效果（圖1）。

圖1 融合課程體系示意圖Fig.1 Schematic diagram of integrated curriculum system

1.1 增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)信心，激發(fā)學(xué)習(xí)積極性

包裝材料學(xué)課程的章節(jié)較多，課程中材料的很多性質(zhì)都與加工工藝有關(guān)，這些工藝流程以及工藝條件在課本上的概念很抽象，難以理解。教師在授課的時(shí)候可以結(jié)合現(xiàn)階段3D 打印技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，制定課前知識(shí)預(yù)習(xí)任務(wù)，讓學(xué)生在課前對(duì)該技術(shù)有初步的了解與認(rèn)知。隨著課程的深入，學(xué)生的自主思考與創(chuàng)新能力得到促進(jìn)和開發(fā)，在跟進(jìn)理論教學(xué)的同時(shí)，能及時(shí)進(jìn)行對(duì)應(yīng)的知識(shí)掌握和消化。在指導(dǎo)教師的指引下進(jìn)行知識(shí)的融合，開展項(xiàng)目式的學(xué)習(xí)和設(shè)計(jì)，學(xué)生不會(huì)覺(jué)得理論知識(shí)的枯燥無(wú)味，相反有興趣地主動(dòng)開展學(xué)習(xí)。

3D 打印技術(shù)最大特點(diǎn)是能夠讓學(xué)生很好地進(jìn)行體驗(yàn)式學(xué)習(xí)，將創(chuàng)意設(shè)計(jì)和實(shí)物驗(yàn)證有機(jī)地結(jié)合。學(xué)生借助3D 打印機(jī)將創(chuàng)新設(shè)計(jì)的圖形或想法通過(guò)真實(shí)的實(shí)物呈現(xiàn)，可以直觀觀察到設(shè)計(jì)作品的效果，進(jìn)而獲得強(qiáng)烈、真實(shí)的認(rèn)知體驗(yàn)，有利于進(jìn)入深度學(xué)習(xí)狀態(tài)。這種方式既能增加學(xué)生的參與度，促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，又能拓寬學(xué)生的設(shè)計(jì)思路，拓展空間思維，激發(fā)學(xué)生的個(gè)性化創(chuàng)意[8]。

1.2 創(chuàng)新教師教學(xué)理念，提高教學(xué)效果

以天津科技大學(xué)王建清的包裝材料學(xué)為例，該課程由9 個(gè)章節(jié)的內(nèi)容組成，各章節(jié)內(nèi)容相互獨(dú)立，知識(shí)點(diǎn)較為分散。傳統(tǒng)的教學(xué)方式，教師照本宣科，學(xué)生沒(méi)有學(xué)習(xí)興趣，對(duì)課程內(nèi)容非常容易遺忘。3D 打印技術(shù)的融合，打破章節(jié)壁壘，可以實(shí)現(xiàn)章節(jié)融合。除此之外，還能解決理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)脫離的問(wèn)題。很多高校的實(shí)驗(yàn)或?qū)嵱?xùn)課程都是在理論課程學(xué)習(xí)完成之后進(jìn)行，導(dǎo)致實(shí)訓(xùn)課在時(shí)間上滯后太久，學(xué)生理論知識(shí)遺忘較多；而且實(shí)訓(xùn)課堂時(shí)間有限，學(xué)生很難將理論知識(shí)與實(shí)踐操作快速結(jié)合。如果將3D 打印加入在實(shí)訓(xùn)課程中，改變傳統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)課程安排，分時(shí)分段完成實(shí)訓(xùn)課程的設(shè)置，將使實(shí)訓(xùn)教學(xué)與理論教學(xué)聯(lián)系得更緊密。

在課堂教學(xué)過(guò)程中，教師利用3D 打印機(jī)打印出的與課程教學(xué)匹配的教學(xué)用具展現(xiàn)給學(xué)生，可以擴(kuò)展學(xué)生的直接感官和知覺(jué)體驗(yàn)，使隱性知識(shí)和認(rèn)知結(jié)構(gòu)顯現(xiàn)化，教學(xué)資料更為具體化、形象化，視覺(jué)的認(rèn)知更為簡(jiǎn)單化。這不僅解決了教學(xué)設(shè)備與器材短缺的問(wèn)題，還能彌補(bǔ)傳統(tǒng)課堂教學(xué)中教師經(jīng)驗(yàn)不足的劣勢(shì)。

材料科學(xué)的發(fā)展日新月異，結(jié)合案例教學(xué)，將本課程所涉及相關(guān)理論的最新發(fā)展動(dòng)態(tài)和科研前沿?zé)狳c(diǎn)進(jìn)行拓展，能有效提高學(xué)生學(xué)習(xí)包裝材料學(xué)相關(guān)知識(shí)的興趣，達(dá)到更好的教學(xué)效果。表1 匯總了學(xué)生挖掘的各類材料相關(guān)領(lǐng)域中3D 打印技術(shù)的最新報(bào)道，以及3D 打印技術(shù)在包裝材料上的應(yīng)用?？梢钥吹剑m然3D 打印技術(shù)在材料學(xué)科多個(gè)研究領(lǐng)域取得明顯進(jìn)展，但是在包裝材料上的應(yīng)用還剛剛起步，發(fā)展?jié)摿Ψ浅４蟆?/p>

1.3 促使課程考核方式、教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)改變

包裝材料學(xué)的理論知識(shí)雖然有些復(fù)雜，但是有很強(qiáng)的實(shí)用性，對(duì)包裝的設(shè)計(jì)具有非常強(qiáng)的啟發(fā)性。因此，可以利用3D 打印技術(shù)的結(jié)合針對(duì)不同章節(jié)內(nèi)容挖掘出對(duì)應(yīng)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目。將課程設(shè)計(jì)任務(wù)培育成大創(chuàng)訓(xùn)練，學(xué)生能主動(dòng)地去思考，以主人翁的心態(tài)去探索，保持持久的興趣和好奇心。通過(guò)各類項(xiàng)目鼓勵(lì)學(xué)生將課程知識(shí)進(jìn)行課外拓展，不僅鍛煉了學(xué)生的科研和實(shí)踐操作能力，又培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力和科學(xué)素養(yǎng)。不僅是創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)比賽，其他類型的一些比賽也可以考慮通過(guò)3D 打印技術(shù)制作出包裝類的比賽作品參加比賽。在對(duì)學(xué)生的綜合能力進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，適當(dāng)將3D 打印設(shè)計(jì)與制造的能力加入到考核中，合理地設(shè)置其比例，建立新的綜合評(píng)定方式。相比于傳統(tǒng)考核方式，新的考核方式注重學(xué)習(xí)的過(guò)程，能夠較為全面地考查學(xué)生的知識(shí)掌握情況和解決問(wèn)題的綜合能力，更符合新工科人才培養(yǎng)目標(biāo)和要求。

推進(jìn)學(xué)科深度交叉融合是培養(yǎng)符合國(guó)家經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需求的復(fù)合型高層次人才的重要途徑。3D 打印目前沒(méi)有一個(gè)完整的學(xué)科體系，它是非常典型的交叉學(xué)科體系，是機(jī)械、材料、計(jì)算機(jī)科學(xué)、藝術(shù)設(shè)計(jì)等多學(xué)科交叉融合。學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域?qū)處煹囊蟾?、更多，因此教師也需要不斷學(xué)習(xí)吸納新的知識(shí)，培養(yǎng)跨學(xué)科能力。通過(guò)對(duì)包裝材料學(xué)課程與3D 打印技術(shù)融合的教改項(xiàng)目，將學(xué)科交叉融合建設(shè)監(jiān)測(cè)與成效評(píng)價(jià)、學(xué)科評(píng)估等高校的教學(xué)績(jī)效考核結(jié)合，探索出新的評(píng)價(jià)考核體系，有利于推動(dòng)學(xué)科交叉融合更好的發(fā)展。

2 課程實(shí)例

2.1 三維模型設(shè)計(jì)

以一個(gè)圓形包裝盒為例，圖2 是某小組利用三維軟件(SOLIDWORKS)設(shè)計(jì)出的包裝盒的三維造型圖。該包裝裝置由盒身和盒蓋組成，學(xué)生在自主學(xué)習(xí)三維造型的過(guò)程中，熟悉了工程制圖的基本知識(shí)和三維軟件常用的命令。

圖2 包裝盒三維造型圖：a)整體；b)盒蓋；c)盒身Fig.2 Three-dimension Shapes of packing box: a)the overall of the box; b)the lid of the box; c)the body of the box

2.2 軟件數(shù)據(jù)處理

將SOLIDWORKS 軟件造型好的產(chǎn)品模型，保存成stp 格式，然后利用3D 打印的切片軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理（圖3）。

圖3 3D 打印切片軟件處理圖Fig.3 The slicing software processing diagram of 3D printing

2.3 產(chǎn)品3D 輸出

將處理后的數(shù)據(jù)導(dǎo)入3D 打印設(shè)備，借助設(shè)備進(jìn)行模型的輸出打印工作（圖4）。

圖4 3D 打印成型件實(shí)物圖Fig.4 The physical map of 3D printing molding

具體步驟如下：將設(shè)備進(jìn)行初始化→將樹脂(ABS)料絲或者塑料（尼龍）料絲擠出→打印預(yù)覽，進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)置→打印。

3 教學(xué)建議

本實(shí)驗(yàn)可以面向多個(gè)學(xué)科專業(yè)的學(xué)生，例如包裝工程專業(yè)、材料科學(xué)專業(yè)和機(jī)械設(shè)計(jì)專業(yè)等。課程可以在大學(xué)二年級(jí)或者三年級(jí)開展，這時(shí)學(xué)生已經(jīng)具備基本的工程制圖能力，對(duì)科研興趣也在逐步加深。該項(xiàng)目設(shè)置的時(shí)長(zhǎng)可以為8 ～10 個(gè)學(xué)時(shí)，項(xiàng)目分組可以設(shè)置為3 ～4 人一組。首先，布置資料收集和文獻(xiàn)檢索任務(wù)，讓學(xué)生選擇某一章節(jié)對(duì)應(yīng)的包裝材料的研究和3D 打印技術(shù)進(jìn)展進(jìn)行信息檢索和文獻(xiàn)綜述。再進(jìn)行包裝材料設(shè)計(jì)項(xiàng)目討論，主要是由各小組提出設(shè)計(jì)思路和構(gòu)圖。教師在指導(dǎo)軟件操作、數(shù)據(jù)處理和實(shí)物打印后，對(duì)每組實(shí)驗(yàn)活動(dòng)進(jìn)行點(diǎn)評(píng)。學(xué)生通過(guò)打印出的實(shí)物，在小組范圍內(nèi)再進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)的修正和操作流程的完善，最終以個(gè)性化的成品實(shí)物進(jìn)行項(xiàng)目總結(jié)。完成的成品可以作為各類創(chuàng)新創(chuàng)造的比賽作品。

4 結(jié)語(yǔ)

包裝材料學(xué)是一門概念抽象、理論性較強(qiáng)的課程，傳統(tǒng)的授課模式不能很好地調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，也無(wú)法滿足新工科工程教育體系中卓越工程師培養(yǎng)的要求。本文利用3D 打印技術(shù)與包裝材料學(xué)的交叉融合，通過(guò)項(xiàng)目式小組，讓理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐操作有機(jī)結(jié)合，不但能提高非材料學(xué)專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，讓學(xué)生接觸材料領(lǐng)域最新的前沿技術(shù)，還能將學(xué)生的設(shè)計(jì)及時(shí)展現(xiàn)，有效地培養(yǎng)和提高了學(xué)生的創(chuàng)新思維。這種新工科背景下的包裝材料學(xué)課程教改工作，不僅推動(dòng)了學(xué)科交叉融合，也極大提升了專業(yè)教師的教學(xué)能力，為培養(yǎng)高素質(zhì)復(fù)合型新工科人才提供保障。