王會良 韓建海 賈新杰 連朋杰

河南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 河南洛陽 471003

創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育不僅能夠極大地促進(jìn)國家崛起、民族復(fù)興及提升國家經(jīng)濟(jì)競爭力，同時(shí)能有效地提升國家層面的創(chuàng)新能力與水平。在2016年的《政府工作報(bào)告》中，“大眾創(chuàng)新，萬眾創(chuàng)業(yè)”首次被上升到國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展新引擎的戰(zhàn)略高度，進(jìn)一步明確指出創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育在當(dāng)今的重要性，故在當(dāng)今國家高質(zhì)量向前發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期，培養(yǎng)新時(shí)代的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)型人才是現(xiàn)在高校責(zé)無旁貸的任務(wù)。大學(xué)生擔(dān)負(fù)著成為未來國家創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)主力軍的任務(wù)，在本科教育階段開展相關(guān)的創(chuàng)新培養(yǎng)和創(chuàng)業(yè)教育會直接提高國家和社會創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，故培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力已成為高校人才培養(yǎng)的重要目標(biāo)。作為高等教育中實(shí)踐教學(xué)的重要環(huán)節(jié)之一，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的培養(yǎng)日益受到重視。隨著快速成型技術(shù)理論和應(yīng)用的飛速發(fā)展，使其在先進(jìn)制造領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用，尤其是在新產(chǎn)品的研發(fā)、試制過程中起到舉足輕重的作用，在很大程度上實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新產(chǎn)品的快速設(shè)計(jì)、快速制造，為企業(yè)贏得了市場空間。如何利用快速成型技術(shù)及其應(yīng)用課程培養(yǎng)新時(shí)期高素質(zhì)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)型人才是亟待解決的問題。為增加創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育校園文化氛圍，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的意識和能力，鼓勵各學(xué)院、各老師積極開放實(shí)驗(yàn)室及開發(fā)相關(guān)實(shí)驗(yàn)，以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。機(jī)電工程學(xué)院成立大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)基地，具有3D打印機(jī)、三維掃描儀、三坐標(biāo)測量等一系列設(shè)備，開設(shè)了快速成型實(shí)驗(yàn)課程，開放了快速成型實(shí)驗(yàn)室，培養(yǎng)了學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。

1 快速成型技術(shù)的介紹

快速成型技術(shù)(Rapid Prototyping Manufacturing)之一的3D打印技術(shù)目前越來越受青睞，它是把數(shù)據(jù)和原料放進(jìn)3D打印機(jī)中，機(jī)器會按照程序把產(chǎn)品一層層造出來。 這是一種累積制造技術(shù)，即快速成型技術(shù)的一種機(jī)器，與傳統(tǒng)打印機(jī)最大的區(qū)別在于它使用的“墨水”是實(shí)實(shí)在在的原材料，它是以一種數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用特殊蠟材、粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過打印一層層的粘合材料來制造三維的物體?，F(xiàn)階段三維打印機(jī)被用來制造產(chǎn)品?？捎糜诖蛴〉慕橘|(zhì)種類多樣，從繁多的塑料到金屬、陶瓷以及橡膠類物質(zhì)[1]?？焖俪尚图夹g(shù)的應(yīng)用首先由計(jì)算機(jī)建模軟件設(shè)計(jì)繪制出零件的三維數(shù)字化模型，然后通過切片軟件再將建成的三維模型沿成型方向進(jìn)行指定的分層切片，再利用軟件將每一層的輪廓信息自動進(jìn)行編程，最后導(dǎo)入到3D打印機(jī)上加工出一系列層片，并逐層熔融聯(lián)結(jié)起來，即可得到三維實(shí)體(如圖1所示)。

圖1 快速成型技術(shù)基本途徑

快速成型技術(shù)是一種改變?nèi)祟惿罘绞降募夹g(shù)。在工業(yè)領(lǐng)域，起初在模具制造、產(chǎn)品研發(fā)等用于制造模型，后逐漸用于一些產(chǎn)品的直接制造，已經(jīng)有使用這種技術(shù)打印而成的零部件。在工業(yè)制造、文化創(chuàng)意(2014年北京國慶花展“歌唱祖國”與“公平誠信”2個立體花壇的制作[2])、航空航天(正牛津性能材料公司開發(fā)出2款針對航空航天及工業(yè)制造市場的OXFAB3D打印材料[3])、生物醫(yī)療(與口腔醫(yī)學(xué)相結(jié)合，使口腔修復(fù)醫(yī)學(xué)在義齒設(shè)計(jì)、加工方面更加簡便化、精確化[4])、建筑工程(上海張江高新青浦園區(qū)內(nèi)的辦公用房[5])、教育(教具的開發(fā)、畢業(yè)設(shè)計(jì)的模型制作、機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)等學(xué)科競賽等[6])以及其他領(lǐng)域都已經(jīng)有了該技術(shù)的身影。

2 快速成型實(shí)驗(yàn)開放體系及內(nèi)容

2.1 快速成型實(shí)驗(yàn)開放體系

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的桌面級3D打印機(jī)，工業(yè)級3D打印機(jī)、三維掃描儀、三坐標(biāo)等主要設(shè)備資源，實(shí)驗(yàn)室目前可實(shí)施三維造型設(shè)計(jì)開發(fā)、三維掃描、三坐標(biāo)與逆向建模并實(shí)現(xiàn)3D打印等多種實(shí)驗(yàn)。為了在全校普及快速成型技術(shù)，使全校對快速成型實(shí)驗(yàn)感興趣的學(xué)生不受時(shí)間、年級、專業(yè)等的限制，實(shí)驗(yàn)室采取學(xué)生自主管理機(jī)制，實(shí)現(xiàn)面向全校學(xué)生，包括機(jī)械類、近機(jī)類、非機(jī)類學(xué)生，開放中午、周末及假期時(shí)間，便于感興趣的學(xué)生進(jìn)行快速成型實(shí)驗(yàn)?；跁r(shí)間、對象、內(nèi)容及管理模式4個緯度，快速成型實(shí)驗(yàn)室建立了如圖2所示的開放體系，重點(diǎn)是開放實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法和學(xué)生自主預(yù)約的運(yùn)行模式。

圖2 快速成型實(shí)驗(yàn)室開放體系

2.2 快速成型實(shí)驗(yàn)開放內(nèi)容

快速成型實(shí)驗(yàn)室綜合考慮目前開放對象屬于不同年級、不同專業(yè)的特點(diǎn)，采用層次化、模塊化的開放實(shí)驗(yàn)方法，涵蓋基礎(chǔ)部分、創(chuàng)新部分、開放部分，滿足了不同層次學(xué)生的需求，并編寫出實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書及開發(fā)3D打印試驗(yàn)教程的PPT等教學(xué)文檔，組建三維造型設(shè)計(jì)學(xué)生社團(tuán)，承接創(chuàng)意作品打印。培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的意識和能力，鍛煉了學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，提高了學(xué)生的動手實(shí)踐能力以及團(tuán)隊(duì)合作能力。此外，為豐富學(xué)生的課余生活，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識，加強(qiáng)學(xué)生的動手能力，實(shí)驗(yàn)室還成功舉辦了職工親子活動、機(jī)電學(xué)院第一屆3D打印大賽，鼓勵和支持學(xué)生利用3D打印制作創(chuàng)新作品，為全校學(xué)生的科技制作、參加學(xué)科競賽提供一個快速成型平臺。

目前開放實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容主要涉及類別有如下幾種。

(1)基礎(chǔ)部分。此部分主要針對低年級學(xué)生，使低年級學(xué)生對3D打印有一個初步了解，并能夠獨(dú)立簡單操作3D打印機(jī)打印出符合精度要求的零件。主要依靠教師課上提前講解及學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前完成教師指定的三維零件的建模；實(shí)驗(yàn)中教師直接指導(dǎo)學(xué)生動手操作并觀察打印的制作過程，明白實(shí)驗(yàn)操作，獲得基本認(rèn)識；試驗(yàn)后學(xué)生自行維護(hù)設(shè)備，明白3D打印機(jī)工作原理。

(2)創(chuàng)新部分。此部分主要針對快速成型有一定了解并能夠獨(dú)立操作設(shè)備的學(xué)生，使學(xué)生對快速成型有更深入的了解，探索提高打印質(zhì)量的方法，根據(jù)打印出來的實(shí)物模型分析打印誤差產(chǎn)生的原因及解決方法，同時(shí)開始了解逆向建模的相關(guān)知識，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和專業(yè)技能。主要依靠學(xué)生的興趣去自學(xué)，有問題請教實(shí)驗(yàn)室相關(guān)同學(xué)或者實(shí)驗(yàn)室教師。

(3)開放部分。此部分主要針對有需要快速成型技術(shù)的學(xué)生，使學(xué)生可以真正利用快速成型技術(shù)，提高學(xué)生的綜合應(yīng)用能力。

具體的開放內(nèi)容和目標(biāo)如圖3所示。

圖3 快速成型實(shí)驗(yàn)開放內(nèi)容與目標(biāo)

3 快速成型實(shí)驗(yàn)開放方法

3.1 任務(wù)教學(xué)法概述

任務(wù)教學(xué)法(task-based approach)，也叫任務(wù)型教學(xué)法，是一種以實(shí)用主義作為教育理論基礎(chǔ)而提出的“學(xué)生中心，從做中學(xué)”的教學(xué)模式[7，8]。任務(wù)教學(xué)法在實(shí)驗(yàn)中的基本步驟：教師提前將一個任務(wù)教學(xué)方案交給學(xué)生，學(xué)生自己在課下利用網(wǎng)絡(luò)資源或者詢問教師同學(xué)，收集資料→設(shè)計(jì)方案→完成實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，最后在教師指導(dǎo)下，學(xué)生獨(dú)立自主地完成實(shí)驗(yàn)，并對任務(wù)進(jìn)行反饋，優(yōu)化下一次任務(wù)，如圖4所示。

圖4 任務(wù)教學(xué)法在實(shí)驗(yàn)中的基本步驟

3.2 具體實(shí)施

3.2.1 確定任務(wù)

任務(wù)的主要來源有3個方面：一是快速成型實(shí)驗(yàn)以工程圖學(xué)、三維造型設(shè)計(jì)等課本知識為依據(jù)，選擇學(xué)生、課堂、參加項(xiàng)目中具有一定加工難度或者難以理解的實(shí)體任務(wù)；二是以學(xué)生參與的學(xué)科競賽或者畢業(yè)設(shè)計(jì)等項(xiàng)目為題，在實(shí)踐的過程中培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，使學(xué)生在實(shí)踐中能夠有所創(chuàng)新，為今后的進(jìn)一步學(xué)習(xí)或者工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)；三是學(xué)生自己制訂的相關(guān)任務(wù)，在學(xué)習(xí)中鍛煉和引導(dǎo)學(xué)生朝著參與者和創(chuàng)造者的角度發(fā)展，在發(fā)現(xiàn)任務(wù)、解決任務(wù)的過程中，理解和把握課程要求的知識和技能，培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力。

3.2.2 擬達(dá)到的目標(biāo)

通過快速成型實(shí)驗(yàn)任務(wù)教學(xué)法的嘗試，使快速成型這門實(shí)驗(yàn)與工程圖學(xué)、三維造型設(shè)計(jì)等課程達(dá)到優(yōu)化整合，提高了學(xué)生的綜合能力，注重培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新、實(shí)踐的素質(zhì)。為今后從事相關(guān)工作積累經(jīng)驗(yàn)。

3.2.3 待解決的關(guān)鍵問題

一是任務(wù)教學(xué)法理論雖然取得了較大的成效，但從科學(xué)到技術(shù)，從理論到實(shí)踐仍然有一定的距離，特別是結(jié)合課程的具體實(shí)施還有待于進(jìn)一步研究，因此，如何將任務(wù)教學(xué)法的理論運(yùn)用到快速成型實(shí)驗(yàn)建設(shè)上是要解決的關(guān)鍵問題。二是由于目前快速成型設(shè)備加工時(shí)間過長，對實(shí)驗(yàn)課堂效率有所影響，如何提高實(shí)驗(yàn)課堂效率為待解決的第二個問題。

4 開放運(yùn)行模式

為提高工作效率及保證學(xué)生實(shí)驗(yàn)安全，快速成型實(shí)驗(yàn)室的開放運(yùn)行采用學(xué)生自主預(yù)約、指導(dǎo)教師審核、基地備案模式。學(xué)生預(yù)約試驗(yàn)的基本流程如圖5所示。

圖5 預(yù)約試驗(yàn)的基本流程

學(xué)生可以按照班級、興趣小組、項(xiàng)目小組等團(tuán)體或者個人進(jìn)行申請，為保證實(shí)驗(yàn)效果，對于不遵守實(shí)驗(yàn)室規(guī)章制度或者申請流程者，取消其參加開放實(shí)驗(yàn)的資格。

5 結(jié)語

通過快速成型技術(shù)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)，使學(xué)生對產(chǎn)品設(shè)計(jì)及創(chuàng)新的方法有了一定的了解，形成對快速成型技術(shù)的總體框架認(rèn)識，鍛煉了實(shí)踐動手能力，提高了解決實(shí)際問題的能力，培養(yǎng)了學(xué)生團(tuán)隊(duì)的協(xié)作精神，運(yùn)行效果良好。