工程训练3D打印实训教学的探索与实践

杨 洋　李金良　耿冬妮　周 亮

1.吉林大学工程训练中心　吉林长春　130025 2.吉林大学材料科学与工程学院　吉林长春　130025

工程训练3D打印实训教学的探索与实践

杨 洋1李金良2耿冬妮1周 亮1

1.吉林大学工程训练中心吉林长春130025 2.吉林大学材料科学与工程学院吉林长春130025

在工业4.0时代及“互联网+”的新形势下，3D打印已成为时代发展的焦点。高等院校工程训练的实践课程体系在不断地改革和创新，已从传统的制造技术逐步拓展为现代先进制造技术，注重多学科知识交叉运用，注重创新思维和工程实践能力的培养。为适应新形势的发展，吉林大学工程训练中心开设了3D打印训练模块，为培养应用创新型工程技术人才提供了强有力的保证。

工程训练；实训教学；3D打印；创新

3D打印是一种新兴的现代先进制造技术，可以在不准备工装夹具、刀具和模具的情况下，通过CAD三维模型直接快速地制造模型、模具或样件，它与传统制造技术的“去除材料法”不同，3D打印是将材料逐层堆积制造模型［1］。3D打印使设计和制造更灵活，实现了既快、又好、又省的敏捷制造［2］。

高校工程训练的实践课程体系在不断地改革和创新［3］，已从车削加工、铣削加工、钳工等传统的制造技术逐步拓展为数控车削加工、数控铣削加工、激光加工、机器人等现代 先进制造技术，加强了新技术、新材料、新工艺的实践教学内容，注重多学科知识交叉综合运用，注重工程实践能力和创新意识的培养［3，4］。为适应新形势的发展，吉林大学工程训练中心开设了3D打印训练模块［4］。

1　教学目标

了解3D打印的发展、应用及工艺过程，了解选择性沉积成型、液态光敏树脂选择固化成型、选择性激光烧结成型等方法的成型原理、工艺特点；进行选择性沉积成型零件原型的操作训练；观摩其他3D打印工艺方法的操作过程。通过3D打印的基础训练，使学生了解现代先进制造技术的一般过程和基础知识，初步建立起现代制造工程的概念，为后续相关课程学习打下良好的基础。

2　教学建设

2.1教学文件建设

2.1.1教学大纲

实训教学大纲是指导实训教学的纲领性文件［5］。3D打印实训模块针对机械、汽车、材料、农机、管理等机械类及近机械类专业的学生设置8个教学学时。3D打印实训教学大纲见表1。

表1

2.1.2教材

为配合工程训练中心加强现代先进制造技术的实训教学内容［6］，并结合高等工科院校机械工程训练体系教学改革的实际需要编写了工程训练系列教材之《现代工程训练》［7］，以提高学生的工程实践能力。编写该教材的思路是教学内容力求精选，注重实际训练，讲求实用、图文并茂，便于自学。编写过程中力求文字简洁，同时注重知识的系统性和科学性，对3D打印实训教学有重要的作用。

2.1.3实训教案

按照教学大纲对3D打印相关基础知识的要求，编写了《3D打印实训教案》。该教案的应用，规范了3D打印实训教学内容的讲解，避免了因实训教学指导人员的个人因素造成实训教学过程中知识点的遗漏，因而保证了3D打印实训教学的规范性，达到3D打印实训教学大纲的要求。

2.1.4实训指导书

为了帮助学生在有限的时间内全面、完整的掌握3D打印实训教学的安全操作规程和基本操作步骤，提高学生在3D打印实训过程中操作的准确性和安全性，保障3D打印实训教学的顺利开展，编写了《3D打印实训指导书》。

2.1.5实训报告书

为检验学生在3D打印实训中所学的理论基础知识和操作技能能否达到实训教学大纲要求，针对3D打印的实训教学内容，采用选择、填空和简答等灵活多变的题型，编写了《3D打印实训报告书》。

2.1.6实训理论考试题库

为了测试学生对工程训练相关基础知识的理解和掌握程度，针对3D打印的实训教学内容编写了实训理论考试题，采用多种类型的题目，紧扣3D打印实训中的各个环节，考核学生关于3D打印应知应会的基础知识。

2.2教学硬件建设

（1）按照3D打印教学大纲要求，3D打印训练模块硬件包括：up2 3D打印机28台，S250 3D打印机2台，object30液态光敏树脂3D打印机1台，三维扫描仪1台，计算机32台，后处理加热平台1个。

（2）教学软件建设。由于3D打印是逐层打印，分层层厚决定打印的时间及产品质量，分层层厚越小打印时间越长，打印质量越好，反之打印时间短，打印质量较差。使用3D打印机打印，大部分产品不能在工作时间内打印完成，在无人状态下设备运转存在危险性。针对这一问题，工程训练中心开发了网络3D打印平台，网络3D打印平台的开发可以使用App远程操控和分享3D打印文件并完成打印。网络3D打印平台的开发可以通过网络摄像头监控3D打印机的运行情况，远程设置打印机各项参数，接收打印进度提醒、可能发生的错误、打印完成等。

3D打印机一旦开始工作，App用户就可以通过网络摄像头监控3D打印加工过程。如果打印模型不理想，可以随时远程关闭3D打印机，节省材料，等回到打印机边再解决问题。网络3D打印平台的开发解决了打印时间长、危险性大的问题，同时也实现了3D打印设备的资源共享。

2.3师资建设

为顺利有序地开展3D打印实训教学，工程训练中心配备比较稳定的、多层次的实训教学指导教师，以具有教学资历深、经验丰富、专家型、高水平特点的正高级职称的实训教师作为3D打印的专业带头人，以接受新技术、新工艺能力较强的硕士研究生学历人员作为实训教学指导教师。对每一位上岗的实训教学人员进行试讲考核，竞争上岗，以知识多、能力强、综合素质高的实训指导教师保障3D打印实训教学的有序进行［8］。

3　教学过程实施

在3D打印实训教学大纲的指导下，教学过程遵循学生的认知规律，循序渐进的设计3D打印实训教学内容，逐层深入的进行3D打印实训教学。

实训指导教师先利用多媒体教学课件讲解3D打印的发展历史；选择性沉积成型、液态光敏树脂选择固化成型、选择性激光烧结成型等方法的成型原理、工艺特点［9］；3D打印的基本工艺流程及3D打印在各个领域的应用。结合典型的传统加工制造方法的零件讲解3D打印同传统加工制造方式在加工过程、加工原理等的区别；实训指导教师针对具体模型讲解建三维模型时的注意事项，学生进行三维建模训练；实训指导教师讲解up23D打印机的操作流程及相关的注意事项，学生进行3D打印机的操作训练；实训指导教师组织学生分组讨论，对3D打印成型件缺陷的成因分析并提出相应的预防对策，对实训过程进行分析与总结；学生实训后独立完成3D打印实训报告。

4　考核和成绩评定

考核与实训的过程化管理相结合，学生工程训练最终成绩由两部分组成，工程训练实训成绩占80%，基本知识考核占20%。工程训练实训成绩由所有实训环节成绩的加权和确定，各实训环节的权重根据各实习环节的教学时数比重确定，其中实训报告占20%，操作训练占70%，实习态度占10%。

5　结束语

建设3D打印实训模块，可以让学生了解最前沿的现代先进制造技术，缩小与现代先进制造技术的差距，提高实训质量［10］。本文详细介绍了3D打印实训教学模块的建设思路、建设内容和实施过程［11］，为其他院校工程训练3D打印实训教学的建设提供了可资借鉴的做法。

［1］ 伍倪燕，廖磷志，傅贵兴.3D打印对模具制造技术的影响分析［J］.模具制造，2014（10）：86-88.

［2］ 谭语夷.3 D打印的技术现状与发展趋势［J］.中国机械，2014（11）：55.

［3］ 范乃强，李恩普.深层次工程实践训练平台建设的思考与探索［J］.西北工业大学学报，2015（1）：109-112.

［4］ 杨洋，周亮，李晓春.3D打印训练项目建设的探索与实践［J］.山东工业技术，2014（14）：110.

［5］ 张庆阳.高职机械制造专业实验实训教学研究［J］.佳木斯教育学院学报，2015（8）：237-238.

［6］ 王金学.工程训练中心建设与教学管理改革探讨［J］.实验室科学，2008（4）：1-4.

［7］ 王新荣，王冬，冯凭.优化理论课程强化实践环节 ［J］.黑龙江教育：高教研究与评估版，2007（5）：69-70.

［8］ 朱瑞富，孙康宁，贺业建.综合性大学工程训练中心发展模式设计与实践［J］.实验技术与管理，2011（4）：85-87.

［9］ 洪慎章.快速成型技术是模具加工的创新［J］.机械制造，2004（2）：54-56.

［10］ 丁洪生，周郴知，杨志兵.工程训练实践教学体系的改革与创新［J］.实验技术与管理，2005（6）：1-4.

［11］ 黄海龙，曲晓海，杨洋.工程训练拆装实训教学的探索与实践［J］.实验室研究与探索，2014（12）：147-150.

Exploration and Practice of the 3D Printing Practical Teachingon Engineering Training

Yang Yang1， Li Jinliang2， Geng Dongni1， Zhou Liang1
1. Engineering Training Center， Jilin University， Changchun， 130025， China 2. College of Materials and Engineering， Jilin University， Changchun， 130025， China

In the Industry 4.0 era and the "Internet +" new situation， 3D printing has become the focus of development of the times. The practical curriculum system of engineering training is reformed and innovated continuously in higher education institution. It has gradually expanded from the traditional manufacturing technology for modern advanced manufacturing technology. It not only focuses on cross-use of multi-disciplinary knowledge， and focuses on cultivating innovative thinking and engineering practice ability. In order to adapt to the development of the new situation， Jilin University Engineering Training Center opened a 3D print training module. It provides a powerful guarantee to train applied and innovative engineering students.

engineering training； practical teaching； 3D printing； innovation

2016-03-11

杨洋，硕士，工程师。