新工科背景下3D打印技术本科教学实验室的建设

何扬波，陈 剑，房飞宇，劳剑东

(1.广东工业大学 艺术与设计学院，广州 510090；2.广东工业大学 机电工程学院，广州 510006)

0 引 言

当前，世界范围内新一轮的科技革命和产业革命正在深入进行，为主动应对国际竞争，支撑服务创新驱动发展，我国提出了“中国制造2025”“一带一路”等一系列国家战略。新经济发展迫切需要具有创新创业和多学科交叉能力的复合型人才支撑，相应的高等工程教育改革受到广泛关注与重视，2017年教育部提出新工科研究与实践的号召, 从“复旦共识”“天大行动”到“北京指南”,新工科建设“三部曲”全力探索适合新时代的创新型人才培养模式，以形成领先全球工程教育的中国模式、中国经验，助力高等教育强国建设[1]。新工科的目标是培养未来多元化和创新型卓越工程人才，在此背景下，本科实践课程建设，也与以往封闭式实验室环境不同。新工科背景下的培养体系将更加注重学科融合、校企融合、研教融合，实践基地建设应加强开放性、自主性，打造出一个开放式、个性化、由浅入深自主选择式的学习和交流平台[2]。

3D打印又称为“增材制造 (Additive Manufacturing, AM)”，具有传统制造模式无可比拟的巨大优势，近年来受到世界各国的极大关注，被我国列入战略性新兴产业和“中国制造2025”规划，并多年得到科技重大专项资金支持[3-5]。早在2015年，我国就已经针对3D打印技术开展研究，提升3D打印技术的基础研究和产业应用水平，着力打造3D打印产业，抢占战略高地。2017年，中国3D打印市场的规模已经发展到100亿元人民币，进入到高速发展期。但是目前我国高校的3D打印技术教育基础相对薄弱，传统培养模式已经不能顺应社会对3D打印技术人才的迫切需求，培养相关的3D打印高端人才已经迫在眉睫，探索新工科背景下3D打印技术本科教学实验室人才培养机制和实践教学模式具有重大意义[6]。

1 实验课程体系的构建

3D打印涉及机械工程、材料科学、计算机技术及工业设计等多个学科领域。3D打印技术本科教学实验室课程体系构建分为3个层次:基础课程、实验课程、项目实践，将复合型人才的培养作为基础，注重学科交叉融合而又针对不同专业要求因需施教[7]。

3D打印基础课程针对机械类、近机类、非机类专业的专业设置和课程体系情况，将3D打印创新创业教育纳入到常规课程体系。基础课程涵盖计算机基础、3D模型设计、逆向工程、快速成型装备设计、3D打印材料、3D打印工艺等多个模块，而又针对不同专业，适当选择模块内容和教学深度。如机械设计制造及其自动化、材料成形及控制等专业，可系统性对全课程内容进行教学；针对自动化、测控技术与仪器等专业，则可省略或简化3D打印材料、3D打印工艺两部分内容；而针对工业设计等其他工科专业，则着重应用教学，学习3D模型设计，了解逆向工程内容即可。

3D打印实验课程，则可结合三维光学扫描仪使用、设计软件使用、三维打印机操作等内容，对从三维扫描、逆向建模、三维设计、数据处理至3D打印的整个工艺过程进行实验教学，加深对3D打印技术的认识和理解，实验教学部分以课程案例模仿操作和课程设计为主[8](见图1)。

图1 三维打印工艺全流程

3D打印项目实践部分，则是传统教学模式的升华，依托科研、产业平台，强调研学融合、产教融合。

(1) 研学融合。即在实验室开放的情况下，以原有课程为基础，以科研项目或者创新创业竞赛等实践环节为纽带培养人才的模式[9-10]，将成为高校全面有效地培养3D打印人才的新模式。学校依托大学生创新创业项目、学生科技竞赛、导师科研课题等，驱动3D打印技术实验室管理和建设，为学生提供竞赛需要的设备、指导老师等，建立学生自主参与、自主学习，自我管理的3D打印实验室教学模式，形成了“以研促学”“以赛促学”的新模式(见图2)。

图2 研学融合的项目实践模式

如设置题目为3D打印熔丝喷头走路径实验(见图3(a))新课程，为实现直线OA，取直线起点为坐标原点，已经直线终点坐标A值，M为喷头实时运动点，若M在OA直线上，则根据相似三角形关系可得：

(1)

xm+1=xm+1,ym+1=ym

(2)

新的偏差：Fm+1=ym+1xe-xm+1ye=Fm-ye。

xm+1=xm,ym+1=ym+1

(3)

新的偏差：Fm+1=ym+1xe-xm+1ye=Fm+ye。

(b) 直线插补路径图

通过该例实验的实施(见图4)，使得本科生了解插补的基本控制原理，逐步掌握直线插补三维打印堆积的优化方法，培养本科生的三维打印设计能力。

(a) 插补直线三维堆叠的路径设计

(b) 插补直线三维堆叠的效果

(2) 产教融合。也是3D打印项目实践的关键。广东工业大学与佛山数控研究院等、华南工业设计院等珠三角企业联合制定培养计划课程，通过“卓越工程师教育培养计划”“3+1校企联合培养班”[11]，前3年在校内完成基础课程修读，第4年将针对产业需求，安排更具针对性的专业化课程内容，在校企联合培养基地校外导师指导下，结合企业实际项目，进行专业实践培养，深化职业胜任力导向的人才培养模式改革，提升人才培养质量，建立高等院校与企业科技人才合作交流的中介和桥梁，培养具有创新思维和创新实践能力的3D打印高层次专业人才，为区域产业转型升级提供技术支撑和人才储备。

2 实验室建设

2.1 指导思想

全面贯彻党和国家、广东省有关创新创业教育的实施意见，根据学校人才培养目标，坚持先进性、综合性、开放性等的原则，以培养学生的综合创新能力为重点，打造集数据采集、数据处理、3D打印于一体的综合实践教学平台，将创新创业教育融入到实践教学中。

2.2 建设思路

为了充分发挥3D打印综合实践平台的作用，更好地为学生的创新创业实践服务，根据各个专业的实践教学需求不同，实验室将配置3D扫描仪，实现数据的采集；配置相关的建模软件，对数据进性处理，配置3D打印设备，实现数据输出，形成了设计、加工一体化的实践教学链条。使学生能够系统性地进行新产品的快速设计、快速测绘和3D打印整个产品研发验证环节的实践，启迪创新精神，发挥综合能力。

基于上述实验室建设思路，在实验室的软硬件配置上的考虑如下：

(1) 3D打印设备。3D打印硬件设备要满足不同专业的实践教学需求，所以在设备配置上包括了SLASLSFDM3DPLOM等不同工艺的设备(见图5)，可以支撑不同专业实训教学中存在材料差异性(如金属材料、非金属材料；有机材料、无机材料；生物活性材料、非生物活性材料等)，同时可以实现规则形状与复杂非规则形状的制造。

图5 新工科背景下3D打印实验室硬件设备构成体系

(2) 三维建模软件。新工科背景下的三维建模软件教学，应更侧重于不同专业的实际需要，软件工具的选型也更应有针对。Pro/Engineer在机械设计领域具有很高的认可度，主要针对电子行业与模具制造业三维打印设计；Solidworks的最大的优势在于操作相比较其他工业建模软件命令的使用更加简单直观，适合作为高校基础三维设计专业课程内容；UG功能十分丰富，适合构建各种复杂形状的三维实体，主要应用领域是产品后期设计；3DMax功能强大并支持多款包括后期渲染在内的插件，适合于三维特效建模(见图6)。

(a) Pro/Engineer

(b) Solidworks

(c) UG

(d) 3DMAX

(3) 3D扫描设备。人机互通的媒介设备拥有等同的重要性。这就要求在手工设计或前段初创的造型必须能够生成数字信息。所以新工科背景下的3D打印实验室也必须配备完善的建模设备体系，根据三维实体的大小、扫描要求精度、扫描速度等要求，可分为转台式、手持式、支架式与悬臂式4类，如图7所示。

图7 新工科背景下3D打印技术本科教学实验室主要扫描仪器分类

3 双师制队伍建设

在3D打印技术本科教学实验室实践教学工作中，需建设由教学经验丰富的资深专业教师、新工艺能力较强的青年实验技术人员以及从事3D打印行业研究和应用推广的企业兼职老师组成一支高素质师资队伍[12]。学校探索实行本科生导师制和校企联培班“双师制”。

本科生导师制，除常规教学、实验外，还集聚高端学术资源与国际高层次人才为本科生开展前沿讲座和科研实践，感兴趣的学生可申请加入导师课题组，在导师的指导下进行科研训练。如机电工程学院微纳3D打印实验室，除承担科研任务外，还承担本科教学任务，指导本科学生进行科研实践。同时，还鼓励教师以科技特派员等身份，到企业挂职，对接产业需求。

校企联培班“双师制”，则除了校内导师外，还遴选引进来自华南工业设计院、佛山广工大数控研究院、先临三维等研究院、企业的行业专家、高端人才作为校外兼职导师，不定期到学校开展培训、讲座，引进具备3D打印技术理论基础与实践经验的师资对本科生进行实践项目指导。

4 创新人才培养体系

新工科的目标是培养“顶天立地”的复合型高素质技能人才，“顶天”就是指对接科技发展前沿和国家重大战略，“立地”是指接地气立足产业重大需求[13]。新工科3D打印技术人才培养体系要“一体多翼”，即注重建立基础课程、实验课程、项目实践多层次课程体系，校内导师和校外导师的本科生导师制，教学科研平台和企业实践基地的产学研平台支撑，以及学校、企业和政府多方协同培养机制[14](见图8)。

图8 新工科3D打印技术人才培养体系

《国家增材制造产业发展推进计划 (2015—2016年) 》特别强调了加快3D打印技术人才的培养, 鼓励院校与企业联合办学或建立3D打印人才培养基地[15]。学校积极开展企业实践教学，面向广东产业发展需求，针对工业设计、模具、生物医疗等行业应用，与华南工业设计院、佛山广工大数控研究院等共建校企联合培养基地、共建3D打印联合实验室、3D打印服务中心等，为学生提供校外实践教学提供保障，从而为3D打印行业培养出更多专业性、复合型高端技术人才, 有利于专业人才培养和行业的长远发展。

5 结 语

在新工科背景下，3D打印技术本科教学实验室，不仅要在实验室课程体系、师资建设上下足功夫，更要在人才培养体系建设上，充分考虑到学生培养和时代发展的需要。更重要的是实验室建设上，要充分面向国家和产业需求，构建合理的装备体系，实施产学研深度融合的实践教学模式，同时注重学生能力和素质的共同教育，最终实现新工科人才的培养目标，满足未来国家工程发展对人才的需求。