新工科背景下“3D打印工程训练”创新教学探索与实践＊

李家鹏，王洪博，孙 霞，李 生，王好臣

（1.山东理工大学工程实训中心，山东 淄博 255049；2.山东理工大学电气与电子工程学院，山东 淄博 255049；3.山东理工大学机械工程学院，山东 淄博 255049）

工程训练是普通高等学校本科教学中重要的基础实践教学环节，是一门工程实践性很强的技术基础课程，是培养学生工程实践能力、创新精神和社会责任感的重要载体。在新工科建设背景下，应当注重发挥工程训练中心的资源优势，积极将具有先进性、创新性和时代性等特征的新技术融入到工程训练项目中，积极探索促进高素质创新人才培养的新途径，不断满足创新驱动发展、产业转型升级和新旧动能转换等对高素质复合型新工科人才的需求[1-4]。

3D打印作为极具发展前景的先进制造技术，是集CAD技术、数控技术、新材料技术、激光技术等于一身的零件原型快速制造技术，在工业技术发展和创新型人才培养方面都占有举足轻重的地位[5]。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。运用3D打印可以加工任何表面复杂的工件，无需考虑从毛坯到零件之间的工艺过程，大大缩短了新产品的研发周期[6]。将3D打印技术应用到工程训练实践教学中，对学生的动手能力、创新能力和创新思维的培养都有重要的促进作用，对新工科人才的培养具有积极意义[7]。3D打印“增材制造”的引入，有效地为学生建立了车削、铣削等常规加工的“减材制造”，铸造、锻造等“等材制造”完善的工艺方案，使学生对工程训练中的加工工艺有了更深层次的理解。因此，在工程训练课程中开设“3D打印”训练模块，让学生了解和掌握这种先进的制造技术，符合新工科建设对创新型人才培养的需求，符合社会发展的需要。

学校工程训练中心以新工科建设为抓手，以“知识成体系、训练分层次、四年不断线、专业全覆盖”为宗旨，建有“工程认知训练平台”“工程基础训练平台”“大学生创新训练平台”和“专业综合训练平台”四大平台，从而形成一个完整的工程训练体系，并不断拓展创新训练项目，提高工程训练教学对新工科建设的支撑作用。本文以机电产品创新设计3D打印在新工科背景下工程训练教学中应用为载体，不断探索创新训练教学项目和新工科人才培养新模式，以锻炼学生从三维创新设计、逆向工程、3D打印、部分零件机械加工、计算机与电气控制为过程控制，以CDIO教学模式和工程管理为辅助手段，建立面向专业认证的教学案例，并且该案例涵盖需求分析、产出目标、问题剖析、多媒体课件、知识内容讲解、成绩评价、持续改进等，并结合互联网平台完成线上与线下互动、校企互动的全方位、全新的立体教学模式，力求为培养全面发展的新工科人才提供一定借鉴意义。

1“3 D打印工程训练”创新教学思路

在工程训练中设置3D打印训练模块的目的是将3D打印技术的原理、方法和应有场景等传授给学生，切实提高工程训练的真实性、教育性和创新性。结合上文所述的四大工程训练平台，提出分别建立对应训练平台的3D打印创新训练教学体系，即认知、基础、创新和综合提高四个教学体系，针对不同的教学体系设计模块化教学案例，服务于相关专业的课程实验、开放实验课程、课程设计、毕业设计实验、科技创新实践等实践教学环节，促进实践课程体系与创新人才训练模式互动发展。

2“3 D打印工程训练”创新教学体系实施

2.1 认知训练教学

工程培养即工程教育，是将工程思维作为人类共性的学科基础。工程认知训练教学是以其特有的实践性和工程环境让学生身临其境地感受工程的魅力和特点[8]。

通过建立以3D打印微视频为代表的认知训练教学案例库，借助信息技术，把优质教学资源进行分享，学生可以充分利用零散的、碎片化的时间进行网上学习，以提高工程认知训练教学质量[9]。学生通过网络平台上的相关知识学习，然后进入课堂教学和实践环节，进一步了解和掌握3D打印技术基础知识，并学会使用桌面级3D打印设备，能将自己的想法通过3D打印制造的方式表达出来。在教学过程采用小组教学法，一般由不同专业的若干个学生自由组合成一个学习小组，每个学习小组在教师指导下共同完成一个训练项目，充分调动学生学习的积极性和创造性，培养学生的团队意识和工程意识。

2.2 基础训练教学

在认知训练教学平台的基础上，以教育部高教司组织的“产学合作协同育人项目”为契机，与企业共同探索协同育人项目的内涵，以“互联网+3D打印”为载体，创新性改革教育教学模式。

通过建立以指定3D打印模型代表的基础训练教学案例库，借助指定模型设计与3D打印制作训练，使学生掌握3D打印的相关原理与概念、制作的工艺过程及其应用，并熟练使用3D打印设备及日常维护。在教学过程中采用现场教学和“互联网+3D打印”平台自主学习模式，让学生把自己设计的作品上传到互联网+平台上，这样学生既能与指导教师现场进行交流又能在互联网+平台上与优秀的设计师进行交流、学习，从而让学生在这个过程中提高了分析问题和解决问题的能力，实现先进设计理念和优质教学资源的共享和融合。

2.3 创新训练教学

创新训练教学以提高学生的创新能力为核心，着重培养学生的创新意识、创新能力和工程实践能力的教育教学模式。创新训练教学是对认知训练教学和基础训练教学的提升，主要针对有一定专业基础但又不仅限于该专业的学生。

通过建立以逆向建模的3D打印为代表的创新训练教学案例库，以开源控制的机器狗、全向运动车等为代表，对滚珠丝杠、电机、联轴器、全向轮或麦克纳姆轮等关键零部件进行三维测量，并利用逆向工程构建其三维CAD模型，对其他零部件进行设计，完成整个装置的三维CAD模型，然后3D打印成型后进行装配、调试和改进设计。在教学过程中采用项目驱动教学法，以项目为抓手，以学生为主体，以教师为引导，充分发挥学生的主动性，从测量、建模和3D打印成型等都由学生自主完成，不断培养具有创新意识、实践能力和工程素养的创新型人才。

2.4 综合提高训练教学

综合提高训练教学是以培养学生动手能力和综合工程能力为教学目标，从实际工程问题出发，以实际科研项目或教学项目为载体，以产出为导向，以学生为中心，很好地契合了专业认证和新工科教学的要求。整个训练过程按照技术要求完成机电产品的设计、分析和制造，从而实现以实际工程项目为导向的创新课程教学模式改革。

通过组建3D打印综合提高训练班，以实际机电产品创新设计为引领，打破班级及专业的限制，组建小团队，该团队包含机械、电气、计算机、工业设计及管理等专业的学生。训练过程中除进行理论与技能训练外，还进行过程管控、角色扮演、方案交流与决策等。训练过程进行分时段、分项目的全程跟踪、评价、淘汰与更新，实现持续改进，激发学生学习的内生动力。训练过程中将3D打印技术融入到教科研项目和大赛中，使学生的大工程意识和解决实际工程问题的能力得到提升。

3 结语

本文针对工程训练平台创新训练项目建设，不断探索创新教学项目和新工科人才培养新模式，以机电产品创新设计3D打印在新工科背景下工程训练教学中应用为载体，建立基于工程训练平台的“3D打印工程训练”创新教学体系，针对不同的教学体系设计模块化教学案例，充分发挥工程训练的关键作用，提高学生的工程实践能力和创新能力，为培养全面发展的新工科人才发挥积极作用。