基于CDIO工程教育模式的3D打印实践教学

李 辰，孙 竹，马可欣，舒 睿，李 娜，刘永辉

(中国海洋大学工程训练中心，山东青岛，266100)

一、3D打印技术

3D打印技术因其直接、快速成型的特点，又被称为增材制造技术或快速成型技术。作为一种先进的制造技术，它是机械、材料、控制等多个学科融合的结晶。[1]该技术直接采用三维数字模型进行驱动，同时利用层内材料的分布与层间材料的堆积，快速成型出任意复杂结构的三维实体，不需要传统的刀具、夹具的辅助，使得设计和制造过程更加快速灵活，实现了既快又好又省的敏捷制造。[2]3D打印技术诞生于20世纪80年代后期，而在短短几十年的发展中，3D打印技术已经渗透到生产生活的方方面面，并在制造加工领域成功地将传统复杂的生产工艺简单化，同时有望突破制造在材料方面的瓶颈，将材料领域的疑难问题予以程序化、工程化解决。目前，3D打印技术作为第四次工业革命的标志性技术之一，早已是世界范围内的一项研究热点，获得了各个领域的瞩目，尤其在机械制造、医疗行业、航空航天和教育等领域，其应用最为广泛、发展最为成熟。随着未来市场的不断发展、3D打印技术的不断成熟及新材料的不断涌现，3D打印技术极有可能成为提升企业核心竞争力的重要因素。“三千年的等材制造，三百年的减材制造，三十年的增材制造”[3]，是胡庆夕对人类发展史上制造工业的基本呈现方式的精辟总结，他将3D打印技术作为制造方式之一与减材制造并列提出，足以凸显3D打印技术的重要地位。

二、3D打印实践教学

(一)3D打印实践课程

随着3D打印技术在教育领域的迅猛发展，其对学生创新精神、创造能力的培养作用越来越明显，很多高校逐步开设了3D打印技术实践教学课程。中国海洋大学工程训练中心(以下简称工程训练中心)也开展了3D打印实训课程，按照学校教学要求，3D打印实训课程需要配备完善的软硬件设施，中心配置了CAD/CAM实训室和3D打印实训室。其中，CAD/CAM实训室共配置30台电脑，用于模型的三维设计，配备的三维软件为SolidWorks。3D打印实训室用于模型的切片以及打印，引进了FDM 3D打印机40台、SLA 3D打印机2台、三维扫描仪1台以及计算机30台。为了呈现更好的授课效果，CAD/CAM实训室和3D打印实训室各配置了多媒体教学投影设备一套。教师可通过“数字化模型设计”和“3D打印”相结合的方式组织实践教学。

(二)3D打印实践教学存在的主要问题

然而，实践过程却存在着学生对实践教学本质认识不深刻的情况。实践教学和理论教学存在本质区别，实践教学侧重于理论知识的巩固提升，锻炼学生的动手操作能力，在实践过程中深化对课上理论知识的认知，是由实践到认识的一个深化过程，启发学生在实践过程中用理论联系实际，激发学生的积极性和主动性，不断增强学生的实践操作能力，提高工程素养和创新精神。但是，3D打印的实践教学过程却普遍存在强调知识学习而轻视开拓创新能力培养的问题，具体如下。

1.学生在设计环节参与程度低

3D打印作为可实现每个人的设计创意的工具，其理论教学固然重要，但更为重要的是在三维设计环节的数字化建模过程，这是每名学生不同创造力的表现方式，对学生创造精神的培育、创新能力的提升具有重大意义。3D打印技术因其敏捷、灵活的制造形式，成为连接创新设计和实际的重要桥梁，一旦缺失了设计环节，这种桥梁作用便无从谈起。

2.教学模式单一

实践教学过程基本沿用了课堂授课的模式，教师一步步教，学生一步步操作，整个过程过于程式化，并且对不同专业的学生也采用千篇一律的教学方法，没有“因专业施教”，无法调动学生的积极性和主动性，学生的参与程度不高。这严重降低了对学生创造精神和创新能力的培养效果。

3.实训时间分配不合理

3D打印之所以被称为快速成型，是因为它和传统加工方式相比，极大地提高了制造效率。可是，相比学生1—2天的实习时间，动辄3—4小时的打印时间，还是过于漫长。因此，实训过程常常出现在等待3D打印完成的时候学生无所事事的情况。

模拟葡萄酒培养基：每100 mL蒸馏水加入1 mL的SO2，酵母膏0.35 g，酒石酸3 g，葡萄汁20 mL，苹果酸3 g，柠檬酸0.5 g，配制完成后以121℃高压湿热灭菌15 min。

三、基于CDIO模式的3D打印实践教学

(一)CDIO工程教育模式

CDIO(conceiving-designing-implementing-operation，即构思—设计—实现—运行)教育模式，创立于2004年，是当前国际工程教育改革发展的重要成果。该教育模式是在瓦伦堡基金会近2000万美元巨额资助下，由包含瑞典皇家工学院和麻省理工学院在内的四所国际顶级工科高校历经四年时间，共同探索创建而成的。它涵盖了四个不同的能力层次，总结出12条操作性强适应性广的标准(见表1)，这12条标准对整个模式的施行和验证做了全方位的指引。[5]CDIO教育模式可以实现理论与实践的有效结合，这个过程既注重工程基础能力的提升，又重视综合创新精神的培养，而且可以实现个人能力和团队协作能力的共同提升。CDIO工程教育模式以学生为中心，旨在通过系统的培养模式全方位提升学生的能力，从构思到运行为整个周期，可以让学生在全周期里，通过主动探究、操作实践、有机融合的方式来了解和认识工程。

表1 CDIO能力大纲一览表[5]

CDIO工程教育模式一经创立，就引起了众多国内、国外大学的关注，多所世界顶级高校陆续加入其中，代表了当代工程教育的发展趋势。CDIO模式自2005年引入我国以来，其所倡导的理念迅速得到了政府部门、高校及工业部门的高度评价，对走出当前工程教育重理论轻实践、强调个人专业能力而忽视团队合作精神、注重专业知识掌握而轻视开拓创新能力培养的困境，及培养卓越工程师，具有重要的指导作用。我国现已陆续确定两批CDIO试点高校和试点专业，为CDIO工程教育模式在国内的推广夯实了基础。[6]

随着中国制造2025和新工科建设的提出，我国将全面推进制造强国，并打造卓越工程师，其中，实践教学作为理论联系实际、培养学生掌握科学方法和提高实践能力的重要手段，是解决我国当前教育需求问题的利刃。创新是发展的原动力，要想培养有创新能力的复合型人才，就需要理论与实践的密切结合。3D打印技术是把数字化设计与现实连接起来的纽带，把创新创造具象化，其重要意义不言而喻。以CDIO工程教育模式作为指导思想，以四阶段构建的3D打印实践教学课程，可以提高师生的综合能力，提升实践教学效果。[5]

(二)基于CDIO模式的实践教学环节

基于CDIO教学模式理念，课程组构建了3D打印实践教学环节，如图1所示。

图1 3D打印实践教学课程环节

以下以3D打印与红色教育为例，阐述CDIO工程教育模式在3D打印实践教学中的应用过程。

第一阶段：构思

针对不同专业的学生，指导教师根据专业知识和当前社会问题确定课程主题。然后进行学生分组，每个小组作为一个团体，小组成员根据主题内容在组内头脑风暴，各抒己见，从创新性、可行性等方面陈述自己的设计方案，最终确定一个最佳方案作为整个团队的设计创意。

第二阶段：设计

根据第一阶段确定好的方案，学生在CAD实训室的计算机上，利用三维设计软件SolidWorks、Proe等，完成构思方案的数字化建模。并非所有的三维模型都可以打印，还需要实现三维模型之间的数据转换，以满足3D打印对模型格式的要求，STL格式是CAD/CAM系统接口文件格式的工业标准，是3D打印机通用的标准文件格式。同时，要满足对模型文件的检查与修复，包括对完整性、整体性、正法线方向等方面的要求。

第三阶段：实施

指导教师讲解切片软件的原理及ideaMaker和Modelight两款软件的切片方法。学生对设计好的三维模型进行切片，以小组为单位，从打印时间、耗材、经济型、打印质量、强度等方面综合考虑，讨论选用合适的切片软件参数。切片结束后，指导教师会针对不同类型打印机讲解3D打印机的操作方法，学生在打印过程中及时对比打印效果，加深对不同参数包括填充度、填充样式、支撑形式等的理解，实现操作的内化。

第四阶段：运作

以小组为单位展示作品，介绍作品的创意、小组合作的获得与感悟、成功经验与失败教训。小组展示完毕后，小组之间可以互评，互相借鉴，共同进步。指导教师根据作品的完整度及学生在整个过程中的参与度等方面对小组成员进行评定。

(三)基于CDIO模式的实践教学过程

课程以工程学院工业设计专业30名学生的实践过程为研究对象，将学生分为6个小组，每个小组5名学生，由小组成员选出1名组长。依照设置的3D打印实训教学课程教授环节，将整个实训过程划分为四个教学环节，即构思阶段、设计阶段、实施阶段、运行阶段。在构思阶段，学生根据指导教师确定的“红色教育”主题进行头脑风暴，每名学生发表自己的想法，共同确定本组的创意，如一组的创意为“红船”。在设计阶段，根据确定的创意，如“红船”三维模型的设计，进行格式转换。在实施阶段，对设计的“红船”三维模型进行切片，利用3D打印机进行打印，及时排除打印过程中出现的故障。运行阶段，小组对作品进行展示分享。

CDIO工程教育模式不仅注重个人职业技能的发展，也注重团队协作与团队交流，小组合作对作品进行展示，可以使学生切身感受到团队协作交流的重要意义。比如，在构思阶段，每个小组需要根据指导教师确定的“红色教育”主题共同讨论出一个创意。这个过程既需要组长做好组织协调引导，又需要团队内成员的自我激励。另外，评价形式也发生了转变，小组成员的表现作为基础分数，根据学生的不同表现进行分数叠加，学生也在这种评价方式的转变中，切实感受到团队是共同进步、互利共赢的关系。在整个实践过程中，利用SolidWorks软件建立三维数字模型，并导入ideaMaker软件中进行切片，提升了学生的空间想象力和设计能力[5]，使计算机辅助制造等专业学生的技术能力得到锻炼。学生在打印过程中需独立排除打印故障，其独立思考意识和发现问题、解决问题的能力大大提升。

四、实践教学启示

(一)理论联系实践，在实践中探求知识

工程训练是学校实施工程教育的实践教学平台，学生通过动手实践，在操作中领悟工程实践的真谛，不仅能对工业制造有直观的了解，对企业文化有切身的体验，更能在这个过程中复现知识，实现理论知识的内化，对知识有更深层的认识，从而促进实践能力和创新意识的提升。

(二)重视设计能力的提升

3D打印技术具有灵活性高、加工周期短的特点和优势，能够充分克服传统加工工艺的不足，使实践人员在设计阶段尽可能地降低工艺对设计的影响，最大限度地解放实践人员的设计思维，提升其设计能力和创造力。

(三)关注团队合作和交流沟通

团队精神是大局意识、协作精神和奉献精神的集中体现，在全球化发展的大环境下，团队合作更为重要。在小组合作过程中，学生可以体验团队协助、交流沟通的重要性，提升自己的沟通能力和执行能力。

五、结语

如何让学生更加系统深刻地掌握3D打印技术这种先进的制造方式，教学模式和教授内容至关重要。课程组从3D打印实践教学实际问题出发，借鉴CDIO工程教育先进模式，弥补了原有实训教学重操作不重创新的不足，以具体项目为载体，让学生在完成具体项目的过程中，对3D打印技术有更深刻、系统的认识，对3D打印技术能灵活应用。同时，在这个过程中，激发学生的主动性，提高学生的实践操作能力及团队间交流、协作能力，以及发掘和解决实际工程问题的高级思维能力。[7]以CDIO工程教育模式贯穿整个3D打印实践教学课程，切实解决了3D打印实践教学中存在的问题，为3D打印技术在实践教学领域的应用提供了有益借鉴和理论支撑。