基于学科竞赛的3D打印实践教学模式的研究

安芬菊，张静，吴敬权

（广东海洋大学机械与动力工程学院，广东 湛江 524088）

1 前言

当前国内工科专业学生的创新能力较弱是高等工程教育中的一个痛点，是制约创新型工程科技人才培养的关键因素之一，如何提高大学生的创新能力并建立以学生为中心的工程实践教育是需要持续建设与探索的重要问题。其中大学生学科竞赛尤其是工科机械、机电类的学科竞赛，是培养大学生综合创新能力的重要途径，具有常规实践教学没法替代的特别教育模式，是提高大学生理论设计能力、创新实践能力、团队合作能力等综合能力的有效教学活动。比如，全国大学生机械设计创新大赛、全国机器人创意设计大赛、中国大学生工程实践与创新能力大赛（原全国大学生工程训练综合能力竞赛）、广东省工科大学生实技能竞赛等学科竞赛中零件的制造是参赛学生都必须解决的难点问题。参赛学生如果采用数控加工或其他传统的减材制造的方法，由于受到机械加工工艺的限制，零件的结构设计必须符合加工工艺的要求，设计的零件数量多，零件加工需要不同的人员和机械设备进行联合生产，生产过程烦琐，制造周期长，对于参赛时间紧张的学生来说是不小的技术挑战。然而3D打印作为一种制造业领域迅速发展的新兴技术，采用先离散再堆积的方式来逐层生成三维实体，不同于传统的车、铣、刨、磨、钳等去除材料的加工方式，是一种全新的材料逐层增加制造方式，具有自动、快速、直接和比较精确的将CAD三维模型设计转化为实物产品的特点，适合在学科竞赛中制造各种连接零件，也非常方便实现零件制作的再设计与再制造，具有零件的制造成本低，生产周期短的优点。采用3D打印技术加工零件，则可以将零件进行整合的设计，减少零件的个数，简化加工流程，提高设计作品的制作周期。同时，便于设计作品的升级改进。最重要的是相对于传统的机械加工，3D打印技术加工工艺易学易懂，3D打印设备操作简单，自动化程度高，安全性好，这些特点都非常适合在校学生从事创新设计与制作活动。

由于3D打印技术在大学生学科竞赛中对于外形的制作、结构件的制作可以发挥重要的辅助作用，因此基于学科竞赛的3D打印实践教学模式的研究显得非常必要，下面从构建“基础+提高”相结合的3D打印实践教学体系、建立“一大+一小”双3D打印实践硬平台、 建立了完善、开放、有序、安全的软平台、创建良好的3D打印工程竞赛文化环境氛围等多方面进行了基于学科竞赛的3D打印实践教学模式的探究，全面提升学科竞赛中学生的创新能力。下面对该教学实践模式进行具体阐述。

2 构建“基础+提高”递进式的3D打印实践教学体系

“基础+提高”相结合的3D打印实践教学体系，具体包括“基础认知、基础训练、提高拓展、创新实践”4个阶段。其中基础认知、基础训练阶段属于“基础”模块，提高拓展、创新实践阶段属于“提高”模块。“基础”模块阶段主要学习3D打印技术实践课的通识性教学内容，教学对象为全校的理工科学生。“提高”模块学习3D打印零件的制作工艺，3D打印设备的维护，教学对象为学科竞赛及创新项目、创新团队的大学生。教学方式上注重“课内+课外+互联网”三方联动，夯实基础，突出创新。

3 建立“一大+一小”双3D打印实践硬平台

这里的“一大”是指工程训练中心建立的3D打印实践平台，属于大平台，主要承担全校的3D打印教学任务，建筑面积有400多m2，包括多媒体设计室与3D打印室，其中3D打印室-1全部放置桌面级3D打印机，3D打印室-2室用于放置工业级3D打印机。多媒体设计室配有48台台式电脑，满足学生设计的要求，2间打印室摆放有不同种类和不同工艺的3D打印设备，具体包括工业级SLS激光选区烧结设备2台（一台用于烧结尼龙PA材料，另一台用于烧结聚苯乙烯PS材料）；工业级FDM熔融沉积快速成形设备3台；工业级立体激光固化3D打印机1台；桌面级FDM 3D打印机20台。以上设备硬件与场地为开展实践教学提供了充分的保障。

这里的“一小”是指大学生机械创新基地，在大学生创新基地配备了5台桌面型3D打印机，其中包括有4台太尔时代UP plus 2型，1台太尔时代UP 300型。太尔时代的3D打印机为全国大学生先进成图技术与产品信息建模创新大赛、广东省工科大学生实技能竞赛官方指定的比赛设备，配备这样的机型给参加学科竞赛的学生进行日常的训练提供开放平台，管理上采用学生自主管理和老师日常管理的方式，确保设备的正常运转率，为学生的创新训练提供安全可靠保障。

4 建立了完善、开放、有序、安全的软平台

4.1 创立了教师指导团队和学生创新团队

根据不同的学科竞赛项目，建立了各自动态稳定的学科竞赛团队，组建了具有相应理论知识、工程技术水平、凝聚力强的教师指导团队，根据广大海洋大学教职工考核评价的文件精神，老师指导学生获得各级各类的比赛，就有相应的业绩积分和绩效奖励，所以老师的指导学生学科竞赛的积极性非常高，同时，根据广东海洋大学创新学分和考研保研的相关规定，获得学科比赛的学生有相应的创新分，因此，学生的参与度及参与热情很高，创新团队或学科竞赛团队成员，一般都要通过校内选拔，方可进入创新团队或是竞赛团队，进入团队的学生是包括各个年级的优秀学生，形成了多支梯队合理的创新团队，特别有助于团队的持续发展。

4.2 建立健全开放共享与实验室安全保障机制

为了提高3D打印实践平台的使用效率，高效服务于学生，“一大+一小”双3D打印实践平台均采用开放共享的管理方式，最大化地发挥作用。第一，拓宽了双3D打印实践平台的使用范围，面向学科竞赛的师生开放，对学生通过学科竞赛项目团队的形式实施管理，设备的使用与耗材的管理由学生与实验教师共同管理，建立了完善的审批与登记制度。第二，在3D打印实践平台开放的过程中，优化的运行环境，保证实验设备的低故障率是关键，审批通过后进入实验室的同学，一律进行实验室安全培训，为了保证设备的低故障率，对每一批次的学生进行设备的安全操作培训同时提醒学生，如果设备有故障发生的情况下，不要在自己不懂的情况下，进行自行修理，需要第一时间告知指导老师或实验管理老师，进行维修或报修。第三，实验室开放，安全保护是关键，建立了从实验室主任、实验员、学生三级安全管理制度，明确了各自的安全职责，并且每学期进行一次实验室的防火、实验室急救等方面的安全演练，不断强化指导老师、实验指导老师和参加创新活动学生的实验室安全和防范意识，消除实验室的安全隐患。

4.3 建立稳定的经费支持制度

学校创建了创新创业学院，设立了规范化的学科竞赛专项经费，同时鼓励通过向企业、地方政府等多方拉取赞助经费，根据各类学科竞赛的要求，每年定期举办校内学课竞赛选拔赛，提高学生的参与度，搭建起持续发展的竞赛氛围。通过学院支持、学校支持、校外赞助等多层次筹取经费的方式，能够保证学科竞赛的持续性建设。学科竞赛所需的材料费、差旅费等都能够得到充分地保障。

5 创建良好的3D打印工程竞赛文化环境氛围

随着3D打印技术的快速发展，3D打印已成为不少学科竞赛的一个重要组成部分。如教育部主办的全国大学生工程实践与创新能力大赛（原全国大学生工程训练综合能力竞赛）、全国大学生先进成图技术与产品信息建模中都设有3D打印竞赛内容，采用学生创新团队的引领作用营造竞赛氛围，开展多层次的宣传，激发学生参与竞赛的欲望，定期举办学科竞赛宣讲活动，带领低年级学生参观竞赛获奖作品，进行获奖比例与获奖级别的情况分析，感受良好的3D打印工程竞赛文化环境氛围，激发学生参与的激情。同时通过获奖的师兄师姐的传帮带，在拓展师弟师妹的创新思路的同时协助解决技术创新训练中遇到的技术难题，一届接着一届形成良好的3D打印工程竞赛文化环境氛围。

6 教学效果

6.1 提升学生在学科竞赛中零件设计的自由度

3D打印技术引入学科竞赛，有效地打破了传统零件结构的限制，给予学生更多进行零件结构和功能创新设计的机会，尤其是通过3D打印与轻量化结构优化设计相结合，设计打印出重量轻、力学性能强、经济性能良好的零件。零件的设计与修改更加简单快捷，易于实现，在不断的设计与打印，再设计与再打印的过程中，促进与培养了学生的综合能力，不断地提高了学科竞赛的成绩。

6.2 助力学科竞赛成绩的提高

在目前机械类工科学生参与度高的全国大学生机械设计创新大赛、全国大学生工程训练综合能力竞赛、全国机器人创意设计大赛、广东省工科大学生实验技能竞赛、全国大学生先进成图技术与产品信息建模等学科竞赛中，都有3D打印技术的具体应用，其中全国大学生先进成图技术与产品信息建模大赛、广东省工科大学生实验技能竞赛中直接设有3D设计与制作的竞赛项目，其他没有设置3D设计与制作的竞赛项目的上述学科竞赛项目中，其中的零件设计与制作环节中有不少结构零件可以通过3D打印技术实现快速的设计与制造，助力学科竞赛成绩的提高。如在2020年广东省工科大学生实验综合技能竞赛中组建了9支代表队参加比赛，9支代表队最终有7支队获奖，其中获得省级一等奖1项，省级二等奖1项，省级三等奖5项。

如在2021年第二届粤港澳大学生工程训练综合能力竞赛暨第七届全国大学生工程训练综合能力竞赛广东省分赛中，组建了6支队伍代表参赛，6支代表队最终有4支队获奖，其中获得省级一等奖2项、省级二等奖1项和省级三等奖1项，逐年刷新该项赛事的最好成绩；如在全国大学生先进成图技术与产品信息建模大赛国赛中在3D打印团体项目中，近3年都取得不错的成绩，其中获得国家级一等奖2项，二等奖1项、三等奖1项。这些学科竞赛成绩的取得与我校3D打印实践教学的创新与实践有重要的相关性。

7 教学展望

通过近几年指导学生参加学科竞赛的经历来看，不仅学科竞赛的学生对3D打印技术的需求越来越大，同时机械类毕业设计的学生以及工业设计专业的学生对于3D打印的开放也有较大的需求，希望有一个开放共享的实践平台，后续将在基于学科竞赛的3D打印实践教学模式研究的基础上，探索面向全校开放的3D打印实践教学模式，更好助力创新人才的培养。