3D打印在高校大學(xué)生中的創(chuàng)新教育實(shí)踐研究

屠莉+奚達(dá)新

摘 要： 3D打印作為一種創(chuàng)新型技術(shù)，已經(jīng)在創(chuàng)意設(shè)計(jì)、工業(yè)制造等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用并體現(xiàn)出強(qiáng)大的創(chuàng)造性和創(chuàng)新性。文章主要研究如何將3D打印應(yīng)用到高校大學(xué)生創(chuàng)新教育實(shí)踐活動(dòng)中，基于3D打印研發(fā)工作室，介紹如何開(kāi)展一系列圍繞人才培養(yǎng)的創(chuàng)新教育實(shí)踐活動(dòng)，從而培養(yǎng)適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的創(chuàng)新型人才。

關(guān)鍵詞： 3D打印；高校；人才培養(yǎng)；創(chuàng)新；教育

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和工業(yè)領(lǐng)域的轉(zhuǎn)型升級(jí)，信息化、便捷化、個(gè)人化和創(chuàng)意化將成為未來(lái)技術(shù)發(fā)展方向的核心。社會(huì)和政府對(duì)于培養(yǎng)大量高素質(zhì)創(chuàng)新型專業(yè)人才的需求變得越來(lái)越緊迫，相關(guān)人才的專業(yè)素質(zhì)和創(chuàng)新能力也變得越來(lái)越重要，因此高校人才培養(yǎng)目標(biāo)也開(kāi)始從知識(shí)型到技能型、從傳統(tǒng)技能型到創(chuàng)新型轉(zhuǎn)變，并通過(guò)不斷開(kāi)展各種創(chuàng)新教育實(shí)踐活動(dòng)增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力。近年來(lái)，3D打印技術(shù)作為一種蘊(yùn)含創(chuàng)造性和設(shè)計(jì)思維的創(chuàng)新型技術(shù)，在創(chuàng)意設(shè)計(jì)、工業(yè)制作等領(lǐng)域得到迅猛的發(fā)展[1]。江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院通過(guò)與企業(yè)合作，成立了3D打印研發(fā)工作室，主要向?qū)W生提供創(chuàng)客、創(chuàng)新和創(chuàng)業(yè)平臺(tái)，并整合計(jì)算機(jī)系及各類資源，實(shí)現(xiàn)專業(yè)融合，開(kāi)展3D教學(xué)、技術(shù)研發(fā)、人才培養(yǎng)、提供社會(huì)化3D打印服務(wù)和培訓(xùn)等一系列創(chuàng)新教育實(shí)踐活動(dòng)，探索創(chuàng)新型人才培養(yǎng)教育的新模式。

1 3D打印發(fā)展概述和分析

1.1 3D打印原理

3D打印技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型三維數(shù)字化立體加工的快速成型技術(shù)[2-3]。相對(duì)于傳統(tǒng)的減材制造，3D打印可以稱為增材制造（additive manufacturing， AM）。通俗來(lái)講，如果把一張紙看做“一層”的話，那么，一個(gè)立體物體可以被看做由“無(wú)數(shù)個(gè)層”組成的，3D打印就是把物體一層層分解并形成打印路徑，打印時(shí)按照打印路徑連續(xù)打印堆積而成的。3D打印是一個(gè)物體從0到1、從無(wú)到有的過(guò)程，且不浪費(fèi)材料。

目前，3D打印機(jī)有兩種類型，一種是堆疊法，另一種是燒結(jié)。原理基本上都是多層分片打印，堆疊和燒結(jié)只是成型技術(shù)的區(qū)別。堆疊只能成型塑料、硅之類的材質(zhì)，對(duì)固化反應(yīng)速度有要求；燒結(jié)可以利用激光的高溫對(duì)金屬粉末進(jìn)行處理，加工出金屬材質(zhì)的東西，實(shí)體可通過(guò)打磨、鉆孔、電鍍等方式進(jìn)一步加工。桌面3D打印就是采用第一種堆疊法。

1.2 3D打印創(chuàng)新教育思維

3D打印有別于傳統(tǒng)的制造行業(yè)，可以加工出任意復(fù)雜和有創(chuàng)意性的作品。目前，3D打印已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)療、機(jī)械制造等領(lǐng)域，顛覆了傳統(tǒng)制造技術(shù)，使產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)等環(huán)節(jié)更加優(yōu)化。3D打印通過(guò)三維建模，將創(chuàng)意或創(chuàng)新思維轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，最終打印成成品，因此更適合應(yīng)用于創(chuàng)新型、特殊定制、個(gè)性化或傳統(tǒng)工藝無(wú)法制造的行業(yè)及領(lǐng)域。桌面3D打印機(jī)就是把打印機(jī)和3D技術(shù)及創(chuàng)意技術(shù)相融合，實(shí)現(xiàn)把工廠搬進(jìn)教室。理論上，只需要一個(gè)想法、合適的材料和一臺(tái)3D打印機(jī)，就可以把你腦中的想法轉(zhuǎn)化成實(shí)體，零件、玩具、食物甚至人造器官的打印都已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)。3D打印技術(shù)本身及應(yīng)用領(lǐng)域就蘊(yùn)含了一定的創(chuàng)新設(shè)計(jì)思維，為創(chuàng)新提供了有力工具，可以很好地應(yīng)用到高校大學(xué)生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)和訓(xùn)練中。3D打印的快速成型所具備的直觀性也可以較好地引起學(xué)生的興趣，讓學(xué)生產(chǎn)生成就感，非常適合應(yīng)用到學(xué)生創(chuàng)新教育中[4]。

2 基于3D打印研發(fā)工作室的創(chuàng)新教育實(shí)踐探索

江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)系與企業(yè)合作，面向全校學(xué)生成立了3D打印研發(fā)工作室。目前，工作室已引進(jìn)桌面打印機(jī)、3D掃描儀等3D打印軟硬件設(shè)備和技術(shù)。工作室主要為那些對(duì)3D打印和創(chuàng)意設(shè)計(jì)感興趣的學(xué)生提供基于3D創(chuàng)新的實(shí)踐活動(dòng)平臺(tái)，同時(shí)也為教師提供創(chuàng)新教育和研發(fā)的工作空間。工作室的運(yùn)行模式主要以學(xué)生為主體、指導(dǎo)老師為引導(dǎo)，并開(kāi)展一系列的創(chuàng)新教育實(shí)踐活動(dòng)，培養(yǎng)創(chuàng)新人才?；?D打印研發(fā)工作室的創(chuàng)新教育活動(dòng)如圖1所示。

2.1 3D創(chuàng)意設(shè)計(jì)

3D研發(fā)工作室下設(shè)3D思維社團(tuán)，完全由學(xué)生自己管理。由于3D打印需要一定的計(jì)算機(jī)3D建?；A(chǔ)，因此社團(tuán)主要面向計(jì)算機(jī)系的動(dòng)漫、多媒體專業(yè)以及軟件相關(guān)專業(yè)學(xué)生招募成員。在專業(yè)老師的指導(dǎo)下，社團(tuán)學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)三維建模知識(shí)、3D打印相關(guān)技術(shù)和維護(hù)技術(shù)，并依托三維課程，學(xué)習(xí)3D創(chuàng)意設(shè)計(jì)，制作設(shè)計(jì)成品；同時(shí)，學(xué)生也可以在其畢業(yè)設(shè)計(jì)中，充分發(fā)揮自己的創(chuàng)新創(chuàng)意思維，完成畢業(yè)設(shè)計(jì)作品。目前，由學(xué)生設(shè)計(jì)并打印的一些創(chuàng)意作品獲得廣泛好評(píng)，并刻上學(xué)校logo，成為學(xué)校禮品和紀(jì)念品。學(xué)生設(shè)計(jì)的象棋作品如圖2所示。

社團(tuán)采用“老帶新”機(jī)制，老成員負(fù)責(zé)給新成員進(jìn)行3D技術(shù)培訓(xùn)，包括建模軟件的學(xué)習(xí)以及3D打印機(jī)的使用和維護(hù)。除了社團(tuán)成員，工作室也歡迎全校對(duì)3D打印感興趣的其他系和其他專業(yè)學(xué)生參與進(jìn)來(lái)，并為他們提供三維建模和3D打印知識(shí)和技術(shù)方面的幫助，讓他們能在自己的專業(yè)領(lǐng)域中進(jìn)行創(chuàng)意設(shè)計(jì)，并訓(xùn)練創(chuàng)新思維。

2.2 3D項(xiàng)目研發(fā)

依托3D研發(fā)工作室，學(xué)生可以申請(qǐng)并參與各類項(xiàng)目研發(fā)。為了開(kāi)闊學(xué)生眼界，增強(qiáng)學(xué)生專業(yè)能力，工作室會(huì)定期安排部分學(xué)生到合作企業(yè)參觀、交流和培訓(xùn)，開(kāi)展各類校企合作；同時(shí)，3D打印也需要專業(yè)融合解決實(shí)際問(wèn)題，如2016年，3D研發(fā)工作室學(xué)生成功申報(bào)學(xué)院大學(xué)生科研基金項(xiàng)目，即基于3D打印的機(jī)器人裝備研發(fā)，為機(jī)器人裝備的研發(fā)和制作提供支撐。通過(guò)與嵌入式專業(yè)的機(jī)器人研發(fā)團(tuán)隊(duì)充分合作，工作室設(shè)計(jì)制作的外殼模型和武器裝備被安裝到團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的坦克小車上，兼具美觀性和功能性，該設(shè)計(jì)在全國(guó)機(jī)器人RobotAC大賽中榮獲三等獎(jiǎng)。圖3所示為最終的研發(fā)成果、比賽過(guò)程和獲獎(jiǎng)結(jié)果。

目前，工作室學(xué)生在教師的指導(dǎo)下正積極申報(bào)江蘇省大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目。學(xué)生在項(xiàng)目研發(fā)的過(guò)程中，不斷訓(xùn)練自己的專業(yè)技能和創(chuàng)新思維，提高了科研能力和創(chuàng)新能力。

2.3 創(chuàng)意技能競(jìng)賽

學(xué)生可以參加各級(jí)各類創(chuàng)意技能大賽，展示自己的創(chuàng)意設(shè)計(jì)和作品。工作室內(nèi)部會(huì)定期開(kāi)展創(chuàng)意作品比賽，讓學(xué)生能在一定階段的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練后，驗(yàn)證自身學(xué)習(xí)效果。

此外，每年計(jì)算機(jī)系會(huì)定期與企業(yè)合作，面向全系學(xué)生舉辦“Imagin Cup”創(chuàng)意系列大賽。依托三維建模專業(yè)課程，工作室將舉辦“Imagin Cup 3D打印創(chuàng)意設(shè)計(jì)大賽”，所有對(duì)3D打印感興趣并有創(chuàng)意設(shè)計(jì)靈感的學(xué)生都可以參賽。大賽通過(guò)學(xué)生對(duì)作品的介紹以及公開(kāi)評(píng)比和展示環(huán)節(jié)，評(píng)選出比賽結(jié)果并予以公示。學(xué)生每年的參賽熱情很高，作品的美觀性和創(chuàng)意性以及實(shí)用性也逐年提高。

學(xué)生也可以參加各級(jí)各類的創(chuàng)意設(shè)計(jì)技能大賽以及科技展，如“萬(wàn)舜杯”科技展，學(xué)生可以展示自己的作品并評(píng)獎(jiǎng)；通過(guò)與其他專業(yè)或工作室合作，共同參加一些專業(yè)技能大賽，如全國(guó)大學(xué)生機(jī)器人RobotAC大賽等。

2.4 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐

目前，為了培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，現(xiàn)已建立了很多面向在校大學(xué)生提供的各級(jí)各類創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)平臺(tái)。依托3D打印研發(fā)工作室，學(xué)生積極參加各種創(chuàng)業(yè)大賽和實(shí)踐活動(dòng)。2016年，學(xué)生團(tuán)隊(duì)的創(chuàng)業(yè)計(jì)劃和作品成功入選江蘇省無(wú)錫市青年創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)嘉年華活動(dòng)。目前，學(xué)生在工作室教師的指導(dǎo)下正積極申報(bào)學(xué)院創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目以及江蘇省創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目。學(xué)生在參與創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目的過(guò)程中，不僅可以發(fā)揮自己的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力，還可以掌握創(chuàng)業(yè)的相關(guān)知識(shí)和流程，為今后成功創(chuàng)業(yè)打下基礎(chǔ)；部分學(xué)生甚至在大學(xué)期間就開(kāi)啟了自己的創(chuàng)業(yè)道路。

2.5 3D創(chuàng)意課程開(kāi)發(fā)

為了讓更多的學(xué)生參與3D打印的創(chuàng)意設(shè)計(jì)中，在學(xué)院和計(jì)算機(jī)系的支持下，工作室教師和學(xué)生共同完成3D創(chuàng)意設(shè)計(jì)課程的開(kāi)發(fā)，并成功申報(bào)學(xué)院精品課程資源項(xiàng)目。目前，3D創(chuàng)意設(shè)計(jì)課程已經(jīng)面向計(jì)算機(jī)系其他專業(yè)開(kāi)設(shè)專業(yè)選修課，同時(shí)，面向全院開(kāi)設(shè)公選課，讓全院各系所有對(duì)3D打印創(chuàng)意設(shè)計(jì)感興趣的學(xué)生選課，參與3D打印的學(xué)習(xí)中。通過(guò)開(kāi)設(shè)3D創(chuàng)意設(shè)計(jì)課程，可以促進(jìn)專業(yè)融合，將3D打印應(yīng)用到機(jī)械、電子、藝術(shù)、機(jī)電等專業(yè)，進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和能力的培養(yǎng)。

2.6 創(chuàng)新人才培養(yǎng)

依托3D打印工作室的運(yùn)行，通過(guò)開(kāi)展以上各種創(chuàng)新教育實(shí)踐活動(dòng)，可以很好地培養(yǎng)創(chuàng)新人才。3D打印是一個(gè)新興行業(yè)，正處在發(fā)展起步階段。目前，各種3D打印實(shí)踐中心、服務(wù)中心及體驗(yàn)中心不斷出現(xiàn)，各行各業(yè)應(yīng)用3D打印技術(shù)越來(lái)越多，3D打印技術(shù)教育中心也不斷成立；今后，3D打印技術(shù)將不斷普及，應(yīng)用范圍也會(huì)越來(lái)越廣泛，因此對(duì)3D打印相關(guān)的創(chuàng)意設(shè)計(jì)人才以及技術(shù)維護(hù)和支撐人才的需求也會(huì)越來(lái)越大，高校作為人才培養(yǎng)基地應(yīng)先行一步，培養(yǎng)適合社會(huì)發(fā)展需求的創(chuàng)新人才。

3 3D打印創(chuàng)新教育發(fā)展思考

通過(guò)3D打印在高校大學(xué)生創(chuàng)新教育實(shí)踐活動(dòng)中的探索，在創(chuàng)新人才培養(yǎng)上已初有成效，但是隨著3D打印的不斷發(fā)展，打印新技術(shù)、新材料或者新型打印工藝的發(fā)展必將推進(jìn)3D打印創(chuàng)新教育的發(fā)展，社會(huì)發(fā)展、行業(yè)融合和產(chǎn)業(yè)推進(jìn)也將促進(jìn)3D打印的創(chuàng)新應(yīng)用教育。對(duì)此，我們對(duì)于3D打印在高校大學(xué)生創(chuàng)新教育中的發(fā)展有如下思考：目前，大部分的3D打印教育局限于桌面打印機(jī)的應(yīng)用，所用的打印材料也局限于PLA環(huán)保材料或者一些簡(jiǎn)單的食品級(jí)材料，使得學(xué)生在創(chuàng)意設(shè)計(jì)或創(chuàng)新應(yīng)用上有一定的局限性。隨著技術(shù)發(fā)展以及高校創(chuàng)新教育的發(fā)展，可以通過(guò)進(jìn)一步深化校企合作，學(xué)習(xí)工業(yè)級(jí)設(shè)備的應(yīng)用和技術(shù)，以推進(jìn)創(chuàng)新人才培養(yǎng)。今后的高校創(chuàng)新教育模式也需要進(jìn)一步探索。如何深化“做中學(xué)、學(xué)中做”，進(jìn)一步開(kāi)展體驗(yàn)學(xué)習(xí)和創(chuàng)造學(xué)習(xí)，為學(xué)生提供開(kāi)放式學(xué)習(xí)空間或系統(tǒng)并為個(gè)性化學(xué)習(xí)提供服務(wù)，提供系統(tǒng)化的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)平臺(tái)，是一個(gè)值得深思的問(wèn)題。

4 結(jié) 語(yǔ)

3D打印技術(shù)發(fā)展迅速，是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的有力工具。我們主要對(duì)3D打印創(chuàng)新人才教育模式做了探索和實(shí)踐。江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院基于3D打印研發(fā)工作室平臺(tái)，針對(duì)全院學(xué)生開(kāi)展了各種創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)，很好地提升了學(xué)生的自主創(chuàng)新意識(shí)、專業(yè)綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力，培養(yǎng)鍛煉了學(xué)生的科研創(chuàng)新能力，為將來(lái)學(xué)生走向社會(huì)進(jìn)行科學(xué)研究和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)奠定了良好的基礎(chǔ)。面對(duì)行業(yè)的發(fā)展、技術(shù)的更新以及教育手段的改進(jìn)，對(duì)3D打印技術(shù)的創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式的探索還需要進(jìn)一步完善和改進(jìn)。

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（編輯：宋文婷）