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摘要：高校工程类专业普遍存在教学实践活动难以开展的问题。本文基于目前制造技术的新发展，充分分析了开展三维打印实验课程的必要性，并借鉴国内外同类高校的发展现状，提出大力开展三维打印实验课程建设的思路和方法。
关键词：高校；三维打印；实验课程
中图分类号：G642.4 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）50-0176-02
依据《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》的要求，结合高校工程类学科的特点，开展安全、便捷、创新性强的动手实验课程建议研究，可培养学生的创新思维，提升动手实践能力，提高综合素质，为学生今后独立研究问题打下坚实的基础。同时，弥补了传统教学中知识抽象难懂的不足，丰富教师教学内容，促进教师教学内容与学生工程实践的深度融合，可以进一步推动本科教学的改革与特色学科的建设。
一、工程类专业开展三维打印技术实验课程的必要性
制造工程技术的发展日新月异，各种新技术近年来不断涌现，特别是增材制造（三维打印）技术发展迅猛。2015年8月，美国国家高级制造技术计划委员会联合美国国防部（DOD）、美国国家航空航天局（NASA）、美国国家科学基金委员会（NSF）等共同组建AM/3D Printing等六个核心研究机构，推动建设美国国家制造创新网络（NNMI）系统，进一步强化了美国制造技术的领先优势。英国《经济学人》杂志称三维打印技术为“第三次工业革命”，《中国制造2025》中也将增材制造技术列为优先发展的技术方向。由此可见，三维打印技术已经成为各国在制造领域竞争的新的制高点。然而，高校机械工程教学改革相对滞后，目前的课程设置特别是培养学生动手实践能力的课程资源匮乏，相关学科教学体系不够完善，导致目前兼顾理论与技术应用类的人才资源的稀缺。开展三维打印技术实验课程建设，具有一定的必要性。
1.推动三维打印技术实验课程建设，改善和优化工程类学生课程教育中侧重理论、缺少实践的现状。随着国家和社会对高校学生实践能力和创新能力的要求越来越高，以及高校自身教育、交流国际化发展的程度不断提升，其对高校工科学生的培养建设也提出更高的要求。特别是在工程学科课程设置方面，需要从传统的课堂教学为主逐渐向课程教学与课程实践并重的方向发展。通过开展三维打印技术的实验课程，不仅能够方便学生学以致用，加深和深化基础理论知识理解，也可以完善现有的教学体系，丰富本科生的培养方案，强化以学生为本的教育理念。
2.推动三维打印技术实验课程建设，为学生提供安全、便捷的个性化设计制造创新平台，激发学生的创新思维。在工科教学实践中，工程类课程理论知识体系大多具有抽象性。随着信息化和数字化程度的不断提升，培养学生善于观察、模仿、创新的能力尤为重要。然而现阶段，数控加工这类动手实践要求较高的课程，由于数控加工设备数量有限、造价昂贵、加工实验安全等，学生动手实践部分转为软件仿真演示，没有达到预期的教学效果。三维打印作为一种新的制造工艺，包含数字控制、机械原理、机械设计、数控轨迹规划、三维CAD建模、材料成形等大部分前期工程基础课程。该实践课程的建设可以结合实践前期的课程内容，提高对课程的理解。通过设置开放性的三维打印实践任务，鼓励并调动学生的积极性，利用该实践平台创造各类个性化的设计作品，对学生的创新设计制造实践，具有重要的意义。
二、当前国内外的发展情况
在高校工程专业领域，学生的实践教学内容经过多年的发展，已经从一般的课程基础实验发展到了课外的创新实验，引导学生出于兴趣与爱好，根据自己在课堂中学到的基本知识与原理，努力把各种创意想法转变为现实产品与结构，这是目前社会的一个主流教育理念。三维打印技术为教育事业打开了一扇窗口，国内许多教育机构、科研院所等在积极探索、研究如何将三维打印技术应用于日常的教学和科研中，从而不仅使学生可以享受到新技术辅助教学的便利以及各种创新用法，还可以以此作为促进学生自主学习的推动力，更会对他们的技术素养和未来的职业发展产生深远的影响。2013年年初，美国政府规划在未来四年内在1000所学校配备3D打印机等数字制造工具，通过实践培养新一代的设计师和生产创新者。英国教育部在21所高校开展了一项为期一年的试验项目，将三维打印技术应用到数学、物理、工程和设计等课程中，从而探索三维打印的教学应用，推动教学创新。2015年，通过学习三维打印技术相关实验课程，美国弗吉尼亚大学的学生利用三维打印技术打印了可以试飞的飞机模型。玛丽·华盛顿大学的教师将三维打印技术引入教学，由学生扫描实物或者自己设计出物品并打印模型，根据学生的反馈不断改进教学模式。国内许多高校构建了三维打印技术教学体系。2015年，由华中科技大学主导的国内最大的三维打印科技园落户湖北武汉，河北工业大学、辽宁工业大学等将三维打印技术引入学生创新实验课程，培养学生的创新能力和动手能力。北京航空航天大学、清华大学、华南理工大学、西安科技大学等，利用自身学科优势和实验资源，结合三维打印技术的新潮流，培养学生在航空航天、工业、生物医疗等方面的兴趣和创新思维。三维打印技术的出现，需要我们在教学上进行创新。它不仅可以丰富教师教学内容，改善教学方法，也可为学生营造更加愉快的学习体验。同时，推动三维打印技术实验课程建设，要结合高校自身办学特色，符合自身教育理念，契合自身实验条件，制定详尽的实验规范和技术指导，注重做与思的结合，从而达到锻炼学生实践能力、强化教学内容的效果。
三、实施内容和方法的创新点
1.实施内容。①面向本科生的三维打印实验教学实践课程平台建设。建设高校自有的实验类三维打印制造设备，提供可安全组装、动手操作的三维打印实验教学平台。②设计符合本科生培养要求的实验教学大纲和指导书。根据目前的典型三维打印工艺，研究设计一套完整的教学大纲和实验指导书，包括实验原理、实验步骤、实验案例、创新设計等。同时，结合本科生的教学内容，合理安排实验工艺和实验模型，加深学生对理论知识的理解并保证学生能够在充分掌握现有基础知识的前提下，能独立动手完成个性化创新产品的设计制作。③淡化学科间的界限，培育学生全面思考并综合应用所学知识的能力。三维打印技术可以将复杂抽象的数学模型直接立体表现出来，同时三维打印装置控制不同的打印参数，获得的产品性能也不同。通过合理安排小组协作，设计不同打印参数的个人作品展示等实验内容，培养学生学科综合应用交叉的思维模式。 2.实验方法创新点。①优化现有工程课程实践教学，突出可操作性。三维打印实践教学课程，可以有效地将前期的数控技术、机械设计、机械原理、数控加工、三维CAD建模、材料成型等课程有机地融入实验。实验过程安全可靠，学生的参与度高，可操作性强。②提供本科学生在机械设计制造创新的平台。三维打印实践教学平台可以给学生提供一个快速、低成本的个性化设计制作平台，通过教学实践任务引导学生优化设计机械结构、创新功能性零件，进一步提高学生的学习积极性。③辅助本科生学习起到效能工具的作用。三维打印技术涉及光、机、电、计算机、数控、新材料等于一体的新制造技术，通过开展相应的实验课程，拓宽学生的学术视野。同时，学生可以直接将设计结果转化为实体模型，随时修改调整设计方案，节约创作时间，将一些最新的研究成果如仿生结构设计、功能性零件拓扑优化设计等引入实践教学，很好地激发学生的学习兴趣和创新思维。④起到强化课堂交互活动和协作学习的作用。三维打印技术实践课程可以为课堂交互活动提供更多的创造空间，使得课堂上的教学互动不受教师和学生想象力的限制。这类实验教学中，学生处于教学活动的中心，以全新的方式与教师互动。这种开放式的实验教学，不仅有趣，而且能够培养学生的合作精神和协作能力。
四、总结
建设三维打印技术实验课程教材需要逐步推进，从硬件到软件、从教案到作业、从课上到课下，都需要不断地积累经验和创新方法。这不仅要做到因材施教，也要做到全面兼顾，在保证学生实验安全且达到预期效果的前提下稳步推进，加速教学与实践深度融合的三维打印技术实验课程建設在高校的推广和应用。
参考文献：
[1]中华人民共和国教育部.国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）[Z].2010.
[2]肖伟才.理论教学与实践教学一体化教学模式的探索与实践[J].实验室研究与探索，2011，（4）：81-84.
Abstract：The problem of teaching practice is difficult to carry out in engineering majors in universities. In this paper，the necessity of building 3D printing course is analyzed. According to the current development at home and abroad，the method for developing the 3D printing experiment course is put forward.
Key words：universities；3D printing；experiment course
关键词：高校；三维打印；实验课程
中图分类号：G642.4 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）50-0176-02
依据《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》的要求，结合高校工程类学科的特点，开展安全、便捷、创新性强的动手实验课程建议研究，可培养学生的创新思维，提升动手实践能力，提高综合素质，为学生今后独立研究问题打下坚实的基础。同时，弥补了传统教学中知识抽象难懂的不足，丰富教师教学内容，促进教师教学内容与学生工程实践的深度融合，可以进一步推动本科教学的改革与特色学科的建设。
一、工程类专业开展三维打印技术实验课程的必要性
制造工程技术的发展日新月异，各种新技术近年来不断涌现，特别是增材制造（三维打印）技术发展迅猛。2015年8月，美国国家高级制造技术计划委员会联合美国国防部（DOD）、美国国家航空航天局（NASA）、美国国家科学基金委员会（NSF）等共同组建AM/3D Printing等六个核心研究机构，推动建设美国国家制造创新网络（NNMI）系统，进一步强化了美国制造技术的领先优势。英国《经济学人》杂志称三维打印技术为“第三次工业革命”，《中国制造2025》中也将增材制造技术列为优先发展的技术方向。由此可见，三维打印技术已经成为各国在制造领域竞争的新的制高点。然而，高校机械工程教学改革相对滞后，目前的课程设置特别是培养学生动手实践能力的课程资源匮乏，相关学科教学体系不够完善，导致目前兼顾理论与技术应用类的人才资源的稀缺。开展三维打印技术实验课程建设，具有一定的必要性。
1.推动三维打印技术实验课程建设，改善和优化工程类学生课程教育中侧重理论、缺少实践的现状。随着国家和社会对高校学生实践能力和创新能力的要求越来越高，以及高校自身教育、交流国际化发展的程度不断提升，其对高校工科学生的培养建设也提出更高的要求。特别是在工程学科课程设置方面，需要从传统的课堂教学为主逐渐向课程教学与课程实践并重的方向发展。通过开展三维打印技术的实验课程，不仅能够方便学生学以致用，加深和深化基础理论知识理解，也可以完善现有的教学体系，丰富本科生的培养方案，强化以学生为本的教育理念。
2.推动三维打印技术实验课程建设，为学生提供安全、便捷的个性化设计制造创新平台，激发学生的创新思维。在工科教学实践中，工程类课程理论知识体系大多具有抽象性。随着信息化和数字化程度的不断提升，培养学生善于观察、模仿、创新的能力尤为重要。然而现阶段，数控加工这类动手实践要求较高的课程，由于数控加工设备数量有限、造价昂贵、加工实验安全等，学生动手实践部分转为软件仿真演示，没有达到预期的教学效果。三维打印作为一种新的制造工艺，包含数字控制、机械原理、机械设计、数控轨迹规划、三维CAD建模、材料成形等大部分前期工程基础课程。该实践课程的建设可以结合实践前期的课程内容，提高对课程的理解。通过设置开放性的三维打印实践任务，鼓励并调动学生的积极性，利用该实践平台创造各类个性化的设计作品，对学生的创新设计制造实践，具有重要的意义。
二、当前国内外的发展情况
在高校工程专业领域，学生的实践教学内容经过多年的发展，已经从一般的课程基础实验发展到了课外的创新实验，引导学生出于兴趣与爱好，根据自己在课堂中学到的基本知识与原理，努力把各种创意想法转变为现实产品与结构，这是目前社会的一个主流教育理念。三维打印技术为教育事业打开了一扇窗口，国内许多教育机构、科研院所等在积极探索、研究如何将三维打印技术应用于日常的教学和科研中，从而不仅使学生可以享受到新技术辅助教学的便利以及各种创新用法，还可以以此作为促进学生自主学习的推动力，更会对他们的技术素养和未来的职业发展产生深远的影响。2013年年初，美国政府规划在未来四年内在1000所学校配备3D打印机等数字制造工具，通过实践培养新一代的设计师和生产创新者。英国教育部在21所高校开展了一项为期一年的试验项目，将三维打印技术应用到数学、物理、工程和设计等课程中，从而探索三维打印的教学应用，推动教学创新。2015年，通过学习三维打印技术相关实验课程，美国弗吉尼亚大学的学生利用三维打印技术打印了可以试飞的飞机模型。玛丽·华盛顿大学的教师将三维打印技术引入教学，由学生扫描实物或者自己设计出物品并打印模型，根据学生的反馈不断改进教学模式。国内许多高校构建了三维打印技术教学体系。2015年，由华中科技大学主导的国内最大的三维打印科技园落户湖北武汉，河北工业大学、辽宁工业大学等将三维打印技术引入学生创新实验课程，培养学生的创新能力和动手能力。北京航空航天大学、清华大学、华南理工大学、西安科技大学等，利用自身学科优势和实验资源，结合三维打印技术的新潮流，培养学生在航空航天、工业、生物医疗等方面的兴趣和创新思维。三维打印技术的出现，需要我们在教学上进行创新。它不仅可以丰富教师教学内容，改善教学方法，也可为学生营造更加愉快的学习体验。同时，推动三维打印技术实验课程建设，要结合高校自身办学特色，符合自身教育理念，契合自身实验条件，制定详尽的实验规范和技术指导，注重做与思的结合，从而达到锻炼学生实践能力、强化教学内容的效果。
三、实施内容和方法的创新点
1.实施内容。①面向本科生的三维打印实验教学实践课程平台建设。建设高校自有的实验类三维打印制造设备，提供可安全组装、动手操作的三维打印实验教学平台。②设计符合本科生培养要求的实验教学大纲和指导书。根据目前的典型三维打印工艺，研究设计一套完整的教学大纲和实验指导书，包括实验原理、实验步骤、实验案例、创新设計等。同时，结合本科生的教学内容，合理安排实验工艺和实验模型，加深学生对理论知识的理解并保证学生能够在充分掌握现有基础知识的前提下，能独立动手完成个性化创新产品的设计制作。③淡化学科间的界限，培育学生全面思考并综合应用所学知识的能力。三维打印技术可以将复杂抽象的数学模型直接立体表现出来，同时三维打印装置控制不同的打印参数，获得的产品性能也不同。通过合理安排小组协作，设计不同打印参数的个人作品展示等实验内容，培养学生学科综合应用交叉的思维模式。 2.实验方法创新点。①优化现有工程课程实践教学，突出可操作性。三维打印实践教学课程，可以有效地将前期的数控技术、机械设计、机械原理、数控加工、三维CAD建模、材料成型等课程有机地融入实验。实验过程安全可靠，学生的参与度高，可操作性强。②提供本科学生在机械设计制造创新的平台。三维打印实践教学平台可以给学生提供一个快速、低成本的个性化设计制作平台，通过教学实践任务引导学生优化设计机械结构、创新功能性零件，进一步提高学生的学习积极性。③辅助本科生学习起到效能工具的作用。三维打印技术涉及光、机、电、计算机、数控、新材料等于一体的新制造技术，通过开展相应的实验课程，拓宽学生的学术视野。同时，学生可以直接将设计结果转化为实体模型，随时修改调整设计方案，节约创作时间，将一些最新的研究成果如仿生结构设计、功能性零件拓扑优化设计等引入实践教学，很好地激发学生的学习兴趣和创新思维。④起到强化课堂交互活动和协作学习的作用。三维打印技术实践课程可以为课堂交互活动提供更多的创造空间，使得课堂上的教学互动不受教师和学生想象力的限制。这类实验教学中，学生处于教学活动的中心，以全新的方式与教师互动。这种开放式的实验教学，不仅有趣，而且能够培养学生的合作精神和协作能力。
四、总结
建设三维打印技术实验课程教材需要逐步推进，从硬件到软件、从教案到作业、从课上到课下，都需要不断地积累经验和创新方法。这不仅要做到因材施教，也要做到全面兼顾，在保证学生实验安全且达到预期效果的前提下稳步推进，加速教学与实践深度融合的三维打印技术实验课程建設在高校的推广和应用。
参考文献：
[1]中华人民共和国教育部.国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）[Z].2010.
[2]肖伟才.理论教学与实践教学一体化教学模式的探索与实践[J].实验室研究与探索，2011，（4）：81-84.
Abstract：The problem of teaching practice is difficult to carry out in engineering majors in universities. In this paper，the necessity of building 3D printing course is analyzed. According to the current development at home and abroad，the method for developing the 3D printing experiment course is put forward.
Key words：universities；3D printing；experiment course