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3D打印技术的高校创新教育模式

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发布日期:2018-05-15 13:31

摘要:以新时期创新教育的特点为出发点,结合3D打印技术的特点与优势,提出基于3D打印技术的高校创新教育模式。从平台建设、教学模式、校企合作以及经费支持等方面,对新时期下的3D打印技术与高校创新教育模式的融合进行了理论分析和探讨。与此同时,对安徽工程大学在创新教育工作中重点支持3D打印技术人才培养所采取的措施进行了详细阐述和举例,这些方法与措施可与更多应用型本科高校共同交流与学习。

关键词:创新教育;3D打印技术;培养思路;培养模式

随着全球经济的快速发展,未来的竞争将是科技和人才的竞争,而科技和人才的根本在于教育,特别是高等教育,因此,任何一个国家都把如何提高高等教育的水平,培养高素质和高能力的人才放在至关重要的位置。近年来,我国推出了一系列有关深化高等教育改革的文件,提出在注重大学生全面素质培养的同时,需要根据社会发展的实际需求,加强创新能力与创新素质的培养,因此,如何进行创新教育、培养创新人才成为高校教育改革的主题。

1创新教育

1.1创新教育定义

创新教育,是建立在素质教育和学生个性发展基础上,以培养具有开创型个性的人才为目标,培育适应未来发展的创新型人才为目标的高等教育模式,因此,创新教育应当将学生放在主导位置,鼓励学生发扬自己的主观能动性,不断增强创新素养[1,2]。

1.2创新教育特点

作为一种新兴教育模式,创新教育是一种着眼于未来的教育模式,它的提出对高校的发展和人才的培养提出了更加严格的需求。根据建成创新型国家的指导方针,创新教育应当紧紧跟随时代的步伐,因此,创新教育具有先进性的特征。此外,创新教育要求改革传统机械化的教学方式,提高实践性教学比重,注重学生实践动手能力的提升,让学生在实践中获取书本上学不会,学不到的知识和能力,在实践中让学生切身体会到学习和创新的过程,只有在实践中获得的东西才是深刻的,才能提高学生的综合素质和能力,即,创新教育同时具备实践性的特征[3-5]。

23D打印技术

2.13D打印技术定义

3D打印技术是一种以数字模型为基础,将模型分为若干层,通过打印材料的逐层堆积制造出实体物品的一种先进制造技术。它是一种新的制造理念,以增材制造代替传统的减材制造方式。目前,该技术在医疗、航空航天、珠宝、工业设计、建筑、教育、食品等领域都有了一定的应用[6,7]。

2.23D打印技术的优势

作为一种先进制造技术,3D打印技术最显著的优势就是产品形状的任意性和广泛性,只要我们能够想到的都可以在电脑中形成模型并通过3D打印机形成产品,因此,3D打印能使个人以专业为背景实现从想象到产品的个性化创造,满足学习者对个性化设计的需求,这样,3D打印技术能最大限度地促成学习者从消费者到创造者的转变。此外,由于3D打印技术是一种集机、电、光、控制及新材料于一体的跨学科的新技术,因此,对于3D打印技术的人才也提出了不同于普通加工技术的要求,要求技术人员不但会使用3D打印设备,还要掌握三维数据处理软件、信息处理技术以及具备扎实的材料科学知识等,这也在一定程度上促进了3D打印技术的学习者主动的去接触这些跨学科的知识,从而提高自身的综合知识和素质[8,9]。

33D打印技术与高校创新教育的融合和模式探讨

3.13D打印技术与高校创新教育模式的融合

高校创新教育的目的就是大力提高人才培养质量,全面提高人才创新能力,培育出引领未来学术前沿和社会经济发展的学术精英和行业精英,促进高校人才培养与科技、经济、社会紧密结合,不断提高高校对建设创新型国家的贡献度和支撑度。目前,我国正处于转变经济发展方式、促进工业转型升级、实现信息化工业化深度融合的关键时期。为了使我国制造业在新一轮竞争中处于领导地位,应加快数字化制造产业发展,从而推动我国由“制造大国”向“制造强国”转变。从上述3D打印技术的介绍可以看出,3D打印技术作为制造史上的巨大突破,对促进工业转型升级具有重要意义,因此,培养一批具有高素质和高技能的3D打印技术专业人才显得极为迫切。国内高校可以以3D打印技术为切入点,建立相应的平台和机制,以培养出创新性人才来服务国家战略性新兴产业为目的,深入贯彻创新教育方针,面向全体学生,结合专业特色,分类施教,强化实践,促进学生创新能力的培养和发展。

3.23D打印技术与高校创新教育模式探讨

3.2.1加强平台建设,做好服务工作

高校创新教育实践平台的建设要以大学生创新实验平台和创新课程体系为主,形成有特色的实践教学模式。高校应建设一批基于本校特色专业、面向对象广、集群式大学生综合创新实验室。这类创新实验室定位应高于基础或专业教学实验室,为大学生科技创新实践活动提供硬件条件支持。例如,建立以3D打印创意活动和各种学科竞赛为主的综合实验室,以小型个性化的文创产品为起点和以专业化产品组件为目标的创新活动,实现创新创意的转化。与此同时,鼓励学生参与与3D打印相关的竞赛,激发学生对3D打印技术的热情,普及与促进3D打印技术与专业的融合,提升学生的综合素质[10,11]。建设层次多样、内容丰富、方式灵活的3D打印技术创新课程体系。举办创新培训项目,通过学校创新实践训练、社会专业培训机构专题培训、用人单位现场实践等多种方式,增强创新意识、能力和综合素质。根据创新教育的发展规律,聘请创新导师,组建一支由校内专业技术教师、校友、海内外企业家等构成的多元化导师团队。构建全方位信息服务平台,通过微信、微博、网站等多种媒体资源,打造实验室管理系统、创新导师、学生管理系统等多个系统平台,全面服务创新教育工作。

3.2.2深化多元化教学和考核方式

树立“以学为中心”的教学观念”,以学生为主体,推进以小班教学为重点的启发式、体验式、案例式等形式的教学方法改革,为感兴趣的学生提供学习的机会和平台。在此基础上,可以在校内选拔组建3D打印技术精英班,以兴趣为主导,制定相应的培养计划,在入门基础上进一步掌握诸如软件使用、逆向建模、模型切片等更为深入的知识与技术。与此同时,推动教师将有关3D打印技术的国际前沿学术发展、最新研究成果、实践经验等融入课程教学内容,培养学生的探索精神、创新思维与创造能力,激发学生的创新创业灵感[12]。在理论学习的基础上,强化实践性环节和,强化实验内容的探索性、综合性、设计性、前沿性,强化在实验的探索性过程中培养学生的创新实践能力。比如将实验室中某些用于展示和拆装的教学模型,分配学生进行测绘、建模和打印,并且将打印出来的零件进行装备和验证。如此反复,直至打印装备出合格的模型[13]。新建或整合一批综合性、设计性实验课程,积极探索开发跨院系、跨学科、跨专业交叉的新实验课程,促进实践教学由学科专业单一型向多学科融合型转变,可以将机、电和控制等专业的学生整合在一起,从设计并制造自己的3D打印机开始,不断改进3D打印机的功能和结构,完成创新过程。制定多元考核模式,以素质、能力培养为中心,以学习过程为主导的考核模式,促进学生运用知识分析、解决问题能力的提升。在已有的各类学科竞赛、科研活动、创新训练、社会活动等转换为学分的基础上,探索将学生的创新实验纳入学分认定范畴[14,15]。

3.2.3加强校企合作

高校创新教育的过程中,企业承担的角色非常重要,产学研合作教育的关键在于有效地实现对高校、科研院所、企业各自的互补性资源的整合与利用。随着“中国制造2025”计划的推出,国内高端制造型企业数量和规模将迅速扩大,企业对于创新性人才的需求急剧增加。高校可以根据社会和企业的需求,有针对性的重点开展工作。可以根据企业的人才需求建立“订单式”人才培养班。学校和企业共建实训基地,完成部分课程理实一体化教学和实践教学环节,使创新型人才的培养与企业的直接需求相对接。3D打印技术企业根据自身需求,诸如在有原型产品制作、产品优化升级等需求时,可在学校设立与3D打印技术相关的课题,并且提供资金、技术与人才的支持,引导学生从逆向工程出发.这种交互性人才培养模式,一方面可以满足企业的相关需求,另一方面也能让学生在这种交互性人才培养的模式下更好地成长,最终实现为相关的企业输送专业人才的目的[16-19]。

3.2.4完善经费支持体系

学校设立创新计划专项资金,同时,鼓励学院和个人向国家、地方、企业等渠道争取经费,从而构建多层次创新资金支持体系。统筹各项收入,优化支出,将创新教育支出作为预算资金重要领域予以优先保障。保障创新投入一定期间明显高于一般性公用经费支出。围绕学校创新教育战略规划,通过多层次安排预算资金,支持创新素质教育基地建设、拔尖人才培养、教师队伍建设、文化建设、教育教学研究、实践训练和培训等教育教学建设;支持学生开展创新项目研究、参与创新竞赛等科技创新建设。

4本校基于3D打印技术的创新教育实施策略

安徽工程大学是一所以工科为主的省属多学科性高等院校和安徽省重点建设院校,坐落在国家级开放城市芜湖。近年来,学校在以3D打印技术为载体的创新教育方面进行了大量的工作[20]。

4.1积极搭建创新实践平台

成立创新学院,设立包括3D打印技术、大数据、机器人、新能源、创意设计、创新教育拓展中心为主的六个平台,每个平台专门安排一个专业教师负责,学校拨付专门的经费用于创新学院的建设和运行。目前,学校专门为3D打印平台安排了约500mm2的专用房间,且购置了一批桌面3D打印机、三维扫描仪等设备。

4.2优化课程设计,提高创新能力

在全校范围内选拔优秀的学生进入3D打印创新平台学习,对于入选中心的学员按照年级分类,特别是针对大一的学生在完成基础课程之外将机械设计、机械原理、计算机控制系统等课程进行适当前移,让学生在大二时就具备充足的专业知识储备。大二以后鼓励和引导这些学生积极参加各类学科竞赛以及根据自己的兴趣完成一些创新设计,目前已经开展了诸如多喷头3D打印机的研制、打印上色一体机的研制、多个简单规则构件同时成型打印机研制等。针对本校服装设计特色专业,在无法实现整体打印的情况下,将设计的时装进行分段处理,完成打印后进行拼接,最终实现时装创意设计的可视化。

4.3强化校企产教深度合作

加强和企业合作,学校积极与安徽省春谷3D打印智能装备产业园及其研究院合作,签订了一系列战略合作协议,该产业园目前已经有30多家3D打印类企业入驻。一方面,学校定期安排学生到产业园里的3D打印企业进行参观和学习,与各企业负责人面对面交流,了解生产过程,进一步强化自身知识体系。与此同时,学校选派具有相关知识背景的青年教师到产业园及其研究院进行挂职锻炼,强化教师工程能力,开拓视野,以更好的将最新的知识传播给学生。此外,学校鼓励教师积极参加研究院每年暑假开展的为期两周的专业培训。另一方面,企业也积极走入校园,在学校大力协助下,开展了一系列的有关3D打印技术的讲座,同时,相关企业到学校参加宣讲、招聘双选会等,提高学生对3D打印的认知度和社会对学校的认可度,提高学生就业率。

4.4强化校企科研协同创新

强化项目合作,鼓励学校老师在申报3D打印相关教研和科研项目的时候,注重和春谷3D打印智能装备研究院的合作,合理利用研究院的设备和人员的经验。在项目实施过程中鼓励创新学院学生参与项目的研究,进一步强化对创新学院学生的培养。目前,学校已经联合研究院共同申报并获批了安徽省重点研发计划、芜湖市科技计划等一系列科研项目。与此同时,针对3D打印企业在实际生产过程中遇到的问题,鼓励专业老师积极参与并解决相关问题。目前,已经和相关企业提出的激光3D打印过程中的温度场、应力场以及粉体的流动等问题的数值模拟开展了工作。

5结束语

以3D打印技术、机器人等为代表的新一轮技术革命正在如火如荼的进行着,谁能把握机遇谁就能把握时代脉搏,走在世界前列。在高校创新教育中引入3D打印技术,不仅能让学生对新技术有全面的认识,而且通过学生参与创意设计、设备改造、程序编译等活动推动学生创新思维的培养和动手能力的培养,为国家在新一轮的技术变革中培养和储备人才。目前,安徽工程大学在3D打印技术方面的创新教育工作已经开展了近两年的时间,期间取得了一些成绩,同样,也有很多有待进一步调整和改进的地方。作为学校3D打印技术平台的专业负责人深深感到此工作的重要性与实施的艰难,希望以此为契机加强同类型、同层次的院校之间的联系与经验交流,共同提高创新教育水平,为国家培养更多优秀的专业技术人才。

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作者:王刚 邢昌 苏永生 朱协彬 单位:安徽工程大学机械与汽车工程学院

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