3D打印技術(shù)的高校創(chuàng)新教育模式
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摘要:以新時期創(chuàng)新教育的特點(diǎn)為出發(fā)點(diǎn)，結(jié)合3d打印技術(shù)的特點(diǎn)與優(yōu)勢，提出基于3D打印技術(shù)的高校創(chuàng)新教育模式。從平臺建設(shè)、教學(xué)模式、校企合作以及經(jīng)費(fèi)支持等方面，對新時期下的3D打印技術(shù)與高校創(chuàng)新教育模式的融合進(jìn)行了理論分析和探討。與此同時，對安徽工程大學(xué)在創(chuàng)新教育工作中重點(diǎn)支持3D打印技術(shù)人才培養(yǎng)所采取的措施進(jìn)行了詳細(xì)闡述和舉例，這些方法與措施可與更多應(yīng)用型本科高校共同交流與學(xué)習(xí)。
關(guān)鍵詞:創(chuàng)新教育;3D打印技術(shù);培養(yǎng)思路;培養(yǎng)模式
隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，未來的競爭將是科技和人才的競爭，而科技和人才的根本在于教育，特別是高等教育，因此，任何一個國家都把如何提高高等教育的水平，培養(yǎng)高素質(zhì)和高能力的人才放在至關(guān)重要的位置。近年來，我國推出了一系列有關(guān)深化高等教育改革的文件，提出在注重大學(xué)生全面素質(zhì)培養(yǎng)的同時，需要根據(jù)社會發(fā)展的實(shí)際需求，加強(qiáng)創(chuàng)新能力與創(chuàng)新素質(zhì)的培養(yǎng)，因此，如何進(jìn)行創(chuàng)新教育、培養(yǎng)創(chuàng)新人才成為高校教育改革的主題。
1創(chuàng)新教育
1.1創(chuàng)新教育定義
創(chuàng)新教育，是建立在素質(zhì)教育和學(xué)生個性發(fā)展基礎(chǔ)上，以培養(yǎng)具有開創(chuàng)型個性的人才為目標(biāo)，培育適應(yīng)未來發(fā)展的創(chuàng)新型人才為目標(biāo)的高等教育模式，因此，創(chuàng)新教育應(yīng)當(dāng)將學(xué)生放在主導(dǎo)位置，鼓勵學(xué)生發(fā)揚(yáng)自己的主觀能動性，不斷增強(qiáng)創(chuàng)新素養(yǎng)［1，2］。
1.2創(chuàng)新教育特點(diǎn)
作為一種新興教育模式，創(chuàng)新教育是一種著眼于未來的教育模式，它的提出對高校的發(fā)展和人才的培養(yǎng)提出了更加嚴(yán)格的需求。根據(jù)建成創(chuàng)新型國家的指導(dǎo)方針，創(chuàng)新教育應(yīng)當(dāng)緊緊跟隨時代的步伐，因此，創(chuàng)新教育具有先進(jìn)性的特征。此外，創(chuàng)新教育要求改革傳統(tǒng)機(jī)械化的教學(xué)方式，提高實(shí)踐性教學(xué)比重，注重學(xué)生實(shí)踐動手能力的提升，讓學(xué)生在實(shí)踐中獲取書本上學(xué)不會，學(xué)不到的知識和能力，在實(shí)踐中讓學(xué)生切身體會到學(xué)習(xí)和創(chuàng)新的過程，只有在實(shí)踐中獲得的東西才是深刻的，才能提高學(xué)生的綜合素質(zhì)和能力，即，創(chuàng)新教育同時具備實(shí)踐性的特征［3－5］。
23D打印技術(shù)
2.13D打印技術(shù)定義
3D打印技術(shù)是一種以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，將模型分為若干層，通過打印材料的逐層堆積制造出實(shí)體物品的一種先進(jìn)制造技術(shù)。它是一種新的制造理念，以增材制造代替?zhèn)鹘y(tǒng)的減材制造方式。目前，該技術(shù)在醫(yī)療、航空航天、珠寶、工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑、教育、食品等領(lǐng)域都有了一定的應(yīng)用［6，7］。
2.23D打印技術(shù)的優(yōu)勢
作為一種先進(jìn)制造技術(shù)，3D打印技術(shù)最顯著的優(yōu)勢就是產(chǎn)品形狀的任意性和廣泛性，只要我們能夠想到的都可以在電腦中形成模型并通過3D打印機(jī)形成產(chǎn)品，因此，3D打印能使個人以專業(yè)為背景實(shí)現(xiàn)從想象到產(chǎn)品的個性化創(chuàng)造，滿足學(xué)習(xí)者對個性化設(shè)計(jì)的需求，這樣，3D打印技術(shù)能最大限度地促成學(xué)習(xí)者從消費(fèi)者到創(chuàng)造者的轉(zhuǎn)變。此外，由于3D打印技術(shù)是一種集機(jī)、電、光、控制及新材料于一體的跨學(xué)科的新技術(shù)，因此，對于3D打印技術(shù)的人才也提出了不同于普通加工技術(shù)的要求，要求技術(shù)人員不但會使用3D打印設(shè)備，還要掌握三維數(shù)據(jù)處理軟件、信息處理技術(shù)以及具備扎實(shí)的材料科學(xué)知識等，這也在一定程度上促進(jìn)了3D打印技術(shù)的學(xué)習(xí)者主動的去接觸這些跨學(xué)科的知識，從而提高自身的綜合知識和素質(zhì)［8，9］。
33D打印技術(shù)與高校創(chuàng)新教育的融合和模式探討
3.13D打印技術(shù)與高校創(chuàng)新教育模式的融合
高校創(chuàng)新教育的目的就是大力提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，全面提高人才創(chuàng)新能力，培育出引領(lǐng)未來學(xué)術(shù)前沿和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的學(xué)術(shù)精英和行業(yè)精英，促進(jìn)高校人才培養(yǎng)與科技、經(jīng)濟(jì)、社會緊密結(jié)合，不斷提高高校對建設(shè)創(chuàng)新型國家的貢獻(xiàn)度和支撐度。目前，我國正處于轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式、促進(jìn)工業(yè)轉(zhuǎn)型升級、實(shí)現(xiàn)信息化工業(yè)化深度融合的關(guān)鍵時期。為了使我國制造業(yè)在新一輪競爭中處于領(lǐng)導(dǎo)地位，應(yīng)加快數(shù)字化制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展，從而推動我國由“制造大國”向“制造強(qiáng)國”轉(zhuǎn)變。從上述3D打印技術(shù)的介紹可以看出，3D打印技術(shù)作為制造史上的巨大突破，對促進(jìn)工業(yè)轉(zhuǎn)型升級具有重要意義，因此，培養(yǎng)一批具有高素質(zhì)和高技能的3D打印技術(shù)專業(yè)人才顯得極為迫切。國內(nèi)高校可以以3D打印技術(shù)為切入點(diǎn)，建立相應(yīng)的平臺和機(jī)制，以培養(yǎng)出創(chuàng)新性人才來服務(wù)國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)為目的，深入貫徹創(chuàng)新教育方針，面向全體學(xué)生，結(jié)合專業(yè)特色，分類施教，強(qiáng)化實(shí)踐，促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和發(fā)展。
3.23D打印技術(shù)與高校創(chuàng)新教育模式探討
3.2.1加強(qiáng)平臺建設(shè)，做好服務(wù)工作
高校創(chuàng)新教育實(shí)踐平臺的建設(shè)要以大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺和創(chuàng)新課程體系為主，形成有特色的實(shí)踐教學(xué)模式。高校應(yīng)建設(shè)一批基于本校特色專業(yè)、面向?qū)ο髲V、集群式大學(xué)生綜合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室。這類創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室定位應(yīng)高于基礎(chǔ)或?qū)I(yè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室，為大學(xué)生科技創(chuàng)新實(shí)踐活動提供硬件條件支持。例如，建立以3D打印創(chuàng)意活動和各種學(xué)科競賽為主的綜合實(shí)驗(yàn)室，以小型個性化的文創(chuàng)產(chǎn)品為起點(diǎn)和以專業(yè)化產(chǎn)品組件為目標(biāo)的創(chuàng)新活動，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新創(chuàng)意的轉(zhuǎn)化。與此同時，鼓勵學(xué)生參與與3D打印相關(guān)的競賽，激發(fā)學(xué)生對3D打印技術(shù)的熱情，普及與促進(jìn)3D打印技術(shù)與專業(yè)的融合，提升學(xué)生的綜合素質(zhì)［10，11］。建設(shè)層次多樣、內(nèi)容豐富、方式靈活的3D打印技術(shù)創(chuàng)新課程體系。舉辦創(chuàng)新培訓(xùn)項(xiàng)目，通過學(xué)校創(chuàng)新實(shí)踐訓(xùn)練、社會專業(yè)培訓(xùn)機(jī)構(gòu)專題培訓(xùn)、用人單位現(xiàn)場實(shí)踐等多種方式，增強(qiáng)創(chuàng)新意識、能力和綜合素質(zhì)。根據(jù)創(chuàng)新教育的發(fā)展規(guī)律，聘請創(chuàng)新導(dǎo)師，組建一支由校內(nèi)專業(yè)技術(shù)教師、校友、海內(nèi)外企業(yè)家等構(gòu)成的多元化導(dǎo)師團(tuán)隊(duì)。構(gòu)建全方位信息服務(wù)平臺，通過微信、微博、網(wǎng)站等多種媒體資源，打造實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)、創(chuàng)新導(dǎo)師、學(xué)生管理系統(tǒng)等多個系統(tǒng)平臺，全面服務(wù)創(chuàng)新教育工作。
3.2.2深化多元化教學(xué)和考核方式
樹立“以學(xué)為中心”的教學(xué)觀念”，以學(xué)生為主體，推進(jìn)以小班教學(xué)為重點(diǎn)的啟發(fā)式、體驗(yàn)式、案例式等形式的教學(xué)方法改革，為感興趣的學(xué)生提供學(xué)習(xí)的機(jī)會和平臺。在此基礎(chǔ)上，可以在校內(nèi)選拔組建3D打印技術(shù)精英班，以興趣為主導(dǎo)，制定相應(yīng)的培養(yǎng)計(jì)劃，在入門基礎(chǔ)上進(jìn)一步掌握諸如軟件使用、逆向建模、模型切片等更為深入的知識與技術(shù)。與此同時，推動教師將有關(guān)3D打印技術(shù)的國際前沿學(xué)術(shù)發(fā)展、最新研究成果、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)等融入課程教學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的探索精神、創(chuàng)新思維與創(chuàng)造能力，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)靈感［12］。在理論學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，強(qiáng)化實(shí)踐性環(huán)節(jié)和，強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的探索性、綜合性、設(shè)計(jì)性、前沿性，強(qiáng)化在實(shí)驗(yàn)的探索性過程中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力。比如將實(shí)驗(yàn)室中某些用于展示和拆裝的教學(xué)模型，分配學(xué)生進(jìn)行測繪、建模和打印，并且將打印出來的零件進(jìn)行裝備和驗(yàn)證。如此反復(fù)，直至打印裝備出合格的模型［13］。新建或整合一批綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)課程，積極探索開發(fā)跨院系、跨學(xué)科、跨專業(yè)交叉的新實(shí)驗(yàn)課程，促進(jìn)實(shí)踐教學(xué)由學(xué)科專業(yè)單一型向多學(xué)科融合型轉(zhuǎn)變，可以將機(jī)、電和控制等專業(yè)的學(xué)生整合在一起，從設(shè)計(jì)并制造自己的3D打印機(jī)開始，不斷改進(jìn)3D打印機(jī)的功能和結(jié)構(gòu)，完成創(chuàng)新過程。制定多元考核模式，以素質(zhì)、能力培養(yǎng)為中心，以學(xué)習(xí)過程為主導(dǎo)的考核模式，促進(jìn)學(xué)生運(yùn)用知識分析、解決問題能力的提升。在已有的各類學(xué)科競賽、科研活動、創(chuàng)新訓(xùn)練、社會活動等轉(zhuǎn)換為學(xué)分的基礎(chǔ)上，探索將學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)納入學(xué)分認(rèn)定范疇［14，15］。
3.2.3加強(qiáng)校企合作
高校創(chuàng)新教育的過程中，企業(yè)承擔(dān)的角色非常重要，產(chǎn)學(xué)研合作教育的關(guān)鍵在于有效地實(shí)現(xiàn)對高校、科研院所、企業(yè)各自的互補(bǔ)性資源的整合與利用。隨著“中國制造2025”計(jì)劃的推出，國內(nèi)高端制造型企業(yè)數(shù)量和規(guī)模將迅速擴(kuò)大，企業(yè)對于創(chuàng)新性人才的需求急劇增加。高?？梢愿鶕?jù)社會和企業(yè)的需求，有針對性的重點(diǎn)開展工作?？梢愿鶕?jù)企業(yè)的人才需求建立“訂單式”人才培養(yǎng)班。學(xué)校和企業(yè)共建實(shí)訓(xùn)基地，完成部分課程理實(shí)一體化教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，使創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)與企業(yè)的直接需求相對接。3D打印技術(shù)企業(yè)根據(jù)自身需求，諸如在有原型產(chǎn)品制作、產(chǎn)品優(yōu)化升級等需求時，可在學(xué)校設(shè)立與3D打印技術(shù)相關(guān)的課題，并且提供資金、技術(shù)與人才的支持，引導(dǎo)學(xué)生從逆向工程出發(fā).這種交互性人才培養(yǎng)模式，一方面可以滿足企業(yè)的相關(guān)需求，另一方面也能讓學(xué)生在這種交互性人才培養(yǎng)的模式下更好地成長，最終實(shí)現(xiàn)為相關(guān)的企業(yè)輸送專業(yè)人才的目的［16－19］。
3.2.4完善經(jīng)費(fèi)支持體系
學(xué)校設(shè)立創(chuàng)新計(jì)劃專項(xiàng)資金，同時，鼓勵學(xué)院和個人向國家、地方、企業(yè)等渠道爭取經(jīng)費(fèi)，從而構(gòu)建多層次創(chuàng)新資金支持體系。統(tǒng)籌各項(xiàng)收入，優(yōu)化支出，將創(chuàng)新教育支出作為預(yù)算資金重要領(lǐng)域予以優(yōu)先保障。保障創(chuàng)新投入一定期間明顯高于一般性公用經(jīng)費(fèi)支出。圍繞學(xué)校創(chuàng)新教育戰(zhàn)略規(guī)劃，通過多層次安排預(yù)算資金，支持創(chuàng)新素質(zhì)教育基地建設(shè)、拔尖人才培養(yǎng)、教師隊(duì)伍建設(shè)、文化建設(shè)、教育教學(xué)研究、實(shí)踐訓(xùn)練和培訓(xùn)等教育教學(xué)建設(shè);支持學(xué)生開展創(chuàng)新項(xiàng)目研究、參與創(chuàng)新競賽等科技創(chuàng)新建設(shè)。
4本?；?D打印技術(shù)的創(chuàng)新教育實(shí)施策略
安徽工程大學(xué)是一所以工科為主的省屬多學(xué)科性高等院校和安徽省重點(diǎn)建設(shè)院校，坐落在國家級開放城市蕪湖。近年來，學(xué)校在以3D打印技術(shù)為載體的創(chuàng)新教育方面進(jìn)行了大量的工作［20］。
4.1積極搭建創(chuàng)新實(shí)踐平臺
成立創(chuàng)新學(xué)院，設(shè)立包括3D打印技術(shù)、大數(shù)據(jù)、機(jī)器人、新能源、創(chuàng)意設(shè)計(jì)、創(chuàng)新教育拓展中心為主的六個平臺，每個平臺專門安排一個專業(yè)教師負(fù)責(zé)，學(xué)校撥付專門的經(jīng)費(fèi)用于創(chuàng)新學(xué)院的建設(shè)和運(yùn)行。目前，學(xué)校專門為3D打印平臺安排了約500mm2的專用房間，且購置了一批桌面3D打印機(jī)、三維掃描儀等設(shè)備。
4.2優(yōu)化課程設(shè)計(jì)，提高創(chuàng)新能力
在全校范圍內(nèi)選拔優(yōu)秀的學(xué)生進(jìn)入3D打印創(chuàng)新平臺學(xué)習(xí)，對于入選中心的學(xué)員按照年級分類，特別是針對大一的學(xué)生在完成基礎(chǔ)課程之外將機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械原理、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等課程進(jìn)行適當(dāng)前移，讓學(xué)生在大二時就具備充足的專業(yè)知識儲備。大二以后鼓勵和引導(dǎo)這些學(xué)生積極參加各類學(xué)科競賽以及根據(jù)自己的興趣完成一些創(chuàng)新設(shè)計(jì)，目前已經(jīng)開展了諸如多噴頭3D打印機(jī)的研制、打印上色一體機(jī)的研制、多個簡單規(guī)則構(gòu)件同時成型打印機(jī)研制等。針對本校服裝設(shè)計(jì)特色專業(yè)，在無法實(shí)現(xiàn)整體打印的情況下，將設(shè)計(jì)的時裝進(jìn)行分段處理，完成打印后進(jìn)行拼接，最終實(shí)現(xiàn)時裝創(chuàng)意設(shè)計(jì)的可視化。
4.3強(qiáng)化校企產(chǎn)教深度合作
加強(qiáng)和企業(yè)合作，學(xué)校積極與安徽省春谷3D打印智能裝備產(chǎn)業(yè)園及其研究院合作，簽訂了一系列戰(zhàn)略合作協(xié)議，該產(chǎn)業(yè)園目前已經(jīng)有30多家3D打印類企業(yè)入駐。一方面，學(xué)校定期安排學(xué)生到產(chǎn)業(yè)園里的3D打印企業(yè)進(jìn)行參觀和學(xué)習(xí)，與各企業(yè)負(fù)責(zé)人面對面交流，了解生產(chǎn)過程，進(jìn)一步強(qiáng)化自身知識體系。與此同時，學(xué)校選派具有相關(guān)知識背景的青年教師到產(chǎn)業(yè)園及其研究院進(jìn)行掛職鍛煉，強(qiáng)化教師工程能力，開拓視野，以更好的將最新的知識傳播給學(xué)生。此外，學(xué)校鼓勵教師積極參加研究院每年暑假開展的為期兩周的專業(yè)培訓(xùn)。另一方面，企業(yè)也積極走入校園，在學(xué)校大力協(xié)助下，開展了一系列的有關(guān)3D打印技術(shù)的講座，同時，相關(guān)企業(yè)到學(xué)校參加宣講、招聘雙選會等，提高學(xué)生對3D打印的認(rèn)知度和社會對學(xué)校的認(rèn)可度，提高學(xué)生就業(yè)率。
4.4強(qiáng)化校企科研協(xié)同創(chuàng)新
強(qiáng)化項(xiàng)目合作，鼓勵學(xué)校老師在申報(bào)3D打印相關(guān)教研和科研項(xiàng)目的時候，注重和春谷3D打印智能裝備研究院的合作，合理利用研究院的設(shè)備和人員的經(jīng)驗(yàn)。在項(xiàng)目實(shí)施過程中鼓勵創(chuàng)新學(xué)院學(xué)生參與項(xiàng)目的研究，進(jìn)一步強(qiáng)化對創(chuàng)新學(xué)院學(xué)生的培養(yǎng)。目前，學(xué)校已經(jīng)聯(lián)合研究院共同申報(bào)并獲批了安徽省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、蕪湖市科技計(jì)劃等一系列科研項(xiàng)目。與此同時，針對3D打印企業(yè)在實(shí)際生產(chǎn)過程中遇到的問題，鼓勵專業(yè)老師積極參與并解決相關(guān)問題。目前，已經(jīng)和相關(guān)企業(yè)提出的激光3D打印過程中的溫度場、應(yīng)力場以及粉體的流動等問題的數(shù)值模擬開展了工作。
5結(jié)束語
以3D打印技術(shù)、機(jī)器人等為代表的新一輪技術(shù)革命正在如火如荼的進(jìn)行著，誰能把握機(jī)遇誰就能把握時代脈搏，走在世界前列。在高校創(chuàng)新教育中引入3D打印技術(shù)，不僅能讓學(xué)生對新技術(shù)有全面的認(rèn)識，而且通過學(xué)生參與創(chuàng)意設(shè)計(jì)、設(shè)備改造、程序編譯等活動推動學(xué)生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)和動手能力的培養(yǎng)，為國家在新一輪的技術(shù)變革中培養(yǎng)和儲備人才。目前，安徽工程大學(xué)在3D打印技術(shù)方面的創(chuàng)新教育工作已經(jīng)開展了近兩年的時間，期間取得了一些成績，同樣，也有很多有待進(jìn)一步調(diào)整和改進(jìn)的地方。作為學(xué)校3D打印技術(shù)平臺的專業(yè)負(fù)責(zé)人深深感到此工作的重要性與實(shí)施的艱難，希望以此為契機(jī)加強(qiáng)同類型、同層次的院校之間的聯(lián)系與經(jīng)驗(yàn)交流，共同提高創(chuàng)新教育水平，為國家培養(yǎng)更多優(yōu)秀的專業(yè)技術(shù)人才。
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作者:王剛 邢昌 蘇永生 朱協(xié)彬 單位:安徽工程大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院