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高校创新创业教育3D打印技术研究

摘要:3D打印技术依靠先进的解决方案、庞大的市场需求、独特的技术优势,逐步广泛地应用于高校教育各细分领域。但是我国高校关于3D打印课程的教育体系尚未完善,研究出更适合学生的教育体系是当前的重要任务。文章以双创教育为背景,借助互联网平台,将3D打印技术与STEAM教育理念恰当融合,改进传统教育体系的不足,探索更适合学生成长的教育体系。最后,将此教学体系应用于高校,取得了良好成效。

关键词:创新创业教育;STEAM教育;3D打印技术;教学模式

一、引言

在人类社会不断发展过程中,创新扮演了重要的角色。2015年两会政府报告中,李克强总理提出要“把亿万人民的聪明才智调动起来,就一定能够迎来万众创新的新浪潮”。为此,一些高校遵循教育部的相关政策,加强创新创业(以下简称“双创”)人才的培养,理念和实践也在不断与时俱进,开始了“双创”探索[1]。

二、3D打印技术在“双创”中的角色

3D打印技术,即快速成型技术,它以数字模型文件为基础,运用金属或塑料来黏结材料,是一种通过逐层打印的方式来构造物体的技术。随着制造业的迅速发展,3D打印技术市场潜力巨大,成为衡量国家制造业是否发达的标志,被称为“具有工业革命意义的制造技术”[2]。作为一种综合性技术,3D打印涵盖机械基础、电子电工基础、机电控制技术、材料科学与化学等方面的综合知识,具有极高的科学技术水平。

三、我国3D打印技术人才培养现状

我国本科教育在3D打印技术和人才培养方面尚处于探索阶段,整体水平不高,在服务产业发展方面存在诸多问题,具体反映在如下方面。1.内容呆板乏味。纵观整个国内高校,尤其是一本类院校开设的3D打印课程,认知教育内容所占比重较小,主要强调操作过程、参数设置和概念讲解。学生在不了解3D打印技术的前提下,很难真正掌握3D打印技术,激发学习热情,故也难以对3D打印技术巨大的发展前景产生共鸣。2.教学形式单一。目前,由于教学用3D打印机配置比例较小,本科院校一般采用前期课堂理论教学加少量学时观摩3D打印的教学形式。极少数具有大规模3D打印实验室实训教学能力的学校,虽然能允许学生自主上机操作,但其打印对象往往来自网络的成熟模型或者是学生凭借兴趣设计的一些简单模型。由于市场经济及行业专家的参与度不够,学生对3D打印技术的真正魅力认识不足。3.实训目标与市场脱节。目前尚未与市场挂钩,或者说还没有形成市场驱动的3D打印教育实训模式。学生的3D打印作品,仅与自己的兴趣相关,而学生对自己的设计能力、作品价值缺乏清晰的认识。这使得学生空有创新创业的热情,而无法借助3D打印技术,进行有目的、有意义的创业创新训练。

四、基于STEAM教育理念的互联网+3D打印课程教学模式改革

针对上述局限性,湘潭大学“基于互联网技术的传统3D打印教学课程体系改革”省级教改项目课题组联合相关企业合作开发了“互联网+3D打印”教学管理系统。该教学管理系统利用网络平台执行相关课程和实践环节,为教师创建一个具体化、可操作的平台,让学生体验构思、设计、实现、运行过程的工程教育氛围,有利于教学活动的开展。1.可实现互动教学。学生在学习3D打印教程的初期阶段,须掌握3D打印课程的理论基础知识,教学管理平台配有相关课程和教学视频,指导教师可以利用该平台将教学内容推送到教室主屏、个人电脑、发言学生屏幕、制定小组屏幕及学生终端,学生亦可通过App同时访问屏幕内容。系统还提供对PPT讲义的现场反馈支持,教师可以把PPT讲义分发给学生,学生则对每一页PPT的学习效果做现场反馈。2.可实现分组教学。学生在学习3D打印技术的实训阶段,教学管理平台具有分组讨论、组内分享、组间共享以及多屏呈现等功能。分组讨论:在学生操作3D打印机之前,该平台可对学生无限制分组,并将不同3D打印模型任务分发给不同小组,学生任意选择加入或者退出小组。组内分享:该平台能拍摄每组讨论和操作流程情况,将高清音视频、多格式文件以及屏幕操作与组内成员讨论。3.可实现智能管理。该平台支持管理员预先导入或编辑学生花名册、教师账号信息,便于教师使用;教学管理人员、督导组教师可远程实时查看课堂教学情况;系统支持远程配置、监控和升级维护。

五、互联网+3D打印技术与STEAM教育理念融促机制研究初探

如何在“互联网+3D打印”教学管理系统中加强师生交流学习,激发学生学习兴趣,是本课程教学实践成功与否的关键所在[3,4]。考虑到STEAM理念(Sci-ence、Technology、Engineering、Art和Mathematics的缩写)倡导用跨学科的方法教授科学、技术、工程和数学方面的知识,引导学生不断更新专业知识,以适应快速变化的社会生活[3],因此,在教学实践中,教师应始终遵循STEAM教育理念。更重要的是,通过实现互联网+3D打印技术与STEAM教育理念的融合和促进,学生在主动参与和充分交流中激发研究与探索的兴趣,学习科学的思维方式与研究方法,体验“互联网+3D打印技术”的应用过程,培养创新意识与创新能力。该融促机制可抽象为“两融合”和“三层面”的建设,具体概述如下。(一)“两融合”“两融合”是核心基础,也是3D打印教学过程必不可少的一步,包括“互联网+3D打印技术”和“STEAM理念”两平台交叉融合,能及时解决传统3D打印在应用推广中遇到的困难与问题。一直以来,我们的传统教育理论性太强,难以激发学生兴趣,而且长期的应试教育降低学生的创新思维能力、想象力及创造力。(二)“三层面”3D打印设备普及化、3D打印场所基地化属于支撑层面范畴。2014年,学校投入专项经费,建立工程实训大楼,里面拥有3D打印基地和近200台3D打印设备与多媒体教学设备,以此作为学生的创新创意孵化中心。基地制定了完善的管理系统,向学生开放所有资源,保证项目人员的即时无障碍准入。3D打印学术讨论日常化、3D打印训练多样化、3D打印竞赛团队化、3D打印竞赛国际化属于运作层面范畴。

学校会不定期地举办3D打印学术沙龙和数量众多的跨学科讲座。跨学科讨论正与STEAM教育理念相契合,因为每门学科都蕴含丰富的资源。3D打印技术是一个使个人制作能力无限扩大的技术,可以生产出一些使用工具或者机器原型。当这些原型或者工具被投资生产时,就加了就业机会,具有极高的经济效益。以3D打印技术为基础,配合教学管理平台,让学生更加注重学习的过程,而不是学习结果,能激发学生的主动学习意识,增强学生的创新思维能力。

参考文献:

[1]唐德淼.高校创新创业教育现状与“双创”人才培养模式创新[J].当代教育实践与教学研究,2017(05):115-116+114.

[2]李昕.3D打印技术及其应用综述[D].2014.[3]王晶,宫凌勇.基于STEAM教育理念高校课堂教学模式改革新探[J].软件导刊(教育技术),2017,16(09):21-25.

作者:张魁 周友行 张高峰 张模蕴 陈睿 陈美良 单位:湘潭大学机械工程学院

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