机电产品创新在机电类专业本科创新教育中的探索

摘要：培养创新型人才是目前本科教育的重要问题之一。本文以3D打印机开发为例，从创新项目涉及的机械设计、材料加工、程序开发、电子与控制等专业知识方面，阐述了机电产品创新在机电类专业本科生创新教育中的作用。并提出了建立机电类创新实验平台的构想，为学生创造更大的实践创新空间。

关键词：创新教育；机电产品创新；3D打印技术

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）26-0063-02

一、前言

作为本科生教育的紧迫课题，提高本科生的教育质量已成为时代的强音，其中创新体系的构建一直是国家高等教育发展的一个重要内容，培养大学生的创新能力，已经成为提高人才培养质量的重大举措[1，2]。由于传统高等教育在本科人才培养中存在实践能力和创新精神不足的问题，尤其在制造业，由于创新人才的缺乏，一些关键技术严重落后于西方国家，这严重阻碍了我国经济的进步发展。因此，进一步加强本科生的创新教育，突出学生创新能力的培养，积极探索培养高素质创造性人才的途径和方法，在高校教育教学改革中必须引起足够的重视。

众所周知，实践是创新的源泉。目前，机电类专业本科毕业生普遍存在学习过程中实践机会少的问题，只能通过课堂授课、少量的实验以及实习单位的参观实习去掌握专业内容，知识的运用能力、设计能力与创新思维能力得不到提高。而机电产品创新融合了机械、控制、加工等方面的专业知识，为本科学习阶段知识的运用提供了很好的平台。本文就以FDM（熔融挤出）型3D打印机开发为例，阐述机电产品创新在山东科技大学机制系材料成型专业本科生创新教育方面的作用。

早在20世纪80年代中期，美国科学家就发明了3D打印机。随着科学技术的发展和社会的进步，3D打印机的发展速度前景更加广阔，更加独特，而且技术越加多样化和独特。基于FDM（熔融沉积）的3D打印[3]是一门集图形图像学、机械、材料成型、电子控制、软件与网络信息等于一身的综合性技术，在成功掌握了高分子材料挤出理论知识的同时，必须再配合机械与传动机构、上位机控制和下位机控制软硬件开发工作，而这些工作正是机械设计理论、材料成型、电子控制、计算机技术的综合应用。以材料成型及控制工程专业学生为例，虽然其主要专业课程内容为高分子材料与金属的成型加工，但机械设计、电子控制与计算机技术仍然是与其今后工作密切相关的知识，因此学生在产品创新中不但能把本专业的知识运用到产品设计中，并且还可以把相关知识在实践中进一步学习，为今后从事产品研发工作打下扎实的基础。

二、机械设计的理论实践

FDM型打印机就好比一台小型的加工中心，只是把刀具换做打印喷头，以增材制造的方式加工零件。以delta型打印机为例，其机械机构采用并联臂机器人的运动方式，打印过程中将圆柱坐标转换为笛卡尔坐标数据，其本身的结构与运动形式就是一个典型的机械设计理论应用。在打印机的传动系统中，包括了皮带传动与螺纹传动，这些知识在材料成型及控制工程等专业的本科教学中均会学习到，而在整套打印机的设计、采购与装配过程中，学生可以将所学过的机械设计的理论知识加以练习、验证，极大地提高了学生的学习兴趣和积极性，同时创新思维的能力得到了提升，一些新的运动结构与连接方式不断地被参与产品设计的同学提出并最终实现。

三、材料成型理论实践

3D打印机有多种不同的技术，可用许多不同的常用材料。如：尼龙、不锈钢以及许多金属材料。而FDM型3D打印耗材以热塑性工程塑料为主，目前已经开发出多种可用的耗材，其中包括ABS、PLA、PEEK、HIPS、PA、PC等，而且各种新材料、新性能的材料在源源不断地开发出来。而打印材料的流动能力、力学性能是决定其打印质量和工件性能的主要因素，这些内容与材料成型及控制工程专业知识息息相关。3D打印机中熔融挤出头同样是3D打印机的关键部件，挤出头的结构与加热方案直接决定着材料的挤出流动性，从而根本上影响着打印工件的质量，因此这就需要应用高分子挤出理论对打印头结构进行优化设计，开发新型的打印头，以满足不断更新耗材的需求。在挤出头的设计中，需要应用高分挤出模具的设计理论，同时可以借助有限元分析软件，模拟不同结构挤出头对材料流动性的影响，以此来指导挤出头的结构设计。

四、电子控制部分的创新拓宽了专业知识

3D打印机的电子控制部分一般由主控电路、步进电机与驱动电路、加热管、热电偶、热床组成。主控电路将处理后的3D模型文件（G代码）转换成X、Y、Z轴和喷头供料的步进电脉冲数据，交给4个步进电机控制电路进行控制，然后让步进电机控制电路控制工件输出基板的X-Y平面移动、喷头的垂直移动和喷头供料的速度，比较精确地让高温喷头将原料融化后一层一层地喷在工件输出基板上，形成最终的实体模型。

目前的开源3D打印机都使用Arduino作为主控平台，Arduino是一款便捷灵活、方便学习的开源电子原型平台。其开发语言和开发环境都很简单，对于高校大学生来讲更加容易理解掌握。在控制部分，应用了大量的控制理论与电子知识，并且随着3D打印机的功能与结构形式越来越多，传统的开源电路板已经远远不能满足需要，因此在开源控制板的基础上进行扩展接口以及固件程序的开发显得尤为重要，学生在产品创新设计中不但学习了一些开源电路板的应用，而且往往能根据需求开发出新的控制板与固件程序。

五、控制程序开发加强了计算机技术的学习

3D打印技术的发展离不开配套控制软件（上位机软件）的开发。上位机完成打印数据处理和总体控制任务，包括从CAD模型生成符合快速打印成型工艺特点的数据信息；设置打印参数信息；对打印成型情况进行监控并接收运动参数的反馈，必要时通过上位机对成型设备的运动状态进行干涉的功能；实现人机交互，提供打印成型进度的实时显示；提供可选加工参数询问，满足不同材料和加工工艺的要求。几个著名的开源打印控制软件如Repetier-Host、cura、pronterface等极大地促进了桌面型熔融挤出3D打印机技术的研究与推广，但随着一些软件停止开放源代码，自主开发新功能成为不可避免的问题。上位机软件可由C语言、C#以及其他的编程软件编写，学生以利用C语言程序设计课程中的相关知识，在源代码的基础上充分创新进行开发，从枯燥的书本学习到实际的功能性程序开发，极大地提高了学习兴趣和效率。

六、总结

总之，机电产品创新项目涉及了材料成型及控制工程、机械设计制造及其自动化、机械电子工程、过程装备与控制工程专业、测控技术与仪器专业等相关专业。参与机电产品创新活动，提高了学生对专业知识的应用能力，使学生综合运用所学知识解决实际问题的能力得到了明显提高。同时，参与创新活动，使学生认识到了在进行研究工作时，自己在某些基础理论知识方面的欠缺和不足，认识到了基础理论知识的重要性，从而有力地激发了对理论课的学习兴趣，提高课堂效率和学生的学习积极性。另外，通过参与指导学生创新工作，促进了教师与学生之间的互动，学生在课堂知识、专业技术等方面，更积极地与教师交流，课堂出勤率与学习成绩得到了明显提高。目前，山东科技大学材料成型及控制工程专业有很多学生加入到了与3D打印相关的机电产品创新项目中，并且在山东省高校机电产品创新大赛中崭露头角。

以先进产品技术为导向的实验教学平台成为创新型教学的一种趋势[4，5]，并且通过与高新技术企业进行合作，例如：让学生参与到企业的实际操作环节，或者聘请企业的有经验的高级工程师到学校对学生进行指导。这样，使学生在高校学习期间就获得了企业的实战型教学与培训的机会，学生可以迅速地进入工程师角色，为即将面临的就业打好坚实的基础。为了让更多的机电类专业学生参与到创新项目中，山东科技大学机械电子工程学院基于3D打印技术机电产品创新实验室也在积极筹备中。

机电行业作为国民经济发展中的基础性行业之一，需要更多的创新人才加入到国家建设的大军中。这就需要社会企业和高校共同努力，建立机电产品创新实验平台，是一条把学生塑造成为一名优秀创新人才的有效途径，为学生在今后的工作中有所作为，走向事业的巅峰奠定了坚实的基础。

参考文献：

[1]施章清.创新教育与创新人才的培养[J].黑龙江高教研究，1999，（3）：50-53.

[2]张敏，秦霞.培养本科生科技创新能力的实践探索[J].西南农业大学学报：社会科学版，2008，6（3）：168-170.

[3]E. Canessa，C.Fonda，M.Zennaro.Low-cost 3D Printing for Science，Education & Sustainable Development[M].ICTP Trieste，Italy，2013.

[4]尹仕，肖看.构建大学生多学科竞赛平台培养新型拔尖人才[J].实验技术与管理，2009，26（5）：121-124.

[5]蒙艳玫，卢福宁，唐治宏，等.基于PROJECT BUS驱动的机械类本科生创新能力培养[J].实验室研究与探索，2014，33（2）：194-198.

[6]曾德高，关方方.“两化”背景下工科院校经营管理类人才培养模式研究[J].现代商贸工业，2012，（01）.