3D打印技术在增殖工程与海洋牧场实验教学中的应用
盛化香 唐衍力 黄六一 温海深
[摘 要]文章针对增殖工程与海洋牧场实验教学中存在的问题，结合课堂教学与实践经验，提出引进3D打印技术改革实验教学的新思路。文章首先介绍3D打印技术的原理和特点，然后围绕3D打印技术与材料、教学内容、教学方式和考核形式等方面进行探讨与创新，建立以学生为中心，从人工鱼礁模型设计到3D打印制造再到模型进一步优化的综合实验教学模式。实践表明，3D打印技术的应用可以激发学生的学习主动性，提高学生的空间想象能力，提高学生分析问题、解决问题的能力，进而提高本课程的综合教学效果。
[关键词]3D打印技术;实验教学;人工鱼礁;海洋牧场
[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2021）06-0074-03
增殖工程与海洋牧场是海洋渔业科学与技术专业的必修课，也是水产养殖专业和海洋资源与环境专业的选修课。其内容主要依据人工鱼礁的集鱼机理，着力阐述和介绍人工鱼礁材料的种类和性能、人工鱼礁区的本底调查与选址、礁体结构与水动力学特性、人工鱼礁的工程设计和结构优化，以及人工鱼礁生物附着和增殖效果评价等内容，是一门理论与实践紧密结合的专业课。其要求学生既要具备一定的工程学方面的基础理论，也需要掌握一定的生物学和鱼类学知识。
增殖工程与海洋牧场实验教学是本课程的重要組成部分，要求学生设计、制作人工鱼礁模型，并结合水阻力实验、流场实验以及鱼类诱集实验来评价模型性能，并进一步优化模型。传统教学中存在的问题有以下几个方面。1.人工鱼礁模型制作是由教师指定形状与结构，然后由学生手工切割有机玻璃板，通过电钻进行打孔，再进行黏合制作。整个过程费时费力，制作的鱼礁模型结构简单、精度较低，无法培养学生的创新性。2.传统实验教学模式是教师向学生讲授实验原理、操作步骤和注意事项，学生按部就班地完成实验任务。这种被动式的学习，无法激发学生的兴趣和创新能动性。3.鱼礁模型制作精度不高，后续水阻力实验、流场实验和生物诱集实验也受影响，无法达到优化的目的。4.考核方式简单，没有综合考虑其他因素，无法调动学生学习的积极性。5.实验教学效果不好，没有调动学生的创新主动性，没有提高学生分析问题和解决问题的能力，不利于培养学生的综合素质[1]。
3D打印技术，又名增材制造（additive manufacturing，AM）技术，作为一种新兴技术，其在高校创新教育领域中的应用也备受重视。中国工业和信息化部于2017年12月发布的《增材制造产业发展行动计划（2017-2020年）》明确指出，要实施学校增材制造技术普及工程，鼓励增材制造技术在教育领域推广，配置增材制造设备及教学软件，开设增材制造知识培训课程，建立增材制造实验室，培养学生创新设计的兴趣、爱好、意识。美国、英国等国的相关部门很早就开展针对3D打印技术的试验项目，将3D打印技术应用到工程技术等相关课程中，探索3D打印技术的教学应用，推动教学创新，激发学生对工程、设计和科学相关课程的兴趣，培养工程人才 [2-3]。本文通过将3D打印技术应用于增殖工程与海洋牧场实验教学中，探讨适合本课程的打印技术和材料，优化教学内容，改进教学方式，完善考核程序，以提高教学质量和教学效果。
一、3D打印技术简介
3D打印技术是一项发源于20世纪80年代集机械、计算机、数控和材料于一体的先进制造技术[4]，其基本原理是根据三维实体零件经切片处理获得的二维截面信息，以点、线或面作为基本单元进行逐层堆积制造，最终获得实体零件或模型[5]。增材制造区别于传统的减材（如切削加工）和等材（如锻造）制造方法，是在计算机的控制下，逐层堆积或固化材料，最终制造出立体工件，可以实现传统方法无法或很难达到的复杂结构零件的制造，具有智能化、定制化、生态化和高效快速等特点[6]，已广泛应用于食品、服装、家具、医疗、建筑、教育等领域[7]。
3D打印的制造技术根据打印原理和材料的不同可以分为几类：熔融沉积成型（Fused Deposition Modeling，FDM）、光固化成型技术（Stereo Lithography Apparatus，SLA）、选择性激光烧结（Selecting Laser Sintering，SLS）、数字化光处理（Digital Light Processing，DLP）、三维喷涂黏结（Three Dimensional Printing and Gluing，3DPG）、3D喷墨技术（Ployjet）技术等， 其在打印的材料、精度、速度等方面存在不同特点[8]。
二、3D打印技术在本实验教学中的应用
（一）选择3D打印技术与耗材
熔融沉积成型（FDM）是目前比较成熟的3D打印技术，以各种丝材作为原料，通过电加热的方式将丝材在喷头内加热到橡胶态，喷头在计算机的控制下作平面运动，根据分层数据，将熔融的丝材从喷头中挤出涂覆在工作台上，熔融的丝材料冷却固化后形成打印件的一个薄层截面。当一层固化结束后，喷头向上移动一层的高度，继续按照分层数据进行该层的涂覆，如此重复直至零件全部堆叠完成。FDM技术被广泛用于产品设计开发过程中的模型制作上，其原材料主要是生产级别热塑性丝状塑料，成型件的力学性能相当于工程塑料或者蜡模，具有优秀的机械、耐热性和化学强度，可用于制造蜡模、塑料零件、模型或者产品样件等[9]。
丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料（ABS）和聚乳酸（PLA ）是FDM 技术最常用的耗材，因价格便宜而十分普及。ABS 是常见的工程塑料，具有较好的机械性能，但3D打印条件要求苛刻，在打印过程中容易翘曲变形，且易产生刺激性气味。PLA 是可降解环保塑料，打印性能较好，是一种较为理想的3D打印热塑性聚合物，已广泛应用于教育、医疗、建筑、模具设计等行业[5]。
实践证明，使用PLA打印的模型，拉伸变形均匀，具有良好的力学性能[10]。在保证3D打印力学性能的情况下，可以设置填充率为20%～40%，且为同心线填充，进行FDM工艺成型，这样既节省材料、时间和费用，又能得到较好的成型模型[11]。在增殖工程与海洋牧场实验教学中，3D打印技术选择FDM，材料选择PLA，可以很好地制作人工鱼礁模型，能够满足水动力学实验，符合实验教学的要求。
（二）改革教学内容
在增殖工程与海洋牧场传统实验教学中，学生以有机玻璃作为材料，利用勾刀进行切割，再利用台式钻机进行打孔，最后进行粘合成鱼礁模型。由于材料和工具的限制，学生制作的人工鱼礁模型形状和结构比较固定和单一，可选择的空间很小，而且制作出来的模型精度较低，且费时费力，局限性较大。学生在整个实验过程中是被动学习，积极性不高，导致实验教学效果较差。
3D打印技术操作简单，对于实验室环境条件要求较低，可实现快速、精细地打印人工鱼礁模型。通过3D打印技术，可将设计的人工鱼礁模型的外观和结构进行快速的实体呈现，以方便进行结构确认、功能验证、后续优化等相关实验。
教师可以在实验教学中应用3D打印技术，开展教学活动，引导学生学习与了解3D打印的基本原理和基础知识，让学生掌握三维模型的创建和Cura 15切片软件的使用，让学生熟悉3D打印机的操作步骤，利用专业知识设计人工鱼礁模型，最终打印出自己设计的人工鱼礁模型。
在教学活动中，3D打印过程分为5个步骤：设计、建模、格式转换、打印和后处理[12-13]。1.设计：根据实验目的和要求，利用已学专业知识，设计出具有良好水动力性能和生物性能的人工鱼礁模型。2.建模：在计算机上，使用Solidworks、AutoCAD等三维建模软件把设计好的人工鱼礁模型绘制出来，或者利用三维扫描仪对已有的实验模型进行扫描，直接生成三维模型数据。3.格式转换：将三维模型转化为STL格式文件，使用Cura 15进行切片将生成Gcode代码，期间可以设置分层厚度为350μm、喷头温度为210℃、打印速度为70mm/s时，3D打印模型在垂直层面方向可以得到较高的压缩力学性能[14]。4.打印：将Gcode代码载入3D打印机进行打印。在打印区域内，喷头沿着由Gcode代码给出的图层数据，进行一层一层由下到上的打印。打印时间由工件大小、打印方式、材料、精度决定。5.后处理：打印后的工件会存在多余支撑、毛刺等问题，需要进行清洁和打磨，打磨后可使工件达到精度的要求，从而完成工件。
3D打印机制做出的人工鱼礁模型，凭借其较好的整体性和较高的精度，可以结合后续的水阻力实验、流场实验以及鱼类诱集实验等实验，获取相关实验参数。通过使用层次分析法对相关实验参数进行权重分析，以此来综合评估人工鱼礁模型的水动力性能和生物学性能。通过对比分析不同鱼礁模型的优缺点，可以优化人工鱼礁模型性能，进一步设计更好的鱼礁模型。3D打印技术为人工鱼礁的设计、创新和优化提供了方便、快捷、精确的手段。
（三）改善教学方式
海洋渔业科学与技术专业的学生，都修过渔业工程CAD课程，具备很好的图形设计与绘图能力。为此，可以让学生自行分组，一般4～5人为一组，要求学生利用增殖工程与海洋牧场教学课堂中学习到的理论知识，以及相关的生物学和流体力学等专业知识来设计鱼礁模型，如鱼礁模型的结构、水动力性能（水阻力、流场效应）以及对鱼类诱集效果等，发挥学生的创新能力。课程要求每人均要完成1个鱼礁模型的设计与3D图形绘制，这样可以保证每一位学生都参与到设计与绘制的过程当中，充分调动学生的积极性，避免有些学生只是在一旁观望的现象。
小组每个成员在完成各自的模型设计与绘制之后，由小组成员和指导教师一起对鱼礁模型进行点评讨论，选出最优模型，直接在课堂上通过3D打印机打印出来，以备后续实验使用。学生在运用专业知识来設计与创作鱼礁模型就是理论知识的实践化，这进一步提高了学生的创新能力。这种小组合作的方式增加了学生间的沟通，在点评讨论小组的最优鱼礁模型中引入了学生间的竞争，这种方式不仅弥补了个人设计的缺陷，还激发了学生创作的热情。
（四）改变考核形式
实验结束时，学生要完成人工鱼礁模型设计、优化的实验报告书，包括设计图纸、说明书、模型优化参数等。由指导教师评定成绩，成绩以百分制记分，考核内容包括：1.人工鱼礁模型结构形式、几何形状的合理性，图纸的展示效果;2.教师评价，通过问答考核学生对设计理论的熟悉程度，对设计过程的掌握程度;3.学生小组间互评和学生小组内自评;4.检查3D打印机打印人工鱼礁模型的过程和质量;5.检查人工鱼礁模型后续实验数据;6.检查人工鱼礁模型的水动力性能及生物性能，并查看优化参数及建议;7.考核实验报告是否符合要求。指导教师对每一部分分别进行评分，最后以每一部分的分数之和作为综合实验成绩。
三、教学实践应用及效果
增殖工程与海洋牧场实验教学要求学生系统掌握人工鱼礁的功能、结构组成、水动力性能、流场分布及集鱼效果等，从而形成专业的海洋工程思维意识、模型效果分析基本能力。实践证明，将3D打印技术应用到增殖工程与海洋牧场实验教学中，能够让学生受益匪浅，大大提高了实验效果。
1.将3D打印技术应用到增殖工程与海洋牧场实验教学中，能让学生掌握行业前沿技术的发展和应用。3D打印技术综合了数字建模技术、三维扫描技术、机电控制技术、信息技术、材料科学与化学等诸多方面的前沿技术知识，具有很高的科技含量[4]。将3D打印技术应用到增殖工程与海洋牧场实验教学中，不仅可以让学生掌握3D打印技术，还可以让学生及时掌握行业前沿技术的发展和应用，从而拓宽学生的视野、提高学生的学习兴趣。
2.提高学生的专业实践能力。3D打印技术的实验教学，能够让学生将所学的专业理论知识与实践相结合，让学生将专业设计理念和模型制作快速地融会贯通，将设计方案迅速地转化成现实的实物。学生通过完成一个鱼礁模型的设计与制作，并结合后续的相关实验，可对模型设计的相关参数进行评估与优化，这能提高学生的专业实践能力。
3.培养学生的综合创新能力。3D打印技术不仅解放了学生的双手，开阔了学生的视野，拓宽了学生的思维空间，调动了学生学习的主动性，而且提高了学生分析问题、解决问题的能力，强化了课堂互动效果，锻炼了学生的动手能力和综合创新能力，达到了本课程设置的学习效果与意义。
四、结语
教育信息化和教育装备现代化是教育现代化的两大重要支柱。3D 打印技术教育既关联着教育装备建设，又关联着教育信息化的推进，是教育信息化和教育装备建设相互结合的典型代表，也是未来教育的发展方向[15]。3D打印技术教学与增殖工程与海洋牧场实验教学相结合，能够让学生对创新设计、数字建模、3D打印制作和人工鱼礁模型优化设计等过程有更全面的学习和认识，也取得了很好的教学效果。
[ 参 考 文 献 ]
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[责任编辑：陈 明]
