3D 打印技术融入包装材料学教学的改革探索

梁芬芬，王亚丽，尹琳娜

（山西工程技术学院，山西 阳泉 045000）

包装材料学是我国高等院校包装工程本科专业的核心课程，也是学习其他专业课程（如包装工艺学、包装机械学、包装结构设计等）的基础，主要讲授纸、塑料、玻璃、金属等包装材料和复合包装材料及包装辅料的种类、性能、特点及应用。这门课程涵括各种包装材料的化学组成、物理性能及成型加工工艺、质量测试和评价方法，涉及的知识点多、内容繁杂，是一门多种学科交叉的综合学科。但由于包装材料学的理论性不强，以往的教学内容和方法无法和现代包装材料学知识、前沿的材料技术发展有机结合起来。而且由于课时量（理论课时40 学时）有限，无法兼顾到不同需求和兴趣学生的需要，多数教学还是只注重传统的填鸭式模式，往往忽略培养学生的创新意识。因此，包装材料学课程的教学改革势在必行[1,2]。

3D 打印是一种快速成型的新技术，它基于数字模型，可以使用纸、塑料、陶瓷、金属等多种材料，逐层打印构造实物。其快捷性和便利性极易带领学生主动参与教学，尤其好奇心的驱使，激发学生的学习兴趣，明确和引导他们主动参与学习活动的动机。3D 打印技术作为机械、材料、计算机科学等多学科交叉融合的技术，能将新工科的创新能力培养及OBE 教学模式引用进行无缝集成，是新工科背景下高校智能制造相关专业的教学热点。将3D 打印技术融合在工科课程教学中已经有一些研究和实践，如在机械原理教学[3,4]、塑料制品设计课程[5]、力学课程[6]和航空仪表设备课程教学[7]等。目前，尚未发现3D 打印在包装材料学课程教学上的应用探索，因此本文有一定的创新性。

1 建立课程体系

包装材料学的课程一般开设在大学第四学期或者第五学期，先修课程为无机及分析化学、有机化学、高分子科学基础、高等数学、大学物理、工程力学、机械设计基础等理工科基础课程。学生已经具备一定的空间想象能力、CAD 设计和CAM 加工等方面的基础能力。因此，教学中，融入3D 打印技术的原理背景、设备工艺和实际应用，能在很大程度上调动学生的学习兴趣，起到了良好的教学效果（图1）。

图1 融合课程体系示意图Fig.1 Schematic diagram of integrated curriculum system

1.1 增强学生学习信心，激发学习积极性

包装材料学课程的章节较多，课程中材料的很多性质都与加工工艺有关，这些工艺流程以及工艺条件在课本上的概念很抽象，难以理解。教师在授课的时候可以结合现阶段3D 打印技术的发展现状，制定课前知识预习任务，让学生在课前对该技术有初步的了解与认知。随着课程的深入，学生的自主思考与创新能力得到促进和开发，在跟进理论教学的同时，能及时进行对应的知识掌握和消化。在指导教师的指引下进行知识的融合，开展项目式的学习和设计，学生不会觉得理论知识的枯燥无味，相反有兴趣地主动开展学习。

3D 打印技术最大特点是能够让学生很好地进行体验式学习，将创意设计和实物验证有机地结合。学生借助3D 打印机将创新设计的图形或想法通过真实的实物呈现，可以直观观察到设计作品的效果，进而获得强烈、真实的认知体验，有利于进入深度学习状态。这种方式既能增加学生的参与度，促进学生的学习积极性，又能拓宽学生的设计思路，拓展空间思维，激发学生的个性化创意[8]。

1.2 创新教师教学理念，提高教学效果

以天津科技大学王建清的包装材料学为例，该课程由9 个章节的内容组成，各章节内容相互独立，知识点较为分散。传统的教学方式，教师照本宣科，学生没有学习兴趣，对课程内容非常容易遗忘。3D 打印技术的融合，打破章节壁垒，可以实现章节融合。除此之外，还能解决理论教学和实践教学脱离的问题。很多高校的实验或实训课程都是在理论课程学习完成之后进行，导致实训课在时间上滞后太久，学生理论知识遗忘较多；而且实训课堂时间有限，学生很难将理论知识与实践操作快速结合。如果将3D 打印加入在实训课程中，改变传统的实训课程安排，分时分段完成实训课程的设置，将使实训教学与理论教学联系得更紧密。

在课堂教学过程中，教师利用3D 打印机打印出的与课程教学匹配的教学用具展现给学生，可以扩展学生的直接感官和知觉体验，使隐性知识和认知结构显现化，教学资料更为具体化、形象化，视觉的认知更为简单化。这不仅解决了教学设备与器材短缺的问题，还能弥补传统课堂教学中教师经验不足的劣势。

材料科学的发展日新月异，结合案例教学，将本课程所涉及相关理论的最新发展动态和科研前沿热点进行拓展，能有效提高学生学习包装材料学相关知识的兴趣，达到更好的教学效果。表1 汇总了学生挖掘的各类材料相关领域中3D 打印技术的最新报道，以及3D 打印技术在包装材料上的应用。可以看到，虽然3D 打印技术在材料学科多个研究领域取得明显进展，但是在包装材料上的应用还刚刚起步，发展潜力非常大。

1.3 促使课程考核方式、教学质量评价标准改变

包装材料学的理论知识虽然有些复杂，但是有很强的实用性，对包装的设计具有非常强的启发性。因此，可以利用3D 打印技术的结合针对不同章节内容挖掘出对应大学生创新创业项目。将课程设计任务培育成大创训练，学生能主动地去思考，以主人翁的心态去探索，保持持久的兴趣和好奇心。通过各类项目鼓励学生将课程知识进行课外拓展，不仅锻炼了学生的科研和实践操作能力，又培养了学生的创新能力和科学素养。不仅是创新创业比赛，其他类型的一些比赛也可以考虑通过3D 打印技术制作出包装类的比赛作品参加比赛。在对学生的综合能力进行评价时，适当将3D 打印设计与制造的能力加入到考核中，合理地设置其比例，建立新的综合评定方式。相比于传统考核方式，新的考核方式注重学习的过程，能够较为全面地考查学生的知识掌握情况和解决问题的综合能力，更符合新工科人才培养目标和要求。

推进学科深度交叉融合是培养符合国家经济社会发展需求的复合型高层次人才的重要途径。3D 打印目前没有一个完整的学科体系，它是非常典型的交叉学科体系，是机械、材料、计算机科学、艺术设计等多学科交叉融合。学科交叉的研究领域对教师的要求更高、更多，因此教师也需要不断学习吸纳新的知识，培养跨学科能力。通过对包装材料学课程与3D 打印技术融合的教改项目，将学科交叉融合建设监测与成效评价、学科评估等高校的教学绩效考核结合，探索出新的评价考核体系，有利于推动学科交叉融合更好的发展。

2 课程实例

2.1 三维模型设计

以一个圆形包装盒为例，图2 是某小组利用三维软件(SOLIDWORKS)设计出的包装盒的三维造型图。该包装装置由盒身和盒盖组成，学生在自主学习三维造型的过程中，熟悉了工程制图的基本知识和三维软件常用的命令。

图2 包装盒三维造型图：a)整体；b)盒盖；c)盒身Fig.2 Three-dimension Shapes of packing box: a)the overall of the box; b)the lid of the box; c)the body of the box

2.2 软件数据处理

将SOLIDWORKS 软件造型好的产品模型，保存成stp 格式，然后利用3D 打印的切片软件进行数据处理（图3）。

图3 3D 打印切片软件处理图Fig.3 The slicing software processing diagram of 3D printing

2.3 产品3D 输出

将处理后的数据导入3D 打印设备，借助设备进行模型的输出打印工作（图4）。

图4 3D 打印成型件实物图Fig.4 The physical map of 3D printing molding

具体步骤如下：将设备进行初始化→将树脂(ABS)料丝或者塑料（尼龙）料丝挤出→打印预览，进行相关参数设置→打印。

3 教学建议

本实验可以面向多个学科专业的学生，例如包装工程专业、材料科学专业和机械设计专业等。课程可以在大学二年级或者三年级开展，这时学生已经具备基本的工程制图能力，对科研兴趣也在逐步加深。该项目设置的时长可以为8 ～10 个学时，项目分组可以设置为3 ～4 人一组。首先，布置资料收集和文献检索任务，让学生选择某一章节对应的包装材料的研究和3D 打印技术进展进行信息检索和文献综述。再进行包装材料设计项目讨论，主要是由各小组提出设计思路和构图。教师在指导软件操作、数据处理和实物打印后，对每组实验活动进行点评。学生通过打印出的实物，在小组范围内再进行创新设计的修正和操作流程的完善，最终以个性化的成品实物进行项目总结。完成的成品可以作为各类创新创造的比赛作品。

4 结语

包装材料学是一门概念抽象、理论性较强的课程，传统的授课模式不能很好地调动学生学习的主动性和积极性，也无法满足新工科工程教育体系中卓越工程师培养的要求。本文利用3D 打印技术与包装材料学的交叉融合，通过项目式小组，让理论学习与实践操作有机结合，不但能提高非材料学专业学生学习的积极性，让学生接触材料领域最新的前沿技术，还能将学生的设计及时展现，有效地培养和提高了学生的创新思维。这种新工科背景下的包装材料学课程教改工作，不仅推动了学科交叉融合，也极大提升了专业教师的教学能力，为培养高素质复合型新工科人才提供保障。