［收稿时间］2020-04-07
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［基金项目］山东省本科教改重点项目：水产科学国家级实验教学示范中心运行机制与管理模式的研究与实践（2018B15）；中央高校基本科研业务费专项:3D 打印在《增殖工程与海洋牧场》实验教学中的应用（201951018）。［作者简介］盛化香（1986-），男，安徽亳州人，硕士，实验师，从事海洋牧场、海洋渔业技术等方面的研究与教学工作。 ［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
2021年6University Education
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组成部分，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 manufactur⁃ing ，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 ，
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
（中国海洋大学水产学院，山东
青岛
266100）
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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Cura15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。竹胶合模板
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Cura15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
薯类淀粉机缩力学性能[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。
模型优化实验数据分析专业理论知识
3D打印技术
模型创新
3D建模
3D打印电极箔
锅炉冷凝水回收装置水阻力实验
流场实验
鱼类诱集实验
图13D打印技术应用于课堂的教学过程（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
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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设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。
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