当工程专业的学生开始大学生涯时，专有工具的高昂成本可能会成为实现梦想的障碍。自由和开源 3D 打印技术的最新进展降低了快速原型制作的成本，使其人人可及。软件行业已经了解开源的力量，因此现在是时候开始向所有工程师教授自由和开源硬件了。
去年秋天，密歇根理工大学开设了一门新课程：开源 3D 打印。学生需额外支付 500 美元的课程费，用于购买构建自己的 MOST Delta RepRap 3D 打印机所需的组件和工具，然后在课程中使用该打印机。学期末，每位学生都可以保留他们构建和改装的打印机。该课程的 50 个名额立即被抢空。
开源硬件社区正在稳步建立在自由和开源软件 (FOSS) 社区奠定的基础上。开源硬件真正起飞始于低成本、易于学习的 Arduino 微控制器。在它支持的所有惊人项目中，也许最有趣的是开源 RepRap 3D 打印机，它代表自复制快速原型制作器。RepRap 项目的目标是生产一台完全能够自我制造的 3D 打印机。它已经完成了一半，并且大多数不可打印的组件都可以在五金店找到。
该课程基本上提炼了 RepRap 的精神，并将其形式化为分布式增材制造的入门课程。我们使用“开源实验室：如何构建自己的硬件并降低研究成本”作为教材，从工程科学家的角度涵盖了材料。该课程涵盖了设备的操作和维护所需的硬件、固件、切片和打印机控制器软件——所有这些都是自由和开源的。该课程采用混合式学习形式，这意味着学生经常在课堂上完成设计项目“作业”，并在家进行大量阅读。
在第二天的课堂上，每个人都带了一个空箱子，并从箱子里挑选了打印机所需的组件。完整的构建说明（包括棘手部分的视频）在 Wiki Appropedia 上免费提供，这要归功于 William G. Jackson 教学与学习中心的资助。学生有三周的时间在家完成打印机的组装，对于那些没有焊接设备和散装化学品的学生，课堂上会提供一些帮助。
学生们本身都是创客，但开源世界对他们大多数人来说是全新的。例如，一些已经精通专有且昂贵的 CAD 的机械工程师学习了如何使用开源替代方案 OpenSCAD、Blender 和 FreeCAD。这很重要，因为他们在课堂上使用的所有工具将永远可用。他们不会被束缚于商业 CAD 软件、固件或硬件，这些软件、固件或硬件很快就会过时。
在学生构建了他们的 3D 打印机之后，我们完成了五个复杂度递增的设计原型项目，以将他们转变为开源绝地武士。首先，学生必须使用螺栓模板在 OpenSCAD 中制作攀岩墙支点。攀岩墙支点非常昂贵，儿童支点每个售价 5 美元，而最好的专业支点每个售价 50-100 美元不等。这是一个简单的作业，因为打印件必须底部平坦才能工作（使其易于打印），并且可以看起来像任何东西。没有真正的设计压力。该课程要求所有学生以开放许可共享他们的设计，因此现在任何人都可以以 1 美元的价格打印一个支点，或者以一个专有支点的成本制作一个好的攀岩墙。每次作业到期时，我们都会进行展示和讲述，以分享技巧和窍门。最好的一个或两个设计赢得一卷耗材。
下载并打印攀岩墙支点螺栓模板的 所有 50 个衍生品。人形拳头支点赢得了这一轮。
接下来，为了磨练学生的开源 CAD 技能，他们被要求用凯尔特结装饰从帽子里抽出的家居用品。这一个很有挑战性，特别是对于那些选择使用基于脚本的 CAD 的人来说，但结果非常出色。如果你想为家里的任何房间添加凯尔特装饰，学生们已经为你准备好了。我们为这个项目使用了 YouMagine 存储库，并且几个学生项目被突出显示，包括 凯尔特窗帘系带。
下载并打印这些凯尔特家居装饰品，包括窗帘系带。
接下来，我们深入研究了本课程的核心内容：设计超昂贵的 3D 可打印科学设备。我们使用了教材中概述的方法。正如 之前在 Opensource.com 上报道的那样，实验室可以通过 3D 打印设备节省大量资金。学生们组成团队，每个团队至少有一名研究生，以便他们可以使用校园实验室。然后，他们为另一位教授完成了一项委托任务，设计了从涡旋混合器到半导体研究用掩模的所有设备。我们使用了 NIH 3D 可打印存储库和 GitHub（因为 NIH 仅支持发布 STL 但不支持源代码）。同样，当学生在开放源代码空间中获得创新自由时，他们所展示的能力令人印象深刻。你可以在这里看到他们的作品和更多示例。例如，考虑这个在 OpenSCAD 中设计的可定制面板，这是一个学生小组为一位电气工程教授设计的。学生们设计了所有这些面板，现在即使是新手也可以选择他们的端口，定位它们，并将它们旋转到位。
接下来，我们与 Appropedia 合作，Appropedia 是最大的致力于适当技术和减贫的开放 Wiki。基于 Appropedia 社区对 3D 可打印开源适当技术的 请求，学生们制作了旨在帮助可持续发展的设计。一位来自喀麦隆的医生请求一个耳镜，该耳镜用于常规医疗筛查。下面的设计是一个原型，但它是功能性的，并且开放供任何人使用、改编和改进。作业页面有一个 Wiki 模板，这使得学生可以轻松地启动 Wiki 页面。
RepRap 的座右铭是“不用钱也能致富”。本科生的最终作业是通过让学生制作对他们有价值的开源设计来创造“财富”。到课程的这一点，绝大多数学生已经发展成为年轻的开源创客绝地大师——原力与他们同在。他们创造了一切，从“冰球助手”（一个 11 美元的小玩意，你可以花 1 美元打印出来，以帮助新手进行他们最喜欢的冬季运动）到节省 350 美元的完整角色扮演装束。当然，他们所有的设计都是开源的，为整个 3D 打印社区创造了巨大的价值。
作为一般规则，工程专业的学生是创客，但如果你真的想让他们摆脱束缚，他们必须“拥有”工具，而不仅仅是可以使用它们。这就是为什么让学生构建、测试、排除故障和修理他们自己的打印机如此重要。他们非常了解它们——他们不会害怕解决问题、拆卸或使用未来的 3D 可打印组件升级它们。
仅仅可以使用一些可以神奇地 3D 打印物体的黑匣子，学生们不会获得相同的体验。通过深入了解工具，他们的设计会更好。他们能够将机器推向极限（例如，垂直打印听诊器），如果这不足以完成他们想要做的事情，他们可以改进和破解工具本身。研究生被期望完成分配给本科生的所有课程作业以及一个深入的项目，该项目涉及对 3D 打印机本身进行重大改进（例如，自动调平或错误检测）。结果再次令人印象深刻，明年的 3D 打印机将是一种进化的混合体——一种卓越的 3D 打印机——部分原因在于学生的改装，其中许多改装来自本科生，他们开始有机地改装他们的机器。
离开课堂的开源绝地大师将继续从未来学生迭代他们的工作并做出更好的设计中受益。一些学生甚至因为他们的开源课程项目而获得了优厚的工作和令人羡慕的实习机会。如果公司看到卓越的演示，他们就会想让你为他们工作。开源硬件现在为工程师提供了这条就业途径，同时也在改善世界。
这门课是我过去十年中最有趣的教学经历，我认为这是一个其他大学可以借鉴的好榜样。从头到尾的整个过程都是免费和开源的（硬件、软件、固件、教学大纲、作业和结果）。这门课程完全可以移植到入门级本科生和高中生，因为几乎所有课程中使用的工具对大多数学生来说都是全新的。
想到下一代工程师将能够掌握开源的力量，真是令人兴奋。
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