3D打印技術(shù)融入車輛工程專業(yè)本科教育新探索

金育安 陳劍斌 杜建科

[摘 要] 3D打印是目前制造領(lǐng)域發(fā)展迅速的一項(xiàng)新興技術(shù)，如何將3D打印技術(shù)與現(xiàn)代工科高校應(yīng)用型人才培養(yǎng)進(jìn)行有機(jī)融合，成為高等教學(xué)研究的熱門課題。車輛工程作為典型的工科類專業(yè)具有應(yīng)用性強(qiáng)、就業(yè)形勢(shì)好的優(yōu)點(diǎn)，相比其他機(jī)械類專業(yè)，其專業(yè)性強(qiáng)、實(shí)踐能力要求高等特點(diǎn)又對(duì)其本科教育提出了特殊的要求。圍繞車輛工程專業(yè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)，結(jié)合3D打印涉及的關(guān)鍵技術(shù)，從成型原理、成型裝備以及過(guò)程規(guī)劃三個(gè)方面，對(duì)車輛工程專業(yè)本科培養(yǎng)過(guò)程中的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行初步探索，期望能切實(shí)鍛煉與提高學(xué)生獨(dú)立解決工程問(wèn)題、加強(qiáng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作等方面的能力，為車輛工程專業(yè)本科教育中引入3D打印技術(shù)提供參考與借鑒。

[關(guān)鍵詞] 3D打印;車輛工程;本科教育;翻轉(zhuǎn)課堂

[基金項(xiàng)目] 2018年寧波大學(xué)教學(xué)改革研究項(xiàng)目一般項(xiàng)目“雙一流建設(shè)背景下3D打印技術(shù)在本科生培養(yǎng)中的趨勢(shì)與挑戰(zhàn)”

[作者簡(jiǎn)介] 金育安（1988—），男，安徽黃山人，工學(xué)博士，副教授，研究方向?yàn)?D打印技術(shù);陳劍斌（1988—），男，福建泉州人，工學(xué)博士，講師，研究方向?yàn)殡y加工材料制造力學(xué)性研究;杜建科（1970—），男，陜西扶風(fēng)人，工學(xué)博士，教授，研究方向?yàn)槎喙δ?智能材料與結(jié)構(gòu)力學(xué)。

[中圖分類號(hào)] G642.0? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ? [文章編號(hào)] 1674-9324（2020）31-0248-03? ? [收稿日期] 2020-02-07

3D打印技術(shù)憑借獨(dú)特的成型方式，不需要傳統(tǒng)的刀具、夾具及多道加工工序，直接將工件的三維模型輸入3D打印機(jī)，由程序控制實(shí)現(xiàn)任意復(fù)雜形狀零件的快速與精確制造，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造。近年來(lái)，3D打印技術(shù)逐漸應(yīng)用于科學(xué)研究、生物醫(yī)療、航空航天、汽車制造、食品加工、設(shè)計(jì)創(chuàng)作等諸多領(lǐng)域，走進(jìn)大眾生活的同時(shí)，也在改變?nèi)祟惖纳a(chǎn)與生活方式，對(duì)高校的教學(xué)內(nèi)容與方式也帶來(lái)了很大的影響[1]。3D打印技術(shù)集CAD設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)、控制技術(shù)、編程技術(shù)等學(xué)科于一身，是現(xiàn)代技術(shù)特別是信息技術(shù)的綜合體現(xiàn)，是工科類專業(yè)課程教學(xué)與知識(shí)傳播的良好載體[2]。

3D打印的工藝特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)給高校的產(chǎn)學(xué)研究帶來(lái)了新的機(jī)遇，將其應(yīng)用到教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新思維有著重要的促進(jìn)意義[3]。目前各高校對(duì)3D打印技術(shù)的教育研究多集中在技術(shù)本身或宏觀教育背景下的實(shí)施方法，而很少涉及針對(duì)特定學(xué)科的人才培養(yǎng)目標(biāo)展開(kāi)的教育研究[4]。本文圍繞3D打印涉及的關(guān)鍵技術(shù)，立足于車輛工程專業(yè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)，對(duì)面向車輛工程專業(yè)的3D打印相關(guān)課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方案與新模式進(jìn)行探討，為培養(yǎng)應(yīng)用型車輛工程領(lǐng)域人才拓展教學(xué)思路。

一、教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

3D打印技術(shù)作為新興的教學(xué)方向，同樣也是一項(xiàng)新興的技術(shù)，該技術(shù)本身仍有很多值得深入研究的內(nèi)容，不加選擇的用于教學(xué)，不僅不利于學(xué)生系統(tǒng)地掌握課程內(nèi)容，還無(wú)法將學(xué)習(xí)的3D打印知識(shí)與其專業(yè)背景進(jìn)行有效的結(jié)合?；谀壳败囕v工程專業(yè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)，在選擇教學(xué)內(nèi)容時(shí)需要將現(xiàn)有相關(guān)專業(yè)課程融入3D打印技術(shù)中，而不能脫離現(xiàn)有的課程體系單獨(dú)開(kāi)設(shè)一門完全嶄新的課程。根據(jù)不同專業(yè)課程的需要，積極進(jìn)行切入與融合，實(shí)現(xiàn)新技術(shù)與專業(yè)背景的相結(jié)合。針對(duì)車輛工程的專業(yè)背景和社會(huì)需求，基于作者對(duì)3D打印技術(shù)的認(rèn)知與學(xué)習(xí)，可以從三個(gè)方面開(kāi)展對(duì)3D打印技術(shù)的教學(xué)。

1.3D打印的成型原理。3D打印之所以能在比較短的時(shí)間內(nèi)在多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，是因?yàn)槠洫?dú)特的增材成型方式解決了傳統(tǒng)加工方法的諸多弊端。盡管同時(shí)也帶來(lái)了新的問(wèn)題，但這并不妨礙3D打印在很多領(lǐng)域成為傳統(tǒng)加工的替代工藝。在汽車制造領(lǐng)域，零部件制造方法多以金屬的切屑、沖壓、鍛造以及焊接等傳統(tǒng)工藝為主，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展與完善，這些傳統(tǒng)工藝已經(jīng)可以滿足較高的機(jī)械性能與安全性能，并且還在不斷進(jìn)步。然而，受限于材料特性與成型原理，這些傳統(tǒng)工藝在汽車整車及其零部件的輕量化設(shè)計(jì)制造方面始終難以獲得較大的突破。盡管在面向輕量化設(shè)計(jì)的拓?fù)鋬?yōu)化方面的研究已經(jīng)開(kāi)展了幾十年，但受限于成型工藝始終無(wú)法得到實(shí)際的應(yīng)用。3D打印技術(shù)完全顛覆了傳統(tǒng)的減材或等材成型方式，可以加工任意復(fù)雜形狀的零部件，為汽車領(lǐng)域的輕量化設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)大的技術(shù)手段。因此，通過(guò)講解3D打印技術(shù)的成型原理會(huì)讓學(xué)生對(duì)技術(shù)本身有基本的認(rèn)知，同時(shí)對(duì)該課程的學(xué)習(xí)目的更為明確。

2.3D打印使用的成型裝備。3D打印機(jī)本質(zhì)上是一臺(tái)機(jī)器，同樣也包含了機(jī)械框架、控制模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊以及諸多電子元器件。掌握各個(gè)模塊的工作原理以及模塊之間的協(xié)調(diào)機(jī)制有助于加深學(xué)生對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)與制造的基礎(chǔ)理論，電工電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)和信息處理技術(shù)等相關(guān)學(xué)科理論知識(shí)實(shí)際應(yīng)用的理解。因此，在面向車輛工程專業(yè)的本科生講授3D打印技術(shù)課程之前，學(xué)生需要掌握機(jī)床理論、數(shù)控原理、機(jī)器人技術(shù)等知識(shí)內(nèi)容，讓學(xué)生對(duì)機(jī)器的模塊化設(shè)計(jì)概念有更為清晰的認(rèn)識(shí)，這對(duì)學(xué)生將來(lái)從事整車研究開(kāi)發(fā)工作或進(jìn)一步研究深造都會(huì)有很大的幫助。

3.3D打印的過(guò)程規(guī)劃。過(guò)程規(guī)劃是幾何模型到機(jī)器代碼的橋梁，在3D打印機(jī)加工之前，需要將數(shù)字化模型進(jìn)行一系列的處理，完成“離散”過(guò)程。具體講，就是對(duì)幾何模型沿著Z方向進(jìn)行切片操作，3D打印機(jī)根據(jù)得到的切片文件進(jìn)行逐層堆積，獲得最終的實(shí)體。3D打印的過(guò)程規(guī)劃包括了CAD（Computer aided design）與CAM（Computer aided manufacturing）兩個(gè)機(jī)械類專業(yè)學(xué)生需要掌握的重要知識(shí)點(diǎn)。通過(guò)這部分內(nèi)容的學(xué)習(xí)，可以加深對(duì)先進(jìn)數(shù)字化技術(shù)的認(rèn)識(shí)，提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)意識(shí)。

二、教學(xué)方案實(shí)施

車輛工程專業(yè)強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐運(yùn)用能力，在教學(xué)過(guò)程中要基于本專業(yè)的特殊性要求，將教學(xué)方法與培養(yǎng)目標(biāo)緊密結(jié)合，通過(guò)3D打印技術(shù)激發(fā)學(xué)生對(duì)車輛專業(yè)知識(shí)學(xué)習(xí)的參與性與主動(dòng)性。教師必須根據(jù)不同教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行正確的引導(dǎo)，培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)。基于以上要求，作者提出采用翻轉(zhuǎn)課堂這種新型教學(xué)方式開(kāi)展教學(xué)。

隨著課堂教學(xué)的不斷改革，教學(xué)方法正在嘗試從以教師為中心轉(zhuǎn)向以學(xué)生為中心，一種被稱為翻轉(zhuǎn)課堂的新型教學(xué)方式顛覆了傳統(tǒng)的課堂教學(xué)模式。學(xué)生在課外時(shí)間閱覽教師制作的以介紹新概念為主的資料，從而騰出時(shí)間在課堂上與教師更多的互動(dòng)。這種教學(xué)方式有利于促進(jìn)成員間交流，提升學(xué)生個(gè)人的責(zé)任感和積極性。3D打印技術(shù)涉及的新知識(shí)具有范圍寬泛和容易理解的特點(diǎn)，特別適合由教師進(jìn)行整理概括，學(xué)生在課外利用靈活的時(shí)間進(jìn)行學(xué)習(xí)，而課堂上則由學(xué)生將學(xué)習(xí)過(guò)程中遇到的問(wèn)題或者創(chuàng)造性思想與教師進(jìn)行溝通。這種教學(xué)模式能為師生溝通建立保障，并為學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力提供有效途徑，通過(guò)實(shí)際參與提升學(xué)生的理論實(shí)踐能力，并加深對(duì)與3D打印技術(shù)相關(guān)的新知識(shí)的理解程度。此外，在3D打印教學(xué)過(guò)程中應(yīng)當(dāng)重視教學(xué)環(huán)境和教師與學(xué)生的參與方式，實(shí)現(xiàn)學(xué)生動(dòng)手動(dòng)腦能力有效提高。從教師的角度，在前期準(zhǔn)備課前學(xué)習(xí)內(nèi)容時(shí)要特別注意3D打印技術(shù)與已學(xué)課程的關(guān)聯(lián)度，要將教學(xué)大綱與3D打印技術(shù)目前的先進(jìn)研究成果相結(jié)合，特別是在車輛工程領(lǐng)域的新成果，抓住3D打印融入車輛領(lǐng)域過(guò)程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，給學(xué)生提出問(wèn)題開(kāi)展教學(xué)，堅(jiān)持運(yùn)用新知識(shí)和新需求引導(dǎo)教學(xué)，積極解決車輛工程領(lǐng)域目前存在的問(wèn)題，促進(jìn)3D打印技術(shù)與車輛工程的相結(jié)合。在提升教師的備課能力和對(duì)3D打印技術(shù)專業(yè)基礎(chǔ)掌握水平的同時(shí)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，共同開(kāi)展研究性學(xué)習(xí)，提升學(xué)習(xí)效果，培養(yǎng)其成為為國(guó)家和社會(huì)所急需的高素質(zhì)應(yīng)用型創(chuàng)新人才。

三、實(shí)踐教學(xué)新模式

作為新興的、有應(yīng)用前景的教學(xué)內(nèi)容，不僅要將3D打印技術(shù)本身掌握透徹，更要與所學(xué)專業(yè)相結(jié)合，利用這項(xiàng)新技術(shù)為車輛制造業(yè)的發(fā)展做出新的貢獻(xiàn)。為了更好更快的讓學(xué)生接觸并了解這項(xiàng)高新制造技術(shù)，需要嘗試一些新的實(shí)踐教學(xué)模式，讓實(shí)踐教學(xué)變成現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)，這將有助于培養(yǎng)3D打印方向的車輛工程專業(yè)人才。

1.創(chuàng)建3D打印實(shí)驗(yàn)室。實(shí)踐教學(xué)的基礎(chǔ)就是讓學(xué)生有接觸硬件、操作機(jī)器的機(jī)會(huì)。雖然3D打印機(jī)的種類繁多，價(jià)格區(qū)間很大，但可以購(gòu)買一批入門級(jí)別的FDM設(shè)備讓學(xué)生擁有親手操作機(jī)器的經(jīng)歷。也可以購(gòu)買待組裝的套件由學(xué)生自主完成裝配，不僅鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力，還能加深學(xué)生對(duì)打印設(shè)備的熟悉程度。此外，可以購(gòu)買少量工業(yè)級(jí)的高精度設(shè)備供學(xué)生觀摩學(xué)習(xí)。

2.校企合作，參觀相關(guān)企業(yè)。通過(guò)參觀企業(yè)能實(shí)時(shí)掌握市場(chǎng)對(duì)該領(lǐng)域人才的需求，也能了解該領(lǐng)域的發(fā)展方向。通過(guò)加強(qiáng)與地方企業(yè)的合作，可以推動(dòng)3D打印技術(shù)與車輛制造領(lǐng)域的發(fā)展，為培養(yǎng)行業(yè)、企業(yè)所需的3D打印技術(shù)應(yīng)用型技術(shù)人才，更好地服務(wù)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3.邀請(qǐng)3D打印領(lǐng)域的知名人士進(jìn)行課堂講學(xué)。目前國(guó)內(nèi)有很多高校和研究所的團(tuán)隊(duì)對(duì)3D打印技術(shù)進(jìn)行研究，邀請(qǐng)?jiān)擃I(lǐng)域的專家舉辦講座，這將有助于授課老師更好地掌握該領(lǐng)域的前沿技術(shù)，學(xué)生聽(tīng)后也能受益匪淺，增強(qiáng)對(duì)該技術(shù)的學(xué)習(xí)興趣。

四、結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前，汽車行業(yè)正面臨著技術(shù)與產(chǎn)業(yè)變革的關(guān)鍵階段，朝著前所未有的智能化趨勢(shì)發(fā)展。為滿足與之相符的科技需求，高等學(xué)校應(yīng)在專業(yè)課程開(kāi)設(shè)與講授內(nèi)容上與時(shí)俱進(jìn)，提出相應(yīng)改革措施。針對(duì)車輛工程專業(yè)中制造科學(xué)與技術(shù)的特殊性，本文圍繞如何將3D打印技術(shù)有機(jī)融入車輛工程應(yīng)用型人才培養(yǎng)，從講授內(nèi)容、授課方式和實(shí)踐教學(xué)新模式三個(gè)方面提出一些改革思路和建設(shè)規(guī)劃，對(duì)培養(yǎng)高質(zhì)量有車輛工程專業(yè)特色的3D打印技術(shù)研發(fā)和管理類人才，對(duì)進(jìn)一步完善車輛工程專業(yè)課程體系有一定推動(dòng)作用。

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