以微項(xiàng)目為驅(qū)動的3D打印工程實(shí)訓(xùn)教學(xué)改革與實(shí)踐

朱小明

（廣州城市理工學(xué)院工程訓(xùn)練中心，廣州 510800）

工程訓(xùn)練是理工科高校培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的重要課程。在新工科背景下，各高校近年來不斷改革，設(shè)置了先進(jìn)制造技術(shù)的訓(xùn)練模塊，如機(jī)器人焊接、3D打印以及激光雕刻等[1-2]。3D打印因其個性化、應(yīng)用廣泛和無限可能性等特點(diǎn)，在高校實(shí)訓(xùn)課程中受到了越來越多的學(xué)生喜愛，促使3D打印實(shí)訓(xùn)教學(xué)課程設(shè)置和教學(xué)質(zhì)量的要求隨之提高。為提高實(shí)訓(xùn)教學(xué)質(zhì)量，廣州城市理工學(xué)院工程訓(xùn)練中心進(jìn)行了以微項(xiàng)目為驅(qū)動的3D打印工程實(shí)訓(xùn)教學(xué)改革。

1 3D打印實(shí)訓(xùn)教學(xué)現(xiàn)狀

工程實(shí)訓(xùn)課程面向廣州城市理工學(xué)院機(jī)械類、汽車類、電信類以及計(jì)算機(jī)類等多個專業(yè)的本科生，其中3D打印工程實(shí)訓(xùn)課程針對機(jī)械類和汽車類專業(yè)設(shè)置了12學(xué)時，經(jīng)濟(jì)類和管理類設(shè)置了3學(xué)時，其他如計(jì)算機(jī)類和電信類專業(yè)設(shè)置了6學(xué)時。3D打印實(shí)訓(xùn)課程內(nèi)容主要包括基礎(chǔ)理論教學(xué)、實(shí)訓(xùn)操作教學(xué)和學(xué)生實(shí)踐操作3部分。根據(jù)不同的專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)和學(xué)時設(shè)置，實(shí)訓(xùn)的內(nèi)容量和難度將會做出不同程度的調(diào)整和變化，從而形成2個層次的階梯型課程，分別為基礎(chǔ)認(rèn)知型和設(shè)計(jì)制作型[3]?；A(chǔ)認(rèn)知型課程適用于3個學(xué)時的經(jīng)濟(jì)類等專業(yè)，課程內(nèi)容主要是了解3D打印工藝原理和工藝流程以及3D打印技術(shù)的應(yīng)用，熟悉三維打?。‵used Deposition Modeling，F(xiàn)DM）工藝成型過程和FDM打印設(shè)備的操作，并利用FDM打印機(jī)加工出作品模型。設(shè)計(jì)制作型課程適用于6個學(xué)時以上的計(jì)算機(jī)類和機(jī)械類等專業(yè)，其課程內(nèi)容在基礎(chǔ)認(rèn)知型課程內(nèi)容的基礎(chǔ)上增加了利用三維軟件進(jìn)行作品建模設(shè)計(jì)和FDM打印機(jī)調(diào)試等。

教學(xué)形式包括教師理論講解、現(xiàn)場操作演示以及學(xué)生個人進(jìn)行實(shí)訓(xùn)操作等。課程的考核成績由實(shí)訓(xùn)操作（55%）、平時成績（10%）、筆試（20%）以及實(shí)訓(xùn)報(bào)告（15%）組成。其中，實(shí)訓(xùn)操作考核主要綜合學(xué)生的課堂表現(xiàn)和實(shí)訓(xùn)作品質(zhì)量，包括實(shí)訓(xùn)操作的積極性、對設(shè)備操作的規(guī)范性、作品設(shè)計(jì)創(chuàng)意、建模效果和打印質(zhì)量等。

2 3D打印實(shí)訓(xùn)教學(xué)改革分析

2.1 改革的內(nèi)容

目前，3D打印實(shí)訓(xùn)設(shè)計(jì)制作型課程中的產(chǎn)品設(shè)計(jì)內(nèi)容由學(xué)生自主決定，學(xué)生在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中很少能結(jié)合和應(yīng)用到自身的專業(yè)知識。為實(shí)現(xiàn)3D打印實(shí)訓(xùn)教學(xué)中培養(yǎng)高質(zhì)量創(chuàng)新人才和應(yīng)用技術(shù)型人才的目標(biāo)，課程教學(xué)不應(yīng)僅是學(xué)習(xí)3D打印知識和設(shè)備操作，更應(yīng)在實(shí)訓(xùn)過程中加強(qiáng)自身專業(yè)知識的理解和運(yùn)用，通過產(chǎn)品設(shè)計(jì)和3D打印制作實(shí)踐檢驗(yàn)專業(yè)理論知識，從而提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力。

3D打印實(shí)訓(xùn)教學(xué)應(yīng)從基礎(chǔ)性向引導(dǎo)性和專業(yè)性轉(zhuǎn)變，在3D打印設(shè)計(jì)型課程的基礎(chǔ)上進(jìn)一步深化和延伸，以學(xué)生專業(yè)能力和專業(yè)特點(diǎn)為考量，以與專業(yè)課程實(shí)踐相結(jié)合和科研案例化整為微的原則開發(fā)和設(shè)計(jì)微項(xiàng)目，以微項(xiàng)目為驅(qū)動進(jìn)行3D打印實(shí)訓(xùn)教學(xué)。

在改革中要注重對學(xué)生的引導(dǎo)，以學(xué)生為主體，綜合運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)法、直觀教學(xué)法、項(xiàng)目教學(xué)法和項(xiàng)目（任務(wù)）驅(qū)動法等多樣化的教學(xué)方式，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，從而提高實(shí)訓(xùn)教學(xué)的效率和質(zhì)量。同時，更要注重學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作和交流，增加學(xué)生對作品討論和考核的參與度。

2.2 改革的意義

與專業(yè)知識和科研項(xiàng)目相關(guān)的以微項(xiàng)目為驅(qū)動的3D打印實(shí)訓(xùn)教學(xué)，內(nèi)容更具針對性和實(shí)用性，能使學(xué)生了解本專業(yè)相關(guān)學(xué)科研究的主要內(nèi)容和技術(shù)方法，對學(xué)生在專業(yè)領(lǐng)域的學(xué)習(xí)具有積極的引導(dǎo)作用，提高了學(xué)生對專業(yè)課程的學(xué)習(xí)熱情。教學(xué)更加接近實(shí)際的科研項(xiàng)目研究，能夠使學(xué)生進(jìn)入項(xiàng)目實(shí)踐的情景中，從而提高學(xué)生的產(chǎn)品設(shè)計(jì)能力和工程實(shí)踐能力，對學(xué)生參與更多的課外競賽和大創(chuàng)項(xiàng)目等具有積極的推動作用。通過該實(shí)訓(xùn)教學(xué)能發(fā)掘和培養(yǎng)出更多優(yōu)秀的具有專業(yè)實(shí)踐能力的學(xué)生，為校內(nèi)工程項(xiàng)目儲備人才。實(shí)訓(xùn)中學(xué)生以“小組討論，團(tuán)隊(duì)協(xié)作”的方式完成實(shí)訓(xùn)操作，以增進(jìn)學(xué)生間的交流互動，發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性，提高學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作意識。

3 微項(xiàng)目的設(shè)置

該3D打印實(shí)訓(xùn)教學(xué)改革目前主要在設(shè)置12個實(shí)訓(xùn)學(xué)時的機(jī)械類專業(yè)學(xué)生中展開，包括機(jī)械工程、機(jī)械電子、機(jī)器人和工業(yè)設(shè)計(jì)等專業(yè)。在實(shí)訓(xùn)教學(xué)的過程中，需要緊密結(jié)合專業(yè)的核心知識和技能，綜合考慮實(shí)訓(xùn)時長和學(xué)生專業(yè)水平等，設(shè)計(jì)出符合學(xué)生操作能力的微項(xiàng)目。

3.1 科研項(xiàng)目化整為微

結(jié)合教學(xué)內(nèi)容，對大二機(jī)械類專業(yè)的一些具有很強(qiáng)的基礎(chǔ)性和實(shí)踐性的主干課程內(nèi)容和學(xué)生的專業(yè)水平能力進(jìn)行深入了解，收集并篩選校內(nèi)機(jī)械類專業(yè)的科研項(xiàng)目和競賽項(xiàng)目，對項(xiàng)目內(nèi)容進(jìn)行適當(dāng)修改，刪除部分與專業(yè)不符或難度過大的內(nèi)容，將符合學(xué)生專業(yè)學(xué)習(xí)能力的項(xiàng)目化整為微，將其設(shè)計(jì)改造成微項(xiàng)目或轉(zhuǎn)化為教學(xué)案例。

3.2 專業(yè)課程知識項(xiàng)目化

與專業(yè)課程實(shí)踐相結(jié)合，如機(jī)械專業(yè)的“機(jī)械設(shè)計(jì)與原理”和工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)的“人機(jī)工程學(xué)”等主干課程、項(xiàng)目化改造教學(xué)中的典型產(chǎn)品與典型機(jī)構(gòu)等，將改良后的產(chǎn)品或機(jī)構(gòu)作為微項(xiàng)目[4]。例如，對機(jī)械產(chǎn)品的外形建模、傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、家具以及電子類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)等，并通過3D打印快速得到產(chǎn)品樣機(jī)，以提供設(shè)計(jì)驗(yàn)證與功能驗(yàn)證。

4 教學(xué)改革實(shí)踐

4.1 課程的教學(xué)實(shí)踐

實(shí)訓(xùn)課程主要由課前預(yù)習(xí)、課堂授課、實(shí)踐操作以及評價考核4部分組成。實(shí)訓(xùn)教學(xué)過程中，教師為主導(dǎo)，學(xué)生為主體，微項(xiàng)目為驅(qū)動，學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作，研究和確定設(shè)計(jì)任務(wù)，完成作品設(shè)計(jì)建模和3D打印，最后進(jìn)行作品展示和評價考核。

4.1.1 課前預(yù)習(xí)

廣州城市理工學(xué)院在網(wǎng)上開放教學(xué)平臺創(chuàng)建了機(jī)械制造基礎(chǔ)工程訓(xùn)練（金工實(shí)習(xí)）課程，建立了3D打印實(shí)訓(xùn)教學(xué)資源區(qū)。學(xué)生可在該平臺上提前自主學(xué)習(xí)3D打印實(shí)訓(xùn)課程的理論知識、軟件建模方法和FDM打印機(jī)的操作方法，下載自己感興趣的三維模型進(jìn)行學(xué)習(xí)或修改。教師在該平臺上提前發(fā)布設(shè)計(jì)項(xiàng)目內(nèi)容，同時準(zhǔn)備多個設(shè)計(jì)項(xiàng)目供學(xué)生選擇。學(xué)生可預(yù)選擇合適的項(xiàng)目，并提前收集產(chǎn)品資料，構(gòu)思產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案。通過網(wǎng)絡(luò)平臺進(jìn)行的課前預(yù)習(xí)，能使學(xué)生接觸到豐富的教學(xué)資源，拓寬視野，為實(shí)訓(xùn)課堂教學(xué)的開展提供知識儲備基礎(chǔ)，提高課堂實(shí)訓(xùn)教學(xué)和實(shí)踐操作的效率。

4.1.2 課堂授課

課堂授課主要包括3D打印原理、工藝流程等相關(guān)理論知識的講解，以及三維軟件建模操作、FDM打印機(jī)及其控制軟件的使用方法等。在三維軟件的教學(xué)中，應(yīng)以項(xiàng)目案例為引導(dǎo)，通過案例講解讓學(xué)生了解項(xiàng)目中產(chǎn)品的設(shè)計(jì)思路和建模設(shè)計(jì)方法。廣州城市理工學(xué)院機(jī)械類專業(yè)大二學(xué)生已在大二第一學(xué)期進(jìn)行過三維軟件SolidWorks的學(xué)習(xí)，具有一定的三維軟件建模能力，所以在3D打印實(shí)訓(xùn)中的SolidWorks軟件教學(xué)時可便針對項(xiàng)目產(chǎn)品（如機(jī)械構(gòu)件、典型零件和主題類產(chǎn)品）的特點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)建模技巧和方法講解，學(xué)生亦能理解和接受。

4.1.3 實(shí)踐操作

實(shí)踐操作中，學(xué)生以小組討論和團(tuán)隊(duì)協(xié)作的方式來完成。實(shí)踐操作包括項(xiàng)目研究、設(shè)計(jì)建模以及3D打印3個環(huán)節(jié)。

（1）項(xiàng)目研究。案例講解后進(jìn)行微項(xiàng)目和設(shè)計(jì)任務(wù)的導(dǎo)入，學(xué)生分成若干個小組，以小組為團(tuán)隊(duì)討論確定設(shè)計(jì)項(xiàng)目。各成員對產(chǎn)品的設(shè)計(jì)構(gòu)思交流意見，并最終確定產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方案。產(chǎn)品為裝配體時，裝配體的設(shè)計(jì)要考慮打印機(jī)的精度誤差、零件的裝配公差等。小組團(tuán)隊(duì)的組建可以考驗(yàn)組長的組織協(xié)調(diào)能力、學(xué)生的自我調(diào)節(jié)和相互協(xié)作能力。

（2）設(shè)計(jì)建模。確定產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方案后，組內(nèi)進(jìn)行設(shè)計(jì)建模任務(wù)的分配。在組內(nèi)學(xué)生交流互助下，每人按任務(wù)的分配情況，用SolidWorks或自主選擇熟知的建模軟件完成相應(yīng)零件建模，將產(chǎn)品設(shè)計(jì)創(chuàng)意轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字模型。模型的設(shè)計(jì)需要滿足實(shí)訓(xùn)所用FDM打印機(jī)對模型的加工要求。

（3）3D打印。產(chǎn)品建模完成后進(jìn)行3D打印。設(shè)計(jì)和打印環(huán)節(jié)都需組內(nèi)學(xué)生相互協(xié)作才能高效、高質(zhì)完成。例如：建模能力好的學(xué)生可承擔(dān)較多的設(shè)計(jì)任務(wù)；建模能力弱或設(shè)計(jì)任務(wù)較少的學(xué)生，可提前練習(xí)掌握FDM打印機(jī)的使用方法，在打印環(huán)節(jié)完成更多的工作。最后，將得到的3D打印樣品進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證或功能驗(yàn)證，查找不足，并綜合考慮課程進(jìn)度和產(chǎn)品成型效果進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)修改和再打印，最終獲得滿意的模型。

4.1.4 評價考核

課程的考核保持了原來的評價方式和評價比例，但在實(shí)訓(xùn)操作評價環(huán)節(jié)中加入了學(xué)生的考核內(nèi)容，降低了教師的主觀性評估。實(shí)訓(xùn)操作評價總成績由小組自評（30%）、各小組互評（30%）以及教師評價（40%）3部分評分組成。

各組將打印完成后的作品集中在一起進(jìn)行展示評比，從產(chǎn)品的創(chuàng)意、設(shè)計(jì)效果和打印質(zhì)量等方面進(jìn)行綜合評價。教師為引導(dǎo)者，鼓勵學(xué)生積極參與討論，讓學(xué)生處于具體的案例情境中，肯定作品的優(yōu)點(diǎn)，指出不足并給予改進(jìn)意見。最后，教師綜合3方面的評價意見和得分對學(xué)生實(shí)訓(xùn)操作進(jìn)行考核。

4.2 教學(xué)改革實(shí)踐效果

該改革課程在廣州城市理工學(xué)院機(jī)械類專業(yè)中進(jìn)行了近2個學(xué)期的教學(xué)實(shí)踐，形成了線上預(yù)習(xí)、教師主講、以項(xiàng)目案例為引導(dǎo)、以微項(xiàng)目為驅(qū)動以及學(xué)生分組協(xié)作完成的實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式。改革后的3D打印工程實(shí)訓(xùn)課程更受學(xué)生的喜愛。機(jī)械類專業(yè)大二學(xué)生具備一定的機(jī)械理論知識和三維建模能力，在3D打印實(shí)訓(xùn)中具有較強(qiáng)的操作能力。微項(xiàng)目的設(shè)置貼合學(xué)生的專業(yè)知識且符合其專業(yè)特點(diǎn)，課程開展順利。教學(xué)具有很好的實(shí)效性，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中能保持較高的興趣和參與度，實(shí)訓(xùn)作品完成質(zhì)量較高。實(shí)訓(xùn)中更加突顯學(xué)生的主體地位，學(xué)生以團(tuán)隊(duì)協(xié)作的方式完成實(shí)訓(xùn)操作，活躍了課堂氣氛。學(xué)生可以相互交流討論共同解決問題，充分發(fā)揮了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，具有較高的實(shí)訓(xùn)操作效率。

5 結(jié)語

結(jié)合學(xué)生專業(yè)特點(diǎn)和能力，以微項(xiàng)目為驅(qū)動的3D打印工程實(shí)訓(xùn)課程在提高實(shí)訓(xùn)教學(xué)質(zhì)量和滿足新工科人才培養(yǎng)需求的同時，使學(xué)生獲得了更多3D打印在實(shí)際工程項(xiàng)目中的應(yīng)用體驗(yàn)，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)和研究3D打印技術(shù)的熱情，進(jìn)一步推動了3D打印技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工程制造領(lǐng)域中的應(yīng)用。