淺談協(xié)同育人機(jī)制下3D打印課程教學(xué)模式探索與實(shí)踐

楊偉，劉建永

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 十堰 442000）

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，產(chǎn)業(yè)升級(jí)步伐加快，對(duì)創(chuàng)新型應(yīng)用型人才提出了更高的要求。2015年教育部印發(fā)《關(guān)于引導(dǎo)部分地方普通本科高校向應(yīng)用型轉(zhuǎn)變的指導(dǎo)意見(jiàn)》，要求加強(qiáng)創(chuàng)新應(yīng)用型技術(shù)技能型人才培養(yǎng)，建立產(chǎn)教融合、協(xié)同育人的人才培養(yǎng)模式，實(shí)現(xiàn)專業(yè)鏈與產(chǎn)業(yè)鏈、課程內(nèi)容與職業(yè)、教學(xué)過(guò)程與生產(chǎn)過(guò)程對(duì)接。從此以后，產(chǎn)教融合協(xié)同育人模式已成為應(yīng)用型普通高校研究的熱點(diǎn)問(wèn)題，各個(gè)高校都基于產(chǎn)教融合結(jié)合自身辦學(xué)特色構(gòu)建了多種多樣的協(xié)同育人模式。我校開(kāi)設(shè)的《快速制造技術(shù)》課程是材料成型及控制工程專業(yè)中的一門專業(yè)課程，由于教學(xué)內(nèi)容緊密結(jié)合工程應(yīng)用實(shí)際和前沿技術(shù)，因而具有較強(qiáng)的綜合性、實(shí)踐性和鮮明的時(shí)代特征。近幾年通過(guò)不斷更新教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式，強(qiáng)化協(xié)同育人，取得了明顯效果。本文以我校開(kāi)設(shè)的《快速制造技術(shù)》為例，探討了協(xié)同育人機(jī)制的實(shí)施途徑，以期提高材料成型及控制工程專業(yè)的人才培養(yǎng)質(zhì)量。

1 課程教學(xué)目標(biāo)和協(xié)同育人的必要性

我校材料成型及控制工程專業(yè)于2020年1月通過(guò)了中國(guó)工程教育專業(yè)認(rèn)證，這標(biāo)志著本專業(yè)新的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)體系的建立。根據(jù)專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)頂層設(shè)計(jì)，要求本專業(yè)畢業(yè)生具備：（1）能應(yīng)用相關(guān)科學(xué)原理，識(shí)別和判斷材料成型中復(fù)雜工程問(wèn)題的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，包括材料、原理及工藝、裝備和質(zhì)量控制等；（2）能夠設(shè)計(jì)典型汽車零部件的成形工藝、工裝設(shè)計(jì)方案，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化；（3）掌握工程項(xiàng)目中涉及的管理與經(jīng)濟(jì)決策方法，了解工程項(xiàng)目的成本構(gòu)成。結(jié)合畢業(yè)要求，確定了本課程的教學(xué)目標(biāo)。

課程目標(biāo)1：了解國(guó)內(nèi)外3D打印技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)及關(guān)鍵技術(shù)，掌握3D打印技術(shù)的基本原理、使用的材料、成形工藝以及典型應(yīng)用等基礎(chǔ)知識(shí)；

課程目標(biāo)2：掌握用于3D打印的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，理解其基本原理方法，能針對(duì)成形對(duì)象優(yōu)化結(jié)構(gòu)和工藝，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力；

課程目標(biāo)3：學(xué)習(xí)常見(jiàn)3D打印設(shè)備及使用方法，基于實(shí)際工程問(wèn)題尋求合理的解決途徑，針對(duì)指定的零件分析其經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)性，選擇適宜的成形方法，制定加工工藝，制造出相應(yīng)的產(chǎn)品，培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力。

可以看出，《快速制造技術(shù)》主要是以3D打印技術(shù)為載體，使學(xué)生了解快速制造前沿技術(shù)，具備相應(yīng)專業(yè)知識(shí)，能解決實(shí)際工程問(wèn)題，達(dá)到拓展學(xué)生視野、提高學(xué)生創(chuàng)新能力和工程應(yīng)用能力的目的，為學(xué)生今后從事技術(shù)工作或工程管理工作打下基礎(chǔ)。由于傳統(tǒng)課堂教學(xué)中任課老師“一言堂”的教學(xué)方式存在一定的局限性，學(xué)生被動(dòng)學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)的興趣和積極性難以提高，教學(xué)效果難以保證；同時(shí)，由于3D打印技術(shù)是一門新興的先進(jìn)技術(shù)，工藝種類多，與傳統(tǒng)加工方式差異大，需要通過(guò)與實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程結(jié)合才能更好地理解消化課程內(nèi)容。因此通過(guò)協(xié)同育人教學(xué)模式，建立理論與實(shí)踐、教學(xué)與科研、校內(nèi)與校外、線上與線下、課內(nèi)與課外的多重聯(lián)系，充分發(fā)揮實(shí)踐基地、教育信息化、第二課堂等在教學(xué)中的作用，形成合力，促進(jìn)高質(zhì)量應(yīng)用型人才的培養(yǎng)。

2 協(xié)同育人提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的途徑

2.1 校企合作優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，共建實(shí)踐基地

長(zhǎng)期以來(lái)，高校在人才培養(yǎng)過(guò)程中所采用的教育模式多是重理論而輕實(shí)踐，這也是我國(guó)高等教育在人才培養(yǎng)中的又一個(gè)重要的短板，這造成了學(xué)生所學(xué)習(xí)的理論知識(shí)與所需要的實(shí)踐技能是脫節(jié)的。這種模式培養(yǎng)的畢業(yè)生在走出校園面對(duì)實(shí)際的工作環(huán)境時(shí)，往往很難快速適應(yīng)實(shí)際工作需要，這種矛盾在應(yīng)用型本科高校中表現(xiàn)更為突出。而校企合作的開(kāi)展作為傳統(tǒng)高等教育模式的一項(xiàng)有力補(bǔ)充，可以有效地改善這種局面。由于3D打印技術(shù)發(fā)展快、工藝多、范圍廣，在《快速制造技術(shù)》課程有限的教學(xué)時(shí)間內(nèi)，如何安排課程內(nèi)容就顯得至關(guān)重要。為此，教學(xué)團(tuán)隊(duì)以材料成型與控制工程專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)為指導(dǎo)，根據(jù)學(xué)生今后主要就業(yè)方向是制造業(yè)尤其是汽車制造業(yè)的特點(diǎn)，聯(lián)合企業(yè)專家一起，修訂了課程教學(xué)大綱和教學(xué)內(nèi)容，對(duì)課程的內(nèi)容體系進(jìn)行了優(yōu)化精煉，在生產(chǎn)企業(yè)中目前運(yùn)用比較多、較為成熟的工藝，比如，激光選區(qū)燒結(jié)成形、熔融沉積成形、立體光固化成形、三維噴印成形等非金屬材料成形工藝以及選區(qū)激光熔化、激光工程凈成形等金屬材料成形工藝分配了相對(duì)較多的學(xué)習(xí)學(xué)時(shí)，而對(duì)于疊層實(shí)體制造、電子束熔化成形等逐漸淘汰或者應(yīng)用不夠成熟的成形工藝分配較少學(xué)時(shí)，突出課程實(shí)用性和教學(xué)特色。其次，在校企合作共建實(shí)踐基地模式上，更多的高校選擇的是在企業(yè)建立實(shí)踐基地，教學(xué)過(guò)程中安排學(xué)生到實(shí)踐基地進(jìn)行教學(xué)活動(dòng)，這種模式可以較為充分地利用企業(yè)現(xiàn)有的生產(chǎn)條件，但也存在一個(gè)顯而易見(jiàn)的問(wèn)題，由于地緣關(guān)系，學(xué)生到企業(yè)開(kāi)展學(xué)習(xí)的時(shí)間受限，深入程度也不足，影響了協(xié)同育人成效，為了破解這一難題，我校通過(guò)引進(jìn)專業(yè)3D打印生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)入學(xué)校，共享學(xué)校和企業(yè)的軟硬件資源，在校內(nèi)合作共建了實(shí)踐基地和研發(fā)中心，形成更新穎有效的“引進(jìn)來(lái)”協(xié)同育人合作模式。

在教學(xué)過(guò)程中，充分利用該實(shí)踐基地的條件，通過(guò)邀請(qǐng)企業(yè)技術(shù)人員為學(xué)生講解工程案例、演示各種成形設(shè)備成形過(guò)程和操作方法、學(xué)生親自參與企業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)等環(huán)節(jié)的案例式現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)活動(dòng)，讓學(xué)生更直觀深入地學(xué)習(xí)各種3D打印工藝的特點(diǎn)、區(qū)別與應(yīng)用場(chǎng)景，以使得對(duì)理論知識(shí)理解更透徹。同時(shí)學(xué)生還使用創(chuàng)新中心的各種設(shè)備進(jìn)行實(shí)際操作訓(xùn)練，足不出校即可學(xué)習(xí)和實(shí)踐最新的3D打印技術(shù)，實(shí)現(xiàn)理論知識(shí)與工程實(shí)踐的高度融合，不僅提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和熱情，也鍛煉了學(xué)生的工程實(shí)踐能力（圖1）。

圖1 學(xué)生在校內(nèi)實(shí)踐基地完成的3D打印產(chǎn)品

2.2 產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，相互支撐合作共贏

產(chǎn)學(xué)研合作的機(jī)制是協(xié)同育人的重要組成部分，對(duì)企業(yè)而言，獲得了更多的人才資源，有效彌補(bǔ)了企業(yè)科研人員短缺的短板；對(duì)高校而言，有更多的科研成果轉(zhuǎn)化，還為老師提供了豐富的實(shí)踐項(xiàng)目，也彌補(bǔ)了教師工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)不足的短板，提升了專業(yè)能力；對(duì)學(xué)生而言，參與校企合作的科研項(xiàng)目能豐富自身的知識(shí)體系結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，可以達(dá)到三方共贏的合作模式。

近年來(lái)，“全員、全程、全方位”的“三全”教育理念逐漸深入人心，教育部在2018年新時(shí)代高等學(xué)校本科工作會(huì)議中也強(qiáng)調(diào)，要“以本為本”建設(shè)高水平本科教育。在此背景下，我校材料成型及控制工程專業(yè)從大二開(kāi)始給學(xué)生分配專業(yè)導(dǎo)師，實(shí)現(xiàn)“三全育人”全覆蓋，大力踐行產(chǎn)學(xué)研協(xié)同育人。由3D打印教師團(tuán)隊(duì)帶領(lǐng)的學(xué)生從大二開(kāi)始便涉足相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)和科研活動(dòng)，這在一定程度上給學(xué)生增加了學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)，但這些負(fù)擔(dān)對(duì)學(xué)生而言是有益且實(shí)用的，學(xué)生獲得感和成就感也越發(fā)強(qiáng)烈，進(jìn)一步激勵(lì)了研究探索的熱情，這些“種子選手”在本課程教學(xué)時(shí)便發(fā)揮了輻射作用和連鎖效應(yīng)，以點(diǎn)帶面地有效提升了班級(jí)的學(xué)習(xí)風(fēng)氣和整體教學(xué)效果。

2.3 改革教學(xué)方式，實(shí)施混合式教學(xué)

課內(nèi)與課外結(jié)合，達(dá)到“課內(nèi)開(kāi)花、課外結(jié)果”的效果。在理論教學(xué)環(huán)節(jié)，為了更好地達(dá)成“了解國(guó)內(nèi)外3D打印技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)”的課程目標(biāo)，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容，給學(xué)生布置課外作業(yè)，通過(guò)查閱文獻(xiàn)資料，每人完成一篇不少于3000字的綜述小論文，為了提高論文撰寫的規(guī)范性，還對(duì)論文的格式、重復(fù)率等做了一些要求。通過(guò)此項(xiàng)作業(yè)，讓學(xué)生對(duì)目前3D打印的研究與應(yīng)用方向、關(guān)鍵技術(shù)、存在的問(wèn)題和發(fā)展趨勢(shì)等有進(jìn)一步的了解，開(kāi)闊了學(xué)生視野，同時(shí)，也鍛煉了學(xué)術(shù)論文的寫作能力。

翻轉(zhuǎn)課堂，發(fā)揮教育信息化在教學(xué)中的作用。翻轉(zhuǎn)課堂更注重學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)，以學(xué)生為主，教師引導(dǎo)，輔以信息化技術(shù)手段完成教學(xué)內(nèi)容。在本課程教學(xué)實(shí)踐中，依托超星學(xué)習(xí)通教學(xué)平臺(tái)，將制作的教學(xué)資源上傳到平臺(tái)，學(xué)生自主學(xué)習(xí)，通過(guò)設(shè)置的各種測(cè)試了解學(xué)生學(xué)習(xí)效果，根據(jù)情況適時(shí)發(fā)布拓展學(xué)習(xí)活動(dòng)，鞏固學(xué)習(xí)效果。為了活躍課堂學(xué)習(xí)氛圍、增加學(xué)生在教學(xué)過(guò)程中的參與度，在每次課的最后，給學(xué)生10分鐘左右的時(shí)間就3D打印相關(guān)的前沿問(wèn)題進(jìn)行主動(dòng)展示和交流，根據(jù)演講的條理與規(guī)范性、內(nèi)容科學(xué)性、效果等進(jìn)行簡(jiǎn)單點(diǎn)評(píng)，使學(xué)生取長(zhǎng)補(bǔ)短。通過(guò)這種形式，不僅變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)思考，還培養(yǎng)了學(xué)生與同行進(jìn)行有效交流的能力。

作為一種新型制造技術(shù)，3D打印工藝參數(shù)直接影響著產(chǎn)品質(zhì)量，為了加強(qiáng)對(duì)成形工藝的認(rèn)識(shí)，由學(xué)生自行設(shè)計(jì)或選擇產(chǎn)品，通過(guò)3D打印的手段制作出來(lái)，通過(guò)這個(gè)過(guò)程，加強(qiáng)了理論與實(shí)踐的結(jié)合，使學(xué)生對(duì)數(shù)據(jù)處理技巧、成形的過(guò)程中工藝參數(shù)選擇、成形后的后處理方法等均有了更具體的認(rèn)識(shí)。通過(guò)對(duì)打印的模型的打印質(zhì)量、后處理狀況、復(fù)雜程度、是否體現(xiàn)了3D打印的優(yōu)勢(shì)等方面進(jìn)行評(píng)價(jià)，讓學(xué)生更加理解了這種技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，通過(guò)寓教于樂(lè)、寓學(xué)于練的方式提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和熱情，深受學(xué)生的喜愛(ài)（圖2）。

圖2 學(xué)生完成的3D打印模型

2.4 開(kāi)辟“第二課堂”

近年來(lái)，在“大眾創(chuàng)業(yè)、萬(wàn)眾創(chuàng)新”思想的指引下，學(xué)科競(jìng)賽也迎來(lái)了更為蓬勃發(fā)展的新時(shí)期，由于3D打印可以實(shí)現(xiàn)從任意復(fù)雜的數(shù)模到三維實(shí)體的快速制造，在制造過(guò)程中不需要模具，對(duì)各種個(gè)性化的零件的快速加工有很好的適應(yīng)性。本專業(yè)近幾年不斷加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，配置了多種類型的3D打印設(shè)備，包括熔融沉積成型、疊層實(shí)體制造、選擇性激光燒結(jié)、立體光固化成形、激光工程凈成形系統(tǒng)等國(guó)內(nèi)先進(jìn)的3D打印設(shè)備，完全對(duì)學(xué)生開(kāi)放，這在“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、中國(guó)大學(xué)生方程式汽車大賽、全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽等學(xué)科競(jìng)賽中發(fā)揮了極其重要的作用，助力參賽團(tuán)隊(duì)屢獲佳績(jī)。整體來(lái)看，通過(guò)“第二課堂”，對(duì)提高人才培養(yǎng)質(zhì)量有著顯著的促進(jìn)作用，表現(xiàn)為以賽促學(xué)，有效促進(jìn)了學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性，鞏固了理論知識(shí)，強(qiáng)化了動(dòng)手實(shí)踐能力，也凸顯了3D打印的實(shí)用價(jià)值；以賽促教，通過(guò)學(xué)科競(jìng)賽，指導(dǎo)老師也不斷學(xué)習(xí)先進(jìn)的技術(shù)和理念，提升教育教學(xué)水平，避免與時(shí)代脫節(jié)。

3 協(xié)同育人的效果

教學(xué)方式獲得學(xué)生認(rèn)可。通過(guò)每年對(duì)《快速制造技術(shù)》課程協(xié)同育人實(shí)施效果進(jìn)行評(píng)測(cè)，學(xué)生在教學(xué)評(píng)價(jià)中普遍反映，課程理論與實(shí)踐結(jié)合、課外拓展多、教學(xué)內(nèi)容豐富，學(xué)習(xí)氛圍好等，近幾年得分均在98分以上，學(xué)生對(duì)課程滿意度較高。此外，由于在課程學(xué)習(xí)中認(rèn)識(shí)到了3D打印技術(shù)的突出優(yōu)勢(shì)，在以后的課程設(shè)計(jì)、綜合實(shí)踐甚至在畢業(yè)設(shè)計(jì)課題中，有很多同學(xué)都選擇借助3D來(lái)完成課題內(nèi)容。

教學(xué)效果得到了企業(yè)認(rèn)可。學(xué)生到3D企業(yè)參加實(shí)習(xí)時(shí)，企業(yè)反映學(xué)生見(jiàn)識(shí)廣、思維活躍、基礎(chǔ)扎實(shí)、動(dòng)手能力強(qiáng)，這表明協(xié)同育人模式使學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新思維能力確實(shí)得到一定的提升。

4 結(jié)語(yǔ)

《快速制造技術(shù)》課程教學(xué)過(guò)程中依靠汽車背景，充分利用學(xué)校、企業(yè)、互聯(lián)網(wǎng)等各類資源進(jìn)行協(xié)同育人，實(shí)現(xiàn)理論實(shí)踐結(jié)合、學(xué)校企業(yè)結(jié)合、教學(xué)科研結(jié)合、課內(nèi)課外結(jié)合的教學(xué)方式，促進(jìn)了課程知識(shí)掌握，開(kāi)闊了專業(yè)視野，提高了學(xué)生創(chuàng)新思維能力和工程實(shí)踐能力，教學(xué)效果良好，有效地達(dá)成了本課程的教學(xué)目標(biāo)和材料成型及控制工程專業(yè)的畢業(yè)要求。本課程的相關(guān)協(xié)同育人的教學(xué)方法和模式對(duì)應(yīng)用型本科高校提升學(xué)生工程應(yīng)用能力具有積極作用，可以借鑒到其他課程的教學(xué)中，具有一定參考價(jià)值和推廣意義。