基于3D打印技術(shù)探討“增材制造實驗”課程改革要點

董育偉

淮陰工學(xué)院機械與材料工程學(xué)院基礎(chǔ)實驗室，江蘇 淮安 223300

目前，專業(yè)課程教學(xué)是工科專業(yè)人才培養(yǎng)體系中的關(guān)鍵組成，如何整合實驗教學(xué)來滿足國家高科技創(chuàng)新人才的要求，也是當(dāng)代材料專業(yè)教學(xué)中需要面臨的重點教學(xué)任務(wù)。2019年教育部發(fā)布了關(guān)于提高高素質(zhì)人才培養(yǎng)的若干建議，學(xué)校要將最新的科研成果轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生所獲取的知識，提高學(xué)生們學(xué)習(xí)的積極性，進一步加強對學(xué)生科研活動的有效指導(dǎo)，加快科研實踐平臺的建立，更好發(fā)掘和培育創(chuàng)新型人才是未來科學(xué)人才培養(yǎng)的主要發(fā)展趨勢。

一、3D打印技術(shù)在教學(xué)中應(yīng)用現(xiàn)狀

近些年，我國大力推動制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級，在制造業(yè)涌現(xiàn)出了一系列新型技術(shù)，其中3D打印技術(shù)就是一種新高端制造技術(shù)，而且3D打印技術(shù)在國內(nèi)各個高校中推廣，也紛紛設(shè)置了專業(yè)學(xué)科。同時，有些知名高校設(shè)置了專業(yè)的3D打印技術(shù)研究部門。高校將相關(guān)的課程與企業(yè)經(jīng)營相融合，有助于將企業(yè)研發(fā)成果直接應(yīng)用到生產(chǎn)線上。國家給予高校高端制造課題研究投入更多政策、資金支持，學(xué)校為社會培養(yǎng)高端新型的技術(shù)人才，在高校的專業(yè)教學(xué)中引入3D打印技術(shù)，至關(guān)重要，在未來有著顯著應(yīng)用前景。

學(xué)校在生產(chǎn)制造、醫(yī)學(xué)、工業(yè)設(shè)計等多個專業(yè)中都開設(shè)了3D打印技術(shù)課程，使用3D打印技術(shù)，能夠鍛煉學(xué)生們的動手動腦能力，提高同學(xué)們學(xué)習(xí)3D打印技術(shù)的熱情，調(diào)動同學(xué)們學(xué)習(xí)的積極性，能夠展現(xiàn)出更好的課堂教學(xué)效果。在制造實驗課上，有些理論知識比較抽象，在課堂中靈活應(yīng)用3D打印技術(shù)的實物教學(xué)模型，幫助學(xué)生們深度了解課程知識。針對于所開設(shè)專業(yè)課程，教師設(shè)計3D打印教學(xué)專題，設(shè)計課程設(shè)計題目，讓學(xué)生組建項目小組，結(jié)合自己的專題去設(shè)計方案，最終完成產(chǎn)品的研制，可以獲得更好的3D打印產(chǎn)品。而且還能夠展示匯報。使用創(chuàng)客創(chuàng)設(shè)平臺的方法，讓學(xué)生們在課余時間就可以參與3D打印技術(shù)相關(guān)的科研創(chuàng)造活動中，還有學(xué)生們自主學(xué)習(xí)制作動手能力，學(xué)校與企業(yè)也深度合作，在教學(xué)中，融入校企協(xié)作中，學(xué)生們制作出優(yōu)秀的3D打印成果來展示，也可以為企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營提供技術(shù)的支持［1］。

二、材料專業(yè)實驗課程教學(xué)現(xiàn)狀分析

（一）對實驗課上的教學(xué)重視度不足

在實驗課上教學(xué)期間，實驗課是目前專業(yè)教學(xué)的一部分，在實驗課上，學(xué)生們掌握理論知識，通過這些實踐課程，學(xué)生就可以將比較抽象的一類知識引到實踐中，提高知識的靈活應(yīng)用能力，還能夠鍛煉學(xué)生專門的動手操作能力和創(chuàng)新創(chuàng)造能力，能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)潛能。在當(dāng)前的實驗教學(xué)方面，教師受到傳統(tǒng)教育思想理念的限制，語言與課程思路的限制，過去課堂被定義為理論，但是與現(xiàn)代化實踐教學(xué)也有一些沖突，實踐教學(xué)內(nèi)容往往都是教師在課堂上解釋。以開展驗證性實驗，教師在課程講解前期，先設(shè)計好教學(xué)流程，學(xué)生們再動手操作，但是過于限制，就會影響到學(xué)生們發(fā)揮自己創(chuàng)新力和想象力，不能達到未來的課程教學(xué)目標(biāo)［2］。

（二）專業(yè)課程內(nèi)容特色不太突出，內(nèi)容設(shè)置相對落后

在材料專業(yè)課程中，很多課時都是介紹一些已經(jīng)快要淘汰儀器設(shè)備的運行原理、測試方法，這些內(nèi)容太過于枯燥乏味，而且對學(xué)生們來講比較難懂，企業(yè)實際使用也比較少，與自身所學(xué)的專業(yè)關(guān)聯(lián)性不強，造成學(xué)生們學(xué)到的知識相對滯后，而且實用性偏差，材料專業(yè)實踐課程，有許多的基礎(chǔ)性實驗，學(xué)生在實驗中，會遇到過去的一些化學(xué)實驗、物理實驗，在開設(shè)的課程中，就容易出現(xiàn)重復(fù)操作、重復(fù)學(xué)習(xí)的現(xiàn)象，也容易使學(xué)生們對該實驗課程有一定的厭惡感。

（三）課程評價體系需要改變

在過去學(xué)科考核課程中，往往是使用課堂作業(yè)的方式考核學(xué)生，實驗課多數(shù)都是學(xué)生提交一份實驗報告就能夠完成，單一的考核方式會造成學(xué)生們學(xué)習(xí)知識的所有要求，只是為了更多的考分，然而沒有考慮到知識的實用性。因此，這種考核方式太過于單一，未能夠適應(yīng)當(dāng)前教學(xué)改革發(fā)展要求。一些實驗需要同學(xué)們相互配合協(xié)作完成，但是通過學(xué)生的作業(yè)雷同化現(xiàn)象比較突出，這種問題經(jīng)常在實驗課程出現(xiàn)，有的學(xué)生大包大攬，其他學(xué)生卻在場邊區(qū)觀摩［3］。

三、增材制造實驗課程教學(xué)的改革及探索

（一）建立起學(xué)生自主設(shè)計實驗的新型教學(xué)實驗?zāi)Ｊ?/h3>

在過去傳統(tǒng)理論教學(xué)方式下，教師單獨在課堂上講解理論知識，未來就要變更為學(xué)生的自主化研究，實施創(chuàng)新的設(shè)計實驗，教師激發(fā)學(xué)生們對于3D打印技術(shù)、增材制造技術(shù)研究的興趣、主動性，也由過去被動性的知識灌輸，向著主動化學(xué)習(xí)研究方向發(fā)展。教師設(shè)計項目，學(xué)生們?nèi)齻€人為一組，讓學(xué)生主導(dǎo)完成實驗課程，教師過去單純理論講解，逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橹R的引導(dǎo)指引和學(xué)生們的互動合作的項目實踐，讓學(xué)生們逐步變?yōu)閷嶒炚n程的負責(zé)人。在新型教學(xué)模式之下，學(xué)生們就有更多的實驗教學(xué)的主動權(quán)，而且還可以利用學(xué)生自己閑散時間來學(xué)習(xí)理論知識。在實驗課教學(xué)中，教師著重于鍛煉學(xué)生們的科研思維，作為教學(xué)重點，要引導(dǎo)學(xué)生大力去假設(shè)，通過采用合理驗證方法，印證提出的假設(shè)，高效處理問題。

例如，學(xué)校開設(shè)高分材料增材制造作業(yè)中，教師給學(xué)生們一定的機會，讓學(xué)生們動手操作，學(xué)生自主組隊完成一個高分子3D產(chǎn)品的打印項目，學(xué)生使用高分子材料，使用打印機，能夠在課堂上，讓教師展示出學(xué)生們制作出來的作品，采用各種展示方法。教師理清學(xué)生們實踐思路，及回答學(xué)生們在實踐中所出現(xiàn)的問題，提出問題，并且引導(dǎo)學(xué)生去解決問題，明確實驗的思路。在全部實驗期間，3D打印作品的設(shè)計思路也更加清晰，可以精準(zhǔn)查詢出作品的設(shè)計思想。學(xué)生在使用3D打印機時，還要重點考慮到如何降低產(chǎn)品的重量，材料利用率能夠大于50%，利用有限的材料，打印出大體積、精敏度更高的產(chǎn)品［4］。

（二）實驗教學(xué)內(nèi)容要緊扣學(xué)科的發(fā)展前沿領(lǐng)域

重點關(guān)注使用新型設(shè)備新技術(shù)方法，在實驗室要關(guān)注一些新技術(shù)、新材料、新設(shè)備的實際應(yīng)用，在有限時間內(nèi)，教師帶領(lǐng)學(xué)生掌握金屬材料的3D打印機操作要點，讓學(xué)生也可以在計算機軟件內(nèi)建立3D模型。同學(xué)們自主化構(gòu)建模型，逐層打印3D產(chǎn)品，并且獲得優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，也能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，激發(fā)學(xué)生們學(xué)習(xí)3D打印技術(shù)的熱情。

增強實驗內(nèi)容的專業(yè)性，學(xué)生在操作實驗中如果發(fā)現(xiàn)一些問題，自己動手查閱課下文獻資料，以及獨立自主去解決實驗中所存在的問題，如在使用金屬激光成型技術(shù)，研究新材料新結(jié)構(gòu)設(shè)計問題，在互聯(lián)網(wǎng)上或者在圖書館查閱相應(yīng)的技術(shù)文件資料，引導(dǎo)學(xué)生組織開展開放性的學(xué)習(xí)，創(chuàng)新訓(xùn)練實踐，能夠為后期的科技產(chǎn)品競賽而提供工作技術(shù)支持。

（三）增強實驗教師隊伍的建設(shè)

通過加強創(chuàng)新人才隊伍建設(shè)，提高學(xué)校整體的實驗教學(xué)科研水平，同時學(xué)校還要重點關(guān)注教師人才隊伍的專業(yè)化培養(yǎng)，使教師與學(xué)生的距離更近，教師及時講解學(xué)生們在實驗中所出現(xiàn)的問題，加強學(xué)生對于理論知識的認知理解。教師編制實驗教學(xué)大綱，通過與其他教師的合作，達到群策群力的目的，并制定出優(yōu)質(zhì)教學(xué)大綱，在講解時，增加更多實驗儀器設(shè)備構(gòu)造講解和樣品配備方法的講述等一些細節(jié)的實驗作業(yè)環(huán)節(jié)。在實驗方案中，也要能夠加上更多實驗儀器設(shè)備的照片，各種各樣的樣品實驗數(shù)據(jù)，能夠增強理論教學(xué)與實驗教學(xué)之間的銜接度，也能提高學(xué)生們學(xué)習(xí)的興趣［5］。

（四）在課堂教學(xué)方式方面的改革

在過去傳統(tǒng)制造課程教學(xué)工作中，有些概念只有配合實體才能夠展現(xiàn)，但是設(shè)備造價偏高，太過于笨拙，不能夠在課堂上展示。因此，單純靠教師講解知識教學(xué)方式太過于單一，教師只是單純枯燥講解知識，學(xué)生們難以深刻理解制造課程內(nèi)容。而融合了3D打印技術(shù)后，可以改變過去傳統(tǒng)的教學(xué)方式，使用三維一體化的技術(shù)，可以幫助學(xué)生對理論知識有深刻的理解。學(xué)生在課程設(shè)計時，就要設(shè)計和打印出比較滿意的零部件，更好地掌握理論知識，也能夠大幅提高學(xué)生們的知識應(yīng)用能力，動手操作能力，學(xué)生在這種新型教學(xué)方式之下，就會感受到材料增材制造技術(shù)的學(xué)習(xí)樂趣，同時也會進一步提高3D打印技術(shù)課程學(xué)習(xí)的效果［6］。

（五）學(xué)習(xí)方式方面的改革

在傳統(tǒng)課堂教學(xué)期間，機械制造專業(yè)課程，會涉及大量復(fù)雜組合體的知識，學(xué)生們只是在課堂上聽教師講解一些理論知識，或者查看教師播放的二維圖片，很難深入理解原理。在課堂上，融入3D打印技術(shù)，建立起開放性的實驗室，讓同學(xué)們自己去建模，并且針對提出來的問題，在課堂上討論，教師給其提供機會，讓學(xué)生們自主掌握3D打印技術(shù)，這種學(xué)習(xí)方式就能夠獲得監(jiān)督學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，激發(fā)了學(xué)生們學(xué)習(xí)的熱情，引導(dǎo)學(xué)生們?nèi)ブ鲃訉W(xué)習(xí)知識［7］。

（六）授課采取多種形式，激發(fā)學(xué)生們學(xué)習(xí)的興趣

結(jié)合3D打印材料和金屬合成獨特的特性，在課堂教學(xué)中，可充分使用多媒體演示、計算機三維建模的手段，在有限時間內(nèi)能夠最大限度發(fā)揮多媒體教學(xué)效果，讓學(xué)生們系統(tǒng)設(shè)計新產(chǎn)品，展開CAD的分析。了解到先進制造技術(shù)引導(dǎo)下的產(chǎn)品，快速創(chuàng)新產(chǎn)品研發(fā)課堂教學(xué)，教師以學(xué)生為中心，讓學(xué)生們在課下利用閑暇時間，自覺學(xué)習(xí)新知識，在上課時教師通過設(shè)計教學(xué)場景，讓學(xué)生作為老師來講解知識，這樣有助于讓同學(xué)們提高學(xué)習(xí)積極性，也讓學(xué)生在過去一味被灌輸?shù)闹R環(huán)境之下，轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃踊膶W(xué)習(xí)，也能夠促使同學(xué)們團隊協(xié)作、溝通交流，實現(xiàn)對新知識的深度認知和理解。學(xué)校也可以聘請外部的3D打印技術(shù)專家，來學(xué)校開展3D技術(shù)前沿講座，讓學(xué)生們都能夠聆聽專家們講解，獲取3D打印技術(shù)理論，如此能拓寬學(xué)生的思維，讓學(xué)生不僅學(xué)習(xí)課本上知識，而且能夠活躍課堂氣氛，創(chuàng)新教學(xué)模式［8］。在學(xué)校工程訓(xùn)練中心，增加三維數(shù)字化的模型設(shè)計和3D打印快速成型技術(shù)課程，讓學(xué)生們可以近距離接觸這些設(shè)備，學(xué)習(xí)仿真研發(fā)和生產(chǎn)線的相關(guān)知識。學(xué)校為學(xué)生創(chuàng)造了一個真實的實驗環(huán)境，讓學(xué)生都能夠?qū)W(xué)到的理論知識與科研實踐相結(jié)合，突出解決日常的實際問題。

四、結(jié)束語

在教學(xué)資源的支持之下，通過整合高校內(nèi)部的課件教學(xué)資源，能夠協(xié)助發(fā)揮教學(xué)平臺的優(yōu)勢，讓優(yōu)秀的成果都能夠轉(zhuǎn)變?yōu)榻虒W(xué)資源來豐富教學(xué)內(nèi)容，創(chuàng)新學(xué)生的思維，教師引導(dǎo)學(xué)生進入到實驗室來動手操作，參與到該項作業(yè)，提高了學(xué)生們的科研攻關(guān)和創(chuàng)新能力水平［9］。在高校材料專業(yè)課程中，融合3D打印技術(shù)，對于教學(xué)模式轉(zhuǎn)變都有重大影響，學(xué)校配備足夠的資金，配備專業(yè)設(shè)備和教師人才，在課堂上使用3D打印技術(shù)，會展示出更好的教學(xué)效果，能夠豐富課堂教學(xué)內(nèi)容；3D模型增強了學(xué)生們的認知，提高了同學(xué)們學(xué)習(xí)的興趣，而且還培養(yǎng)了學(xué)生動手能力，拓寬了學(xué)生的思維，為國家培養(yǎng)了更多專業(yè)化的制造人才。