新工科背景下智能制造專業(yè)3D打印技術(shù)課程教學(xué)改革探索

王廣原 吳王平 江 鵬 潘海軍 王 琦

常州大學(xué)機(jī)械與軌道交通學(xué)院智能制造產(chǎn)業(yè)學(xué)院 江蘇常州 213164

一、概述

近年來,教育部積極推動(dòng)新工科建設(shè),探索形成中國特色、世界水平的新工科教育體系,打造世界工程創(chuàng)新中心和人才高地,從而應(yīng)對新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革[1]。新工科建設(shè)理念的內(nèi)涵是以立德樹人為引領(lǐng),以應(yīng)對變化、塑造未來為建設(shè)理念,以繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)調(diào)與共享為主要途徑,為未來培養(yǎng)多元化、創(chuàng)新型卓越工程技術(shù)人才[2]。新工科建設(shè)的推進(jìn)促進(jìn)了高校人才培養(yǎng)方式從傳統(tǒng)的單一學(xué)科和行業(yè)向跨學(xué)科、跨行業(yè)的轉(zhuǎn)變,以達(dá)到培養(yǎng)未來多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才的目的,使培養(yǎng)的人才更能適應(yīng)社會(huì)和科技的飛速發(fā)展需求。

3D打印技術(shù)又稱增材制造技術(shù),它是以零件的三維CAD模型為藍(lán)本,通過切片分層軟件得到零件每一層的二維輪廓信息,然后利用激光束、電子束、熱熔噴嘴等熱源將金屬、陶瓷、塑料、生物組織等材料沿零件的二維輪廓進(jìn)行逐層堆積,制造出完整零件,從而實(shí)現(xiàn)近凈成形。與傳統(tǒng)制造業(yè)通過等材和減材的機(jī)械加工方式不同,3D打印技術(shù)使用逐層疊加的成型方式,使生產(chǎn)制造更加簡易化、快速化、低成本化。目前,3D打印技術(shù)已經(jīng)在航空航天、生物醫(yī)療、模具與汽車制造、藝術(shù)創(chuàng)作等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在《中國制造2025》戰(zhàn)略規(guī)劃中,3D打印被列為關(guān)鍵技術(shù)之一,將推動(dòng)中國制造業(yè)產(chǎn)業(yè)升級和高質(zhì)量發(fā)展。

3D打印作為一個(gè)新興的制造領(lǐng)域,迫切需要大量高素質(zhì)應(yīng)用型專業(yè)人才從事相關(guān)工作。但是,由于目前國內(nèi)3D打印技術(shù)方面的人才匱乏,存在巨大的人才缺口,使得3D打印技術(shù)得不到有效推廣應(yīng)用[3]。而另一方面我國3D打印方面的教學(xué)尚處起步階段,教學(xué)經(jīng)驗(yàn)較為匱乏,人才培養(yǎng)方式亟待完善。本文以我校智能制造專業(yè)3D打印技術(shù)教學(xué)為例,分析教學(xué)過程中存在的主要問題,并從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式、課程思政、考核方式等方面探索如何在新工科背景下進(jìn)行智能制造專業(yè)3D打印技術(shù)的教學(xué)改革。

二、3D打印技術(shù)教學(xué)特點(diǎn)及存在的主要問題

3D打印技術(shù)為智能制造工程專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)選修課程,主要講授3D打印的基本概念、主流3D打印設(shè)備的工作原理、核心技術(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域,使學(xué)生理解并掌握包括噴射式3D打印、熔融沉積、光固化立體成型、選擇性激光燒結(jié)和熔化、激光熔化沉積等技術(shù)原理及其在工程、生物等領(lǐng)域的應(yīng)用,了解3D打印最新技術(shù)及其發(fā)展趨勢,為后期從事相關(guān)領(lǐng)域的研究或工作打下基礎(chǔ)。

盡管目前3D打印在人們?nèi)粘Ｉ钆c工業(yè)生產(chǎn)中的需求日益增加,但是我國很多高校的理工類專業(yè)中3D打印技術(shù)教學(xué)的重視程度仍較低,給予的教學(xué)資源及課程設(shè)置等較少,并且教學(xué)過程中存在許多不足之處,可以總結(jié)為以下幾點(diǎn)。

(一)教學(xué)內(nèi)容淺顯

目前,大多數(shù)高校對3D打印技術(shù)課程的教學(xué)重視程度較低,在課程設(shè)置中一般作為專業(yè)基礎(chǔ)選修課,分配的學(xué)分和課時(shí)較少,設(shè)置的教學(xué)目標(biāo)要求較低。但是由于3D打印涉及的技術(shù)門類較多,目前缺乏全面深入系統(tǒng)介紹3D打印技術(shù)的教材,對于每一種3D打印技術(shù)的教學(xué)內(nèi)容主要圍繞其基本原理和應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行講解,涉及的教學(xué)內(nèi)容較為淺顯枯燥,缺少實(shí)際案例,無法使學(xué)生深入理解每一種3D打印技術(shù)的內(nèi)涵,難以將學(xué)到的知識應(yīng)用于實(shí)踐,也就無法激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣,學(xué)生對課程學(xué)習(xí)的重視程度較低,最終導(dǎo)致該課程的教學(xué)效果較差。

(二)教學(xué)方式落后

目前3D打印技術(shù)的教學(xué)是以教師講授為主,學(xué)生被動(dòng)接受知識,學(xué)生的參與程度較低,師生之間的互動(dòng)也較少,也就導(dǎo)致了課堂效率較為低下[5]。教師在講授時(shí),主要通過PPT的形式展示每一類3D打印技術(shù)的原理、設(shè)備、制造過程,無法使學(xué)生形成直觀的印象,只能短時(shí)機(jī)械記憶,隨著時(shí)間延長容易遺忘。另一方面,由于學(xué)校教學(xué)條件有限,無法提供各類3D打印設(shè)備供教師演示和讓學(xué)生進(jìn)行動(dòng)手操作,缺少實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié),導(dǎo)致學(xué)生不能很好地理解教學(xué)內(nèi)容,又無法鍛煉動(dòng)手和實(shí)踐能力。因此在目前的教學(xué)方式下,學(xué)生未來在踏入社會(huì)后不能很好地勝任3D打印的工作。

(三)考核方式單一

目前,3D打印技術(shù)作為一門專業(yè)基礎(chǔ)選修課程,考核方式比較單一,主要通過考查的形式進(jìn)行考核?？疾榈膬?nèi)容為圍繞某一種3D打印技術(shù)的原理國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、存在問題和解決方法撰寫綜述性論文進(jìn)行闡述。盡管教師在布置論文前已要求學(xué)生進(jìn)行原創(chuàng),但很多學(xué)生仍通過復(fù)制大段文獻(xiàn)內(nèi)容進(jìn)行拼湊,且不同學(xué)生之間的重復(fù)率較高,論文總體質(zhì)量較差。因此該考核方式無法真實(shí)反映學(xué)生的學(xué)習(xí)效果,也難以使學(xué)生真正掌握3D打印知識,無法達(dá)到理想的教學(xué)效果。

三、智能制造專業(yè)3D打印技術(shù)課程教學(xué)改革探索

為了解決目前3D打印技術(shù)教學(xué)存在的問題,同時(shí)為了積極響應(yīng)新工科建設(shè)的號召,培養(yǎng)出多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才,本文將從3D打印技術(shù)課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式、課程思政和考核方式等方面提出改革的思路。

(一)豐富教學(xué)內(nèi)容,增加案例教學(xué)

相比于智能制造的其他專業(yè)課,3D打印技術(shù)融合了機(jī)械、材料、計(jì)算機(jī)、激光等多學(xué)科的知識,涉及的知識點(diǎn)較多較雜。為便于學(xué)生理解,教師在講授3D打印技術(shù)時(shí),可以按照原材料-打印設(shè)備-打印過程-產(chǎn)品質(zhì)量檢測的順序進(jìn)行闡述,對所涉及各方面的基礎(chǔ)知識適當(dāng)講解,這樣既能體現(xiàn)知識的系統(tǒng)性、完整性和一貫性,又能避免泛泛講授的枯燥性。例如,當(dāng)講解選區(qū)激光熔化技術(shù)時(shí),可以首先介紹原材料金屬粉末的制備工藝與粉末的質(zhì)量評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。接著介紹選區(qū)激光熔化設(shè)備中激光是如何產(chǎn)生的、激光在設(shè)備中的光路控制、激光與材料的作用機(jī)理、成型后材料的顯微組織表征與相關(guān)性能測試方法。為引起學(xué)生未來從事3D打印相關(guān)行業(yè)的興趣,教師可以介紹國內(nèi)外先進(jìn)的3D打印設(shè)備公司及其最新的代表產(chǎn)品、3D打印行業(yè)所需的各種職業(yè)崗位和擔(dān)任的主要工作任務(wù)。另外,可為打算繼續(xù)深造的學(xué)生介紹國際上從事3D打印研究知名的科研團(tuán)隊(duì)及其最新的研究成果,激發(fā)其科研創(chuàng)新的動(dòng)力。

另一方面,通過增加案例教學(xué)并以問題為導(dǎo)向來鍛煉學(xué)生的獨(dú)立思考和學(xué)習(xí)的能力,并學(xué)會(huì)如何處理工程問題。例如,以熔融沉積成型某一人物和動(dòng)物模型為例,教授三維數(shù)據(jù)建模、零件擺放方式和支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、零件后期的打磨拋光上色等后處理過程。對具體的工藝設(shè)計(jì)部分通過設(shè)置提問環(huán)節(jié)讓學(xué)生在解決案例問題的過程中提高科學(xué)的邏輯思維,并結(jié)合教師指導(dǎo)和實(shí)踐教學(xué),幫助學(xué)生掌握課程知識。

(二)創(chuàng)新教學(xué)方法,塑造學(xué)生主體意識

在新工科建設(shè)的背景下,為培養(yǎng)出符合我國經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型發(fā)展需求的卓越工程科技人才,有必要塑造學(xué)生主體意識以鍛煉創(chuàng)新思維與實(shí)踐應(yīng)用能力[6]。在傳統(tǒng)的以教師為主體的單向灌輸教學(xué)方式下,學(xué)生只能被動(dòng)接受教育,容易對教師形成依賴并形成思維定式,也就無法在未來的工作中創(chuàng)新創(chuàng)造。而為了塑造學(xué)生的主體意識,教師應(yīng)多扮演“主持人”的角色,在講授完基本知識點(diǎn)后,引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)對拓展的知識點(diǎn)進(jìn)行學(xué)習(xí)。例如,當(dāng)課上講解完激光選區(qū)熔化的原理和打印過程后,指出目前激光選區(qū)熔化的金屬成形件仍存在一些質(zhì)量問題,尤其是變形和開裂問題,然后讓學(xué)生課后主動(dòng)查找資料,總結(jié)激光選區(qū)熔化金屬材料發(fā)生變形和開裂的原因和解決方法,并以研究報(bào)告的形式上交。另一方面,也可以組織學(xué)生進(jìn)行分組學(xué)習(xí)和討論,選題包括3D打印在航空航天、生物醫(yī)療、汽車制造、模具制造及修復(fù)領(lǐng)域中的應(yīng)用,探討每一方面的研究現(xiàn)狀、存在問題及展望,最后以PPT的形式在課堂上進(jìn)行匯報(bào)演講。當(dāng)每組匯報(bào)結(jié)束后,組織其他組的學(xué)生進(jìn)行提問,匯報(bào)的學(xué)生進(jìn)行相應(yīng)的回答,最后教師進(jìn)行點(diǎn)評。在討論過程中,教師引導(dǎo)學(xué)生積極發(fā)言,對學(xué)生的匯報(bào)成果充分尊重和鼓勵(lì),激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情,同時(shí)指出一些不足,針對性地提出改進(jìn)方法。

(三)增加仿真教學(xué),提高實(shí)踐能力

由于在實(shí)際的3D打印生產(chǎn)中涉及工藝參數(shù)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、后處理等多種因素,因此為打印出符合質(zhì)量要求的產(chǎn)品往往在前期需要進(jìn)行多次試驗(yàn)。但是打印設(shè)備和材料往往較為昂貴,造成打印試驗(yàn)的成本較高,所以如何減少試驗(yàn)次數(shù)又能保證打印質(zhì)量就非常重要。而通過仿真技術(shù)對打印過程進(jìn)行模擬,便可以分析各因素對打印質(zhì)量的影響,從而能夠以盡量少的試驗(yàn)次數(shù)得出最優(yōu)化的打印工藝,在實(shí)際生產(chǎn)中的地位變得愈加重要。另一方面,在3D打印技術(shù)課程中引入仿真的教學(xué)也可以一定程度解決實(shí)驗(yàn)條件欠缺所帶來的學(xué)生實(shí)踐能力鍛煉不足的問題。由于學(xué)生能自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),也能調(diào)動(dòng)學(xué)生參與實(shí)踐活動(dòng)的積極性。以激光選區(qū)熔化技術(shù)為例,仿真教學(xué)內(nèi)容包括:(1)利用有限元模擬軟件研究激光功率、掃描速度等工藝參數(shù)對于打印過程中的溫度及應(yīng)力場的影響,以此為依據(jù)減少打印過程中的應(yīng)力,確定最佳的工藝參數(shù)組合;(2)分析零件擺放角度、掃描路徑、支撐結(jié)構(gòu)對零件殘余應(yīng)力和變形分布的影響規(guī)律,并進(jìn)行優(yōu)化。未來可以進(jìn)一步構(gòu)建3D打印虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái),對各類3D打印技術(shù)進(jìn)行仿真教學(xué),提高其教學(xué)比重,讓學(xué)生能夠全程參與零件前處理、打印過程、后處理的實(shí)驗(yàn)階段。

(四)融入課程思政,激發(fā)家國情懷

新工科建設(shè)作為服務(wù)于國家戰(zhàn)略的智力支撐和人才支持,需要在實(shí)施人才培養(yǎng)的全過程中融入家國情懷的培育,使新工科人才能夠服務(wù)國家的發(fā)展需求[7]。教師在3D打印技術(shù)課程中融入課程思政元素一方面可以激發(fā)學(xué)生投身于我國先進(jìn)制造業(yè)的熱情,另一方面能幫助學(xué)生塑造正確的世界觀、人生觀、價(jià)值觀。例如,在講授光固化快速成型的發(fā)展歷程時(shí),介紹盧秉恒院士在20世紀(jì)90年代面對國外技術(shù)壁壘和國內(nèi)資金缺乏的困難,通過另辟蹊徑開發(fā)出具有國際首創(chuàng)的紫外光快速成型機(jī),迅速實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化,極大地推動(dòng)了我國光固化快速成型的發(fā)展進(jìn)步。在講授激光熔化沉積在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用時(shí),介紹王華明院士團(tuán)隊(duì)經(jīng)多年鉆研制造出飛機(jī)大型整體鈦合金結(jié)構(gòu)件,使我國成為世界上唯一掌握高性能大型金屬零件激光制造技術(shù)的國家。通過以上內(nèi)容的講解,學(xué)生能夠領(lǐng)會(huì)到大國工匠除了要有豐富的專業(yè)知識,也要有獨(dú)立自主、不怕艱難、敢于拼搏的精神,為實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興貢獻(xiàn)自己的力量。

(五)考核多樣化,調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)能動(dòng)性

3D打印技術(shù)課程改變過去單一以提交論文為主的考核形式,通過將過程性考核(占比40%)和終結(jié)性考核(占比60%)相結(jié)合的方式對學(xué)生所學(xué)3D打印知識掌握情況進(jìn)行考核。過程性考核比重相較過去有所增加,考核形式多樣,包括出勤(占比10%)、課堂互動(dòng)(占比5%)、PPT匯報(bào)(占比15%)、平時(shí)作業(yè)(占比10%)的形式。其中,PPT匯報(bào)分為三次,由三名學(xué)生一組,每次由不同學(xué)生輪流匯報(bào),保證每名學(xué)生均有上臺(tái)匯報(bào)的機(jī)會(huì),鍛煉其語言組織和表達(dá)能力,其余學(xué)生負(fù)責(zé)整理資料,匯報(bào)時(shí)間為10分鐘,匯報(bào)成績由指導(dǎo)教師和非本組成員的同學(xué)綜合評分給出。平時(shí)作業(yè)除了對課上的知識點(diǎn)進(jìn)行抽查以外,還包括一些開放性題目,例如如何通過選區(qū)激光熔化技術(shù)打印異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料,如何在打印的過程中實(shí)現(xiàn)金屬的晶粒細(xì)化,如何在太空失重條件下實(shí)現(xiàn)3D打印等。終結(jié)性考核改變過去提交綜述性論文的形式,要求學(xué)生以自己的姓名為藍(lán)本,利用仿真軟件自己設(shè)計(jì)支撐結(jié)構(gòu)和掃描路徑,模擬打印過程中的溫度、應(yīng)力應(yīng)變場,最后將模擬結(jié)果總結(jié)在報(bào)告上,并附上選用的3D打印工藝種類、工藝參數(shù)、材料屬性等信息,在引言中也要對該3D打印工藝進(jìn)行基本介紹。新的考核方式相比于傳統(tǒng)考核方式更能鍛煉學(xué)生的實(shí)踐能力,也能反映學(xué)生的知識掌握情況。

結(jié)語

3D打印技術(shù)是推動(dòng)我國制造業(yè)產(chǎn)業(yè)升級和高質(zhì)量發(fā)展的重要領(lǐng)域,但目前3D打印技術(shù)課程教學(xué)存在的教學(xué)內(nèi)容淺顯、教學(xué)方式落后、考核方式單一等問題制約了該領(lǐng)域的高質(zhì)量人才培養(yǎng)。本文探索通過豐富教學(xué)內(nèi)容、創(chuàng)新教學(xué)方法、增加仿真教學(xué)、融入課程思政、考核多樣化等方式進(jìn)行教學(xué)改革,充分鍛煉學(xué)生的獨(dú)立思考、自主學(xué)習(xí)、創(chuàng)新思維與實(shí)踐應(yīng)用的能力,促進(jìn)學(xué)生掌握3D打印相關(guān)的知識點(diǎn)和技能,從而培養(yǎng)出3D打印領(lǐng)域內(nèi)的卓越工程技術(shù)人才。