工程訓(xùn)練課程3D 打印模塊的教學(xué)改革與實(shí)踐

張科研

（北部灣大學(xué) 機(jī)械與船舶海洋工程學(xué)院工程訓(xùn)練中心，535011，廣西欽州）

3D 打印技術(shù)是第三次工業(yè)革命的重要標(biāo)志之一，是制造業(yè)領(lǐng)域正在迅速發(fā)展的一項(xiàng)新興技術(shù)，在教育應(yīng)用中亦有著深刻的創(chuàng)新實(shí)踐意義。2013 年，清華大學(xué)博士生導(dǎo)師顏永年教授在中天科技學(xué)院“大講堂”作報(bào)告時(shí)講到，3D 打印最大的作用在于可以訓(xùn)練培養(yǎng)及啟發(fā)年輕人的智力。華中科技大學(xué)史玉升教授也認(rèn)為，3D 打印技術(shù)最大的優(yōu)勢(shì)在于拓展學(xué)生的想象空間[1]。因此，將3D 打印技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)實(shí)踐過(guò)程，對(duì)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新思維等的培養(yǎng)有著重要的意義。

2016 年全國(guó)高校思想政治工作會(huì)議指出：“要把思想政治工作貫穿教育教學(xué)全過(guò)程，推動(dòng)‘思政課程’向‘課程思政’轉(zhuǎn)變，挖掘梳理各門課程的德育元素，完善思想政治教育課程體系建設(shè)?！盵2]思政要素的融入，不僅能夠極大地提高學(xué)子們的祖國(guó)自豪感，還能激發(fā)其主動(dòng)學(xué)習(xí)熱情。因此，有必要在3D 打印課程中融入思政要素。

OBE（Outcome-Based Education）即成果導(dǎo)向教育，是把學(xué)習(xí)成果或結(jié)果當(dāng)做指導(dǎo)方向的教育理念。它是以預(yù)期學(xué)習(xí)產(chǎn)出為中心來(lái)組織、實(shí)施和評(píng)價(jià)的結(jié)構(gòu)教育模式。3D 打印是一門以實(shí)踐為主的課程，以學(xué)習(xí)成果為導(dǎo)向適合該課程教學(xué)[3-4]。

1 3D 打印課堂教學(xué)現(xiàn)存問題

根據(jù)文理工科人才培養(yǎng)要求，北部灣大學(xué)分別開設(shè)文理科4 課時(shí)、工科8 課時(shí)的工程訓(xùn)練課程3D 打印模塊。在該模塊同行聽課、評(píng)課及課程教學(xué)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)課程內(nèi)容、教學(xué)實(shí)施過(guò)程及設(shè)施配備存在如下問題。

1.1 課程內(nèi)容缺乏新知識(shí)、差異性和連貫性

課程內(nèi)容方面，理論導(dǎo)入環(huán)節(jié)缺少思政要素和科技前沿內(nèi)容的講述，不能向?qū)W生傳遞最新的科技動(dòng)態(tài)，存在“囿于知識(shí)傳授，遠(yuǎn)離最新前沿”的現(xiàn)象，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)新知識(shí)認(rèn)識(shí)不足，學(xué)習(xí)積極性難以調(diào)動(dòng)。此外，針對(duì)不同學(xué)院、不同專業(yè)的學(xué)生，教學(xué)內(nèi)容大同小異，沒有體現(xiàn)因材施教的教學(xué)理念，脫離了“對(duì)象化學(xué)習(xí)”和“個(gè)性化教學(xué)服務(wù)”的原則，導(dǎo)致學(xué)生循規(guī)蹈矩完成任務(wù)，不能自覺拓展知識(shí)。工程訓(xùn)練各模塊教學(xué)內(nèi)容割裂，讓學(xué)生不能了解不同加工技術(shù)之間的聯(lián)系，缺少對(duì)產(chǎn)品制造流程的整體認(rèn)知。

1.2 課程教學(xué)中3D 打印耗時(shí)長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容同質(zhì)化

課程教學(xué)主要圍繞理論講述、模型打印兩個(gè)環(huán)節(jié)，3D 打印方法易懂但打印耗時(shí)長(zhǎng)，導(dǎo)致部分學(xué)生以玩游戲、看短視頻的方式等待打印。此外，缺少課后相關(guān)知識(shí)拓展資源，不能較好地引導(dǎo)學(xué)生完成自主探究，具體表現(xiàn)為實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容同質(zhì)化現(xiàn)象嚴(yán)重。

1.3 設(shè)施配備種類不足

北部灣大學(xué)現(xiàn)有30 臺(tái)桌面型3D 打印機(jī)、3 臺(tái)封閉式桌面3D 打印機(jī)、4 臺(tái)工業(yè)級(jí)雙噴頭打印機(jī)（以上均為熔融沉積成型技術(shù)，F(xiàn)DM，F(xiàn)used Deposition Modelling）、1 臺(tái)金屬激光3D 打印機(jī)（選擇性激光燒結(jié)技術(shù)，SLS，Selective Laser Sintering）和1 臺(tái)砂型鑄造3D打印機(jī)（無(wú)模鑄型制造技術(shù)，PCM，Patternless Casting Manufacturing）、1 臺(tái)三維逆向掃描儀，配有正版正向設(shè)計(jì)軟件3D One Plus。顯然，現(xiàn)有設(shè)備側(cè)重正向設(shè)計(jì)和熔融打印，能夠滿足文理科學(xué)生教學(xué)要求；逆向掃描[3]軟硬件配備不足，僅正向建模和打印難以滿足工科生教學(xué)要求，同時(shí)也影響3D 打印模塊課程教學(xué)質(zhì)量的提升。

2 3D 打印課程教學(xué)改革的實(shí)施

2.1 課前明確課程教學(xué)目標(biāo)

工程訓(xùn)練3D 打印模塊課程教學(xué)目標(biāo)是，使學(xué)生了解3D 打?。ㄒ卜Q為快速成型制造、增材制造）的一般過(guò)程和主要的成型工藝方法，了解新工藝、新材料在各行各業(yè)中的推廣和應(yīng)用情況；熟悉設(shè)備和工具的安全操作及使用方法；具有崇尚科學(xué)、熱愛勞動(dòng)、遵守紀(jì)律、報(bào)效國(guó)家的職業(yè)素養(yǎng)和道德品質(zhì)。

2.2 實(shí)施課堂教學(xué)

在課堂教學(xué)時(shí)，注重教學(xué)方法的引入，多方面整合現(xiàn)有教學(xué)資源，同時(shí)搭建平臺(tái)建設(shè)新資源，以更好地融入教學(xué)內(nèi)容，形成課中圍繞“方法、資源、內(nèi)容”三要素的良性互促循環(huán)。

清華大學(xué)、山東理工大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)等多所高校，紛紛建設(shè)資源模型素材庫(kù)、線上線下混合式課程[5-8]，此類優(yōu)秀共享教學(xué)資源較多，需要授課教師根據(jù)實(shí)際教學(xué)內(nèi)容引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)，尤其是完成指定章節(jié)的學(xué)習(xí)。目前北部灣大學(xué)基于3D 打印課程的線上課程及素材庫(kù)正在建設(shè)中（以32 課時(shí)3D 打印技術(shù)公共選修課推動(dòng)）。

北部灣大學(xué)3D 打印課程模塊的課時(shí)安排是文理科4 課時(shí)、工科8 課時(shí)，具體課時(shí)安排：理論講授，文理科15 min/工科30 min；軟件操作及設(shè)備使用講授，30 min；完成基本任務(wù)，文理科70 min/工科160 min；依據(jù)專業(yè)特色的自主創(chuàng)新訓(xùn)練，文理科50 min/工科125 min；課堂總結(jié)，10 min；6S 整理整頓，5 min。

2.2.1 理論部分授課

課程的導(dǎo)入應(yīng)體現(xiàn)深入淺出的思想。3D 打印是當(dāng)下迅速發(fā)展的一種新型制造技術(shù)，全球各國(guó)都在科研攻關(guān)，已取得突破性進(jìn)展，因此，課程的導(dǎo)入要以最新的科研視角去授課。對(duì)于理論授課內(nèi)容要求教師提前做好充足的知識(shí)儲(chǔ)備，包括問題導(dǎo)入、3D 打印技術(shù)的原理及優(yōu)缺點(diǎn)、3D 打印技術(shù)的發(fā)展歷史及當(dāng)下技術(shù)的偉大成就、我國(guó)3D 打印技術(shù)取得的矚目成就。

在詳細(xì)描述了上述成就后，學(xué)生們的民族自豪感油然而生，激發(fā)了他們的愛國(guó)熱情及探索科學(xué)知識(shí)的熱情。

以上內(nèi)容大約控制在15 min，工科生另外15 min的理論內(nèi)容側(cè)重不同成型工藝原理及設(shè)備結(jié)構(gòu)、工業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀的簡(jiǎn)介，這部分屬于工科生應(yīng)該了解的專業(yè)知識(shí)范疇。

2.2.2 軟件操作及設(shè)備使用講授

主要講解3D One 三維設(shè)計(jì)軟件的界面和繪圖方法，以及如何完成設(shè)計(jì)。要求利于打印，減少不必要的支撐，導(dǎo)出.stl 文件格式后用UP 三維打印軟件打開，設(shè)置好打印參數(shù)，進(jìn)而完成打印。其間，重點(diǎn)講授3D打印機(jī)如何正確調(diào)整噴頭高度、更換料盤、設(shè)置打印參數(shù)、應(yīng)急處理及安全操作事項(xiàng)。

2.2.3 基本教學(xué)任務(wù)實(shí)施

對(duì)于文理科學(xué)生，結(jié)合其他工種學(xué)習(xí)的已加工零件模型，如車削的階梯軸、銑削的盤套件、鉗工的六角螺母或錘頭等，通過(guò)3D 打印的加工方式實(shí)現(xiàn)快速成型，如圖1 所示。對(duì)于工科學(xué)生，如果教學(xué)形式采用線上線下混合方式，線上教學(xué)內(nèi)容主要是學(xué)習(xí)3D One 系列軟件的三維造型及色彩渲染，線上課程作品如圖2 所示。圖2（a）為鉗工重要設(shè)備臺(tái)虎鉗；圖2（b）為冰墩墩，是2022年北京冬奧會(huì)的吉祥物，寓意創(chuàng)造飛凡、探索未來(lái)，體現(xiàn)了追求卓越、引領(lǐng)時(shí)代，以及面向未來(lái)的無(wú)限可能；圖2（c）為和諧塔，是欽州市地標(biāo)性建筑，展示了秀麗的濱海新城風(fēng)光。線上作品可以是設(shè)計(jì)裝配件，也可以是創(chuàng)新創(chuàng)意作品。

圖1 文理科生3D 打印作品

圖2 工科生線上課程作品

2.2.4 專業(yè)特色自主創(chuàng)新訓(xùn)練

在上一環(huán)節(jié)中，學(xué)生基本掌握了3D 打印設(shè)備、三維設(shè)計(jì)軟件的操作。接下來(lái)進(jìn)入到創(chuàng)新進(jìn)階階段，該階段注重學(xué)生自主創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。結(jié)合北部灣大學(xué)各專業(yè)特色，建立面向不同專業(yè)3D 打印系列素材庫(kù)，素材庫(kù)搭建在“今日校園-爾雅課堂-3D 打印技術(shù)”欄目，既可以下載模型也可以上傳模型。

在本環(huán)節(jié)中，要求根據(jù)給定的設(shè)計(jì)主題，例如可愛卡通人物、奧運(yùn)吉祥物、鑰匙裝飾扣、多變手機(jī)支架、汽車多彩掛扣等，或者結(jié)合各項(xiàng)3D 打印大賽的典型主題，設(shè)定打印主題[9]。例如，2019 年吉林省職業(yè)技能大賽工業(yè)產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)與快速成型的賽題為“以卡通人物為主題創(chuàng)意設(shè)計(jì)一款手搖小風(fēng)扇”。

還有，適用于工科類的加強(qiáng)環(huán)節(jié)。在教學(xué)內(nèi)容上實(shí)現(xiàn) “逆向掃描建模+3D 打印”“3D 打印+鑄造”“3D 打印+車削”“3D 打印+線切割”“3D 打印+CNC 加工”“3D打印+熱處理”“3D 打印+技能大賽”等模式的教學(xué)內(nèi)容改革創(chuàng)新。設(shè)計(jì)鑄造用模樣，用3D 打印獲得該模樣，在隨后鑄造環(huán)節(jié)使用該模樣即可獲得鑄件；如果進(jìn)一步要求零件的尺寸和表面精度，可再進(jìn)入到下一工種車削或銑削加工；如果考慮零件的力學(xué)性能（抗拉強(qiáng)度、硬度、耐磨性能等），再進(jìn)行金屬熱處理，最終加工成為尺寸、形狀精度、性能合格的產(chǎn)品。在這樣一個(gè)環(huán)節(jié)中，可以讓學(xué)生真正了解從毛坯件生產(chǎn)、切削加工到熱處理的生產(chǎn)工藝流程。

2.2.5 課堂總結(jié)

課堂總結(jié)是對(duì)課程知識(shí)的回顧及延伸，學(xué)生通過(guò)設(shè)計(jì)創(chuàng)新并打印得到實(shí)物，從中獲得成就感并對(duì)3D打印技術(shù)有了更深入的了解。最后，通過(guò)提問的方式再次引導(dǎo)學(xué)生課后繼續(xù)探索新知識(shí)，結(jié)合自己專業(yè)探討3D 打印技術(shù)的應(yīng)用，并寫入實(shí)驗(yàn)報(bào)告中。

2.3 課后教學(xué)考核

結(jié)合3D 打印課程的課時(shí)、教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容和現(xiàn)有資源四方面因素，以及課堂教學(xué)階段任務(wù)完成情況，設(shè)置了該課程的分值分配表。該表從5 個(gè)層面考核學(xué)生的學(xué)習(xí)情況：課堂聽課情況（10 分）、完成基本任務(wù)情況（40 分）、創(chuàng)新情況（25 分）、執(zhí)行6S 管理情況（10分）以及實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫情況（15 分）。該評(píng)分方案較完整地涉及了學(xué)生學(xué)習(xí)的整個(gè)流程的評(píng)價(jià)，經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明，分?jǐn)?shù)分布符合正態(tài)分布，且評(píng)分可操作、內(nèi)容更全面。

3 教學(xué)改革實(shí)施效果

在3D 打印課程新教學(xué)模式、教學(xué)改革方案提出后，經(jīng)過(guò)2020—2021 學(xué)年的教學(xué)改革實(shí)踐，明顯發(fā)現(xiàn)課堂上學(xué)生學(xué)習(xí)更專注，提出問題和相互交流的情況增多，能夠認(rèn)真完成基本任務(wù)，并積極主動(dòng)完成創(chuàng)意作品的設(shè)計(jì)和打印。此外，從實(shí)驗(yàn)報(bào)告中發(fā)現(xiàn)，部分學(xué)生確實(shí)在課下查找資料，了解與本專業(yè)相關(guān)的3D 打印技術(shù)的發(fā)展，還談了自己對(duì)該技術(shù)發(fā)展的期盼。這是一門文理科僅4 課時(shí)、工科8 課時(shí)的實(shí)踐課，已經(jīng)達(dá)到了預(yù)期的教學(xué)效果。

4 結(jié)語(yǔ)

課程教學(xué)內(nèi)容的創(chuàng)新，能更好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，達(dá)到教學(xué)目的，提升教學(xué)效果。學(xué)習(xí)、了解3D 打印技術(shù)，并在實(shí)踐環(huán)節(jié)中加以應(yīng)用，以期學(xué)生在未來(lái)的專業(yè)發(fā)展（創(chuàng)新型比賽、畢業(yè)設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)）和職業(yè)成就中，能夠?qū)崿F(xiàn)知識(shí)的交叉融合應(yīng)用。單元性實(shí)踐課程將OBE 教學(xué)理念融入課堂教學(xué)，將極大地提高教學(xué)效果，對(duì)實(shí)踐課程教學(xué)的開展具有重要的指導(dǎo)意義。