融入PDCA循環(huán)模式的3D打印與逆向工程技術實踐教學改革

摘 要 在工程訓練實踐課程體系中新建3D打印與逆向工程技術課程，將3D打印技術、三維設計技術、三維掃描技術、逆向工程技術相互交叉結合，在整個授課過程中不僅融合了創(chuàng)新設計的內容，還融入PDCA循環(huán)模式，增強學生的興趣，提升了教學質量。

關鍵詞 逆向工程技術；PDCA循環(huán)模式；工程訓練；實踐教學；3D打印技術

中圖分類號：G642.44 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）19-0157-03

0 引言

在新工科建設背景下，高等教育人才的培養(yǎng)需要服務經濟產業(yè)的轉型和升級，高校實踐工程訓練相關課程應與時俱進，持續(xù)地改革創(chuàng)新，緊跟當前科技發(fā)展的新方向、新理念和新方法，將新技術引入實踐課程內容。教學改革的重點是知識的跨學科應用，同時需要強調創(chuàng)新思維的發(fā)展和培養(yǎng)，提升學生的工程實踐能力[1]。

隨著工業(yè)4.0時代的到來，“互聯(lián)網+”新背景下的3D打印技術與逆向工程技術成為新技術的代表，近年來發(fā)展迅速。隨著3D打印技術的發(fā)展及其工業(yè)應用的普及，國內一些主要大學已經將對3D打印的學習和3D打印實踐作為工程訓練實踐教學過程中的教學內容。然而，相關教學往往集中在3D打印工藝學習方面，缺少對學生創(chuàng)新創(chuàng)造能力進行鍛煉和綜合實踐運用的機會。一些高校在3D打印技術教學中添加了三維掃描的內容，但也只是使用掃描得到的數(shù)據(jù)進行3D打印制造加工，并沒有將掃描數(shù)據(jù)檢測環(huán)節(jié)和逆向工程技術添加到3D打印技術的教學中，更沒有創(chuàng)建全周期的PDCA循環(huán)學習系統(tǒng)[3-5]。

1 PDCA循環(huán)

PDCA循環(huán)理論是質量管理專家Watson K等[2]提出的一種科學的質量管理方法，包含設計、實施、驗證和操作四個階段。PDCA循環(huán)以解決問題為導向，控制循環(huán)連續(xù)運行，循環(huán)次數(shù)多，且不斷增長。PDCA循環(huán)可以科學地管理工作流程，提高連續(xù)循環(huán)的工作質量。

PDCA循環(huán)模式在美國許多大學被78d9b14b69cb791f4fe1f0458c70e46e廣泛應用于課堂教學。一些國內醫(yī)學類高校在醫(yī)學和護理學實踐教學中也融入了PDCA循環(huán)模式，效果良好。但在工程實踐教學中使用PDCA循環(huán)模式的大學還很少，目前主要是用于實踐教學質量管理，較少用于教學內容設置。將PDCA循環(huán)模式用于工程訓練實踐教學更寥寥無幾，與3D打印技術教學相結合的幾乎沒有。

2 西安交通大學在教學改革前的狀態(tài)和進行

教學改革后解決的主要問題

1）學校原有的工程訓練實習各工種中既沒有3D打印工種，也沒有逆向工程技術工種。進行教學改革后，將3D打印技術與逆向工程技術相結合的這一新工種加入工程訓練實習，讓學生可以緊跟新時代和新技術的發(fā)展，學習并掌握現(xiàn)代加工的相關知識和技能。

2）學校原有工程訓練實習中的教學形式和教學方法相對來說比較單一，教學的效果和質量都有待提高。學校原有的工程訓練實習實踐性比較強，實踐的時間很集中，不僅班級多，而且學生人數(shù)也多，以教師的講授、示范以及學生的模仿和操作實踐學習為主。在整個教學過程中，學生的興趣、實踐的效果和最終的實踐質量均有待提高。經過教學改革，在整個授課過程中首先融合創(chuàng)新設計的內容，其次是逐層地建設融入PDCA循環(huán)模式的教學模式，在教學中通過循環(huán)反饋不斷優(yōu)化教學方法，以激發(fā)學生的興趣，同時進一步提高實踐教學質量。

3）在學校原有的工程訓練實踐中，學生難以理解質量和優(yōu)化的概念。通過教學改革，在工程訓練實踐過程中融入質量管理學的PDCA循環(huán)模式，主要通過增加三維掃描測量和逆向工程方面的優(yōu)化內容，幫助學生在學習新技術的同時理解質量和優(yōu)化的概念。

4）學校原有的工程訓練實習較少體現(xiàn)學科交叉。以多個工種的操作技能訓練為主，各個工藝技術之間相對獨立且缺少交叉，學生所學的知識與技能存在孤立的現(xiàn)象。通過教學改革，將3D打印技術、三維設計技術、三維掃描技術和逆向工程技術相互交叉結合，融入PDCA循環(huán)模式，并將這些知識和技術交叉串聯(lián)到一起，探索并構建出具有實用性、創(chuàng)新性和有效性的教學體系。

3 教學改革的內容

為了適應新工科建設的發(fā)展需求，緊跟新時代、新技術、新方法，學校在工程訓練實習的課程體系中開設3D打印與逆向工程技術課程。

在課程建設中，從新工科人才培養(yǎng)的角度出發(fā)，注重學科知識的交叉，側重工程素養(yǎng)的培養(yǎng)，將PDCA循環(huán)模式引入工程訓練實踐教學，分別從教學模式、教學方法、教學內容等方面進行改革探索，不僅可以增強學生的工程實踐能力，還可以提高學生的創(chuàng)新能力、質量管理意識和工程素養(yǎng)。

具體實施內容如下。

1）在工程訓練的課程體系中開設3D打印與逆向工程技術課程；將3D建模設計、3D打印技術、三維掃描技術、三維測量技術、逆向工程技術相互交叉融合，培養(yǎng)學生的綜合能力，如圖1所示。

2）在課程的教學準備和教學實施過程中融入PDCA循環(huán)模式，包含四個階段：即教師設計實踐項目（Plan）—指導學生完成實踐內容（Do）—考評學生實踐情況（Check）—總結經驗并改進（Action）。在整個教學過程中，通過教師與學生之間的講授指導和反饋溝通形成閉環(huán)，引導學生進行創(chuàng)新設計和探索，提高學生的學習興趣。將這四個階段循環(huán)往復進行，不斷建設并完善課程，不斷提高教學質量，從而實現(xiàn)螺旋式上升。

3）在課程的實踐內容設置中融入PDCA循環(huán)模式的教學內容。實踐過程中，以學生為核心，學生設計作品（Plan）—打印作品（Do）—檢驗評價作品（Check）—優(yōu)化改進（Action）四個階段不斷循環(huán)，完善作品整體性能質量，從而在提升學生設計創(chuàng)新能力、解決工程問題能力的同時，讓學生熟悉PDCA循環(huán)的概念、模式和流程，同時從創(chuàng)新設計出發(fā)，增強學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，讓學生理解質量的概念，提升質量管理意識。

4）在教學內容PDCA大循環(huán)中的小環(huán)節(jié)也融合PDCA循環(huán)。以打印作品（Do）和優(yōu)化改進（Action）階段為例。在學生實踐打印作品（Do）階段中，建立并完善該模塊的實踐教學內容，在實踐內容中設置融入PDCA循環(huán)模式的教學內容，要求學生完成設計工藝過程（Plan）—打印零件（Do）—用三維掃描儀檢測加工質量（Check）—再設計工藝參數(shù)優(yōu)化改進（Action）四個階段，并通過PDCA循環(huán)提高零件的加工質量，通過不同的工藝設計（3D打印設備選擇、零件不同的擺放位置、不同擺放方向、不同的打印參數(shù)設置），進行加工后的對比，提升學生對3D打印工藝的理解和學習。融入PDCA循環(huán)模式的打印作品（Do）階段工程訓練流程如圖2所示。

在學生實踐優(yōu)化改進（Action）階段中，將逆向工程技術融入該環(huán)節(jié)，要求學生完成選擇參照物及確定改進目標（Plan）—用三維掃描儀和逆向設計軟件對參照物進行數(shù)模建立（Do）—檢查數(shù)模與改進后的目標差距（Check）—用逆向軟件改進優(yōu)化設計（Action）四個階段，在優(yōu)化產品的同時，完成完整的逆向工程實踐流程，加強學生對逆向工程技術的理解和學習，如圖3所示。

5）在3D打印與逆向工程技術創(chuàng)新實踐教學平臺軟硬件建設中，將教學目標、教學內容相結合，構建包含創(chuàng)新設計分模塊、3D打印加工制造分模塊、三維表面掃描測量分模塊、逆向工程分模塊在內的綜合性3D打印與逆向工程技術創(chuàng)新實踐教學平臺。該平臺面向全校各專業(yè)學生開放，兼顧人才培養(yǎng)、學科建設等多元目標，用于探索創(chuàng)新型教學機制，為學生提供更為優(yōu)良的工業(yè)實踐和創(chuàng)新實訓環(huán)境。

6）在教學內容的建設上，讓學生獲取面向新工科的核心知識點：①3D打印方法分類及其工作原理、應用特點；②3D打印原型設計和工藝參數(shù)影響；③3D打印材料的發(fā)展狀況和各種材料成形技術。同時讓學生獲取其他知識點：①三維掃描建模過程；②三維掃描檢測不同3D打印工藝參數(shù)對成品精度的影響；③逆向工程的流程和關鍵技術、產品創(chuàng)新設計的方法等。

7）在面向目標學生群體的定制化菜單中設計系列化的3D打印課程與培訓內容。

①針對不同學科不同專業(yè)的學生，設置不同的教學方案和課程內容，學生可以根據(jù)專業(yè)需求選擇。例如：針對非理工科學生，進行8學時的3D打印初階實訓教學；針對工科學生，進行16學時的進階實訓教學；針對醫(yī)學院學生，進行與醫(yī)學交叉的3D打印實訓教學；針對工業(yè)設計、藝術類學生，進行8學時的藝術相關3D打印實訓教學等。

②根據(jù)不同學習需求的學生，設置不同的教學方案和培訓內容供學生選擇。例如：對參加科技競賽的學生進行針對性的3D打印加工課程訓練；對自主實踐的學生進行基礎化、細致化的3D打印加工指導。

4 教學改革的成效

教學改革的成效：1）顯著提高了本科生對現(xiàn)代增材制造加工技術的理解和掌握；2）顯著增強了學生的工程設計能力；3）有效培養(yǎng)了學生的逆向工程思維和逆向工程設計能力；4）激發(fā)了學生的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新性思維和創(chuàng)新能力；5）強化了學生的質量意識和質量觀念；6）增強了學生的動手實踐和團隊合作能力。

從項目組教師在教學過程中的感受、對學生的問卷調查和學生的反映來看，該教學改革所采用的教學模式和教學內容都取得了顯著的效果，達到了預設的教學目的，學生對教學效果滿意度高。

5 參考文獻

[1] 周崢嶸，何流洪.讀懂新形勢抓住新機遇實現(xiàn)新跨越：新工科范式下工程訓練中心的建設[J].高教學刊，2021（6）：69-71，75.

[2] Watson K， Modgil S， Modgil C. Quality in Education[M].London：Cassel，1997.

[3] 王光艷，冷光明，羅青龍.3D打印技術在高等教育中的應用與發(fā)展[J].中國教育技術裝備，2016（16）：36-37.

[4] 郭文霞，張海川.工程訓練開設3D打印技術實訓課程的探索與實踐[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2019（15）：49-51.

[5] 楊洋，李金良，耿冬妮，等.工程訓練3D打印實訓教學的探索與實踐[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2016（17）：88-89.

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2024.19.157

*項目來源：教育部產學合作協(xié)同育人項目“新工科背景下3D打印與逆向工程技術課程改革”（項目編號：2209044692204

23）；西安交通大學2022年本科教學改革研究項目“面向前沿探究的工程訓練實踐課程知識圖譜構建及應用”（項目編號：22WL09Y）。

作者簡介：邵敏、沈瑤，工程師；武通海，博士，教授；栗茂林，博士，高級工程師。