張科研

（北部灣大學 機械與船舶海洋工程學院工程訓練中心，535011，廣西欽州）

3D 打印技術(shù)是第三次工業(yè)革命的重要標志之一，是制造業(yè)領(lǐng)域正在迅速發(fā)展的一項新興技術(shù)，在教育應用中亦有著深刻的創(chuàng)新實踐意義。2013 年，清華大學博士生導師顏永年教授在中天科技學院“大講堂”作報告時講到，3D 打印最大的作用在于可以訓練培養(yǎng)及啟發(fā)年輕人的智力。華中科技大學史玉升教授也認為，3D 打印技術(shù)最大的優(yōu)勢在于拓展學生的想象空間[1]。因此，將3D 打印技術(shù)應用于教學實踐過程，對學生的動手能力和創(chuàng)新思維等的培養(yǎng)有著重要的意義。

2016 年全國高校思想政治工作會議指出：“要把思想政治工作貫穿教育教學全過程，推動‘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。”[2]思政要素的融入，不僅能夠極大地提高學子們的祖國自豪感，還能激發(fā)其主動學習熱情。因此，有必要在3D 打印課程中融入思政要素。

OBE（Outcome-Based Education）即成果導向教育，是把學習成果或結(jié)果當做指導方向的教育理念。它是以預期學習產(chǎn)出為中心來組織、實施和評價的結(jié)構(gòu)教育模式。3D 打印是一門以實踐為主的課程，以學習成果為導向適合該課程教學[3-4]。

1 3D 打印課堂教學現(xiàn)存問題

根據(jù)文理工科人才培養(yǎng)要求，北部灣大學分別開設文理科4 課時、工科8 課時的工程訓練課程3D 打印模塊。在該模塊同行聽課、評課及課程教學過程中，發(fā)現(xiàn)課程內(nèi)容、教學實施過程及設施配備存在如下問題。

1.1 課程內(nèi)容缺乏新知識、差異性和連貫性

課程內(nèi)容方面，理論導入環(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態(tài)，存在“囿于知識傳授，遠離最新前沿”的現(xiàn)象，導致學生對新知識認識不足，學習積極性難以調(diào)動。此外，針對不同學院、不同專業(yè)的學生，教學內(nèi)容大同小異，沒有體現(xiàn)因材施教的教學理念，脫離了“對象化學習”和“個性化教學服務”的原則，導致學生循規(guī)蹈矩完成任務，不能自覺拓展知識。工程訓練各模塊教學內(nèi)容割裂，讓學生不能了解不同加工技術(shù)之間的聯(lián)系，缺少對產(chǎn)品制造流程的整體認知。

1.2 課程教學中3D 打印耗時長，實驗報告內(nèi)容同質(zhì)化

課程教學主要圍繞理論講述、模型打印兩個環(huán)節(jié)，3D 打印方法易懂但打印耗時長，導致部分學生以玩游戲、看短視頻的方式等待打印。此外，缺少課后相關(guān)知識拓展資源，不能較好地引導學生完成自主探究，具體表現(xiàn)為實驗報告內(nèi)容同質(zhì)化現(xiàn)象嚴重。

1.3 設施配備種類不足

北部灣大學現(xiàn)有30 臺桌面型3D 打印機、3 臺封閉式桌面3D 打印機、4 臺工業(yè)級雙噴頭打印機（以上均為熔融沉積成型技術(shù)，F(xiàn)DM，F(xiàn)used Deposition Modelling）、1 臺金屬激光3D 打印機（選擇性激光燒結(jié)技術(shù)，SLS，Selective Laser Sintering）和1 臺砂型鑄造3D打印機（無模鑄型制造技術(shù)，PCM，Patternless Casting Manufacturing）、1 臺三維逆向掃描儀，配有正版正向設計軟件3D One Plus。顯然，現(xiàn)有設備側(cè)重正向設計和熔融打印，能夠滿足文理科學生教學要求；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要求，同時也影響3D 打印模塊課程教學質(zhì)量的提升。

2 3D 打印課程教學改革的實施

2.1 課前明確課程教學目標

工程訓練3D 打印模塊課程教學目標是，使學生了解3D 打印（也稱為快速成型制造、增材制造）的一般過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)中的推廣和應用情況；熟悉設備和工具的安全操作及使用方法；具有崇尚科學、熱愛勞動、遵守紀律、報效國家的職業(yè)素養(yǎng)和道德品質(zhì)。

2.2 實施課堂教學

在課堂教學時，注重教學方法的引入，多方面整合現(xiàn)有教學資源，同時搭建平臺建設新資源，以更好地融入教學內(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、山東理工大學、西北工業(yè)大學、浙江大學等多所高校，紛紛建設資源模型素材庫、線上線下混合式課程[5-8]，此類優(yōu)秀共享教學資源較多，需要授課教師根據(jù)實際教學內(nèi)容引導學生主動學習，尤其是完成指定章節(jié)的學習。目前北部灣大學基于3D 打印課程的線上課程及素材庫正在建設中（以32 課時3D 打印技術(shù)公共選修課推動）。

北部灣大學3D 打印課程模塊的課時安排是文理科4 課時、工科8 課時，具體課時安排：理論講授，文理科15 min/工科30 min；軟件操作及設備使用講授，30 min；完成基本任務，文理科70 min/工科160 min；依據(jù)專業(yè)特色的自主創(chuàng)新訓練，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

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

在詳細描述了上述成就后，學生們的民族自豪感油然而生，激發(fā)了他們的愛國熱情及探索科學知識的熱情。

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備結(jié)構(gòu)、工業(yè)應用現(xiàn)狀的簡介，這部分屬于工科生應該了解的專業(yè)知識范疇。

2.2.2 軟件操作及設備使用講授

主要講解3D One 三維設計軟件的界面和繪圖方法，以及如何完成設計。要求利于打印，減少不必要的支撐，導出.stl 文件格式后用UP 三維打印軟件打開，設置好打印參數(shù)，進而完成打印。其間，重點講授3D打印機如何正確調(diào)整噴頭高度、更換料盤、設置打印參數(shù)、應急處理及安全操作事項。

2.2.3 基本教學任務實施

對于文理科學生，結(jié)合其他工種學習的已加工零件模型，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3D 打印的加工方式實現(xiàn)快速成型，如圖1 所示。對于工科學生，如果教學形式采用線上線下混合方式，線上教學內(nèi)容主要是學習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）為鉗工重要設備臺虎鉗；圖2（b）為冰墩墩，是2022年北京冬奧會的吉祥物，寓意創(chuàng)造飛凡、探索未來，體現(xiàn)了追求卓越、引領(lǐng)時代，以及面向未來的無限可能；圖2（c）為和諧塔，是欽州市地標性建筑，展示了秀麗的濱海新城風光。線上作品可以是設計裝配件，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)新訓練

在上一環(huán)節(jié)中，學生基本掌握了3D 打印設備、三維設計軟件的操作。接下來進入到創(chuàng)新進階階段，該階段注重學生自主創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。結(jié)合北部灣大學各專業(yè)特色，建立面向不同專業(yè)3D 打印系列素材庫，素材庫搭建在“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)給定的設計主題，例如可愛卡通人物、奧運吉祥物、鑰匙裝飾扣、多變手機支架、汽車多彩掛扣等，或者結(jié)合各項3D 打印大賽的典型主題，設定打印主題[9]。例如，2019 年吉林省職業(yè)技能大賽工業(yè)產(chǎn)品造型設計與快速成型的賽題為“以卡通人物為主題創(chuàng)意設計一款手搖小風扇”。

還有，適用于工科類的加強環(huán)節(jié)。在教學內(nèi)容上實現(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”等模式的教學內(nèi)容改革創(chuàng)新。設計鑄造用模樣，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；如果進一步要求零件的尺寸和表面精度，可再進入到下一工種車削或銑削加工；如果考慮零件的力學性能（抗拉強度、硬度、耐磨性能等），再進行金屬熱處理，最終加工成為尺寸、形狀精度、性能合格的產(chǎn)品。在這樣一個環(huán)節(jié)中，可以讓學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)是對課程知識的回顧及延伸，學生通過設計創(chuàng)新并打印得到實物，從中獲得成就感并對3D打印技術(shù)有了更深入的了解。最后，通過提問的方式再次引導學生課后繼續(xù)探索新知識，結(jié)合自己專業(yè)探討3D 打印技術(shù)的應用，并寫入實驗報告中。

2.3 課后教學考核

結(jié)合3D 打印課程的課時、教學目標、教學內(nèi)容和現(xiàn)有資源四方面因素，以及課堂教學階段任務完成情況，設置了該課程的分值分配表。該表從5 個層面考核學生的學習情況：課堂聽課情況（10 分）、完成基本任務情況（40 分）、創(chuàng)新情況（25 分）、執(zhí)行6S 管理情況（10分）以及實驗報告撰寫情況（15 分）。該評分方案較完整地涉及了學生學習的整個流程的評價，經(jīng)過實踐證明，分數(shù)分布符合正態(tài)分布，且評分可操作、內(nèi)容更全面。

3 教學改革實施效果

在3D 打印課程新教學模式、教學改革方案提出后，經(jīng)過2020—2021 學年的教學改革實踐，明顯發(fā)現(xiàn)課堂上學生學習更專注，提出問題和相互交流的情況增多，能夠認真完成基本任務，并積極主動完成創(chuàng)意作品的設計和打印。此外，從實驗報告中發(fā)現(xiàn)，部分學生確實在課下查找資料，了解與本專業(yè)相關(guān)的3D 打印技術(shù)的發(fā)展，還談了自己對該技術(shù)發(fā)展的期盼。這是一門文理科僅4 課時、工科8 課時的實踐課，已經(jīng)達到了預期的教學效果。

4 結(jié)語

課程教學內(nèi)容的創(chuàng)新，能更好地激發(fā)學生的學習興趣，達到教學目的，提升教學效果。學習、了解3D 打印技術(shù)，并在實踐環(huán)節(jié)中加以應用，以期學生在未來的專業(yè)發(fā)展（創(chuàng)新型比賽、畢業(yè)設計等環(huán)節(jié)）和職業(yè)成就中，能夠?qū)崿F(xiàn)知識的交叉融合應用。單元性實踐課程將OBE 教學理念融入課堂教學，將極大地提高教學效果，對實踐課程教學的開展具有重要的指導意義。