“知行合一”的多課互融式“3D打印實踐”課程改革

王琦 潘海軍 吳蒙

摘?要：在智能制造背景下，面向3D打印人才需求，針對我校智能制造專業的“3D打印實踐”教學所存在的問題，提出了多課互融式的課程改革方案。制訂了整合“機械原理與機械設計”“數字化設計”和“3D打印實踐”課程的教學方案，并建立了三課互通的考核制度，三門課程不再獨立自營，進而使培養過程達到理論、方法和實踐的有機融合，使學生達到“知行合一”的學習目的。本課程改革突出課程結構的整體性、理論性和實踐性，使學生掌握產品設計與智能制造的全流程，進而培養具有較高實踐能力和工程素養的綜合型增材制造人才。

關鍵詞：3D打印實踐;智能制造;知行合一;多課互融

中圖分類號：G642??文獻標識碼：A

隨著產業變革蓬勃興起，世界各大工業強國紛紛制定了制造業發展戰略，并催生了智能制造方向人才的大量需求，基于這一發展背景，我國許多高校設置了智能制造方向的相關專業［1］。3D打印技術是實現智能制造的革命性技術，自20世紀90年代以來，各大知名高校在3D打印材料的研發技術、3D設計與成型軟件的開發以及3D打印在工業應用中的研究與推廣等方面開展了積極的探索［2］。在“中國制造2025”的大背景下，面對激烈的市場競爭環境，高校在應對智能制造領域對于3D打印技術人才的需求方面也應提出更為合理的培養計劃［3］，研究3D打印課程的設置，基礎理論教學與實踐環節的有機融合，以及評價考核制度的合理化等，進而更好地與人才需求市場相對接。本文基于上述背景需求，以及我校智能制造專業的實踐課教學方案所存在的問題，提出了相應的改革方案。

1?現階段智能制造專業實踐課程問題分析

1.1?知識體系連貫性不足，學生難以融會貫通

目前，我校智能制造專業同全國各大高校相關專業一樣，雖然開設了“3D打印實踐”課程，但是其課程內容相對獨立，“機械原理與機械設計”“數字化設計”等基礎課程不能與之良好的共融，課程之間連貫性較差。因此，學生在“3D打印實踐”課程的學習中往往會出現較為吃力的現象，難以達到知識體系融會貫通。

1.2?缺乏理實一體化教學方法，學生自主創新意識和能力不強

“機械原理與機械設計”偏重于理論教學，實驗課程往往采用手工測量機械零部件的形式加深學生對理論知識的認識。這種教學方法對于現在的學生而言比較枯燥，并且難以鍛煉學生自主思考的能力。對于數字化設計課程，教師一般采用“填鴨式”教學方法，講解繪圖軟件的基本操作方法，上機課程和考試也只是要求學生繪制圖紙上的三維圖形。這種方式同樣缺乏鍛煉學生自主思考的能力和自主設計三維零部件的能力。

1.3?課程內容多，學生學習負擔較重

在學科大交叉、大融合的背景下，學生本科階段開設的課程也隨之增多。各門課程都進行獨立的教學改革，雖然提升了本門課程的教學效果，卻增加了學習負擔，對整體培養造成了一定的影響。因此，有必要開展課程體系的融合式教學方案探討，達到提升教學效果的同時，不對學生造成過重的學習負擔。

總體而言，目前培養方案設置的課程只注重理論、方法和實踐的培養，無法實現理論知識和實踐環節無縫銜接，同時各門課自身也難以達到理想的教學效果。進而難以有效培養具有較高實踐能力、創新能力及工程素養的綜合型增材制造人才。

2?融合“知行合一”教育理念的改革舉措

“知行合一”是明代思想家王陽明提出的思想理念，可以認為“知”是科學知識，“行”是指人的實踐，在認知客觀規律的過程中二者密不可分［4］。在新工科教育中，國內各個高校領會“知行合一”時代內涵，并踐行于學生的培養中［5］。本文將“知行合一”的教育理念與“3D打印實踐”課程相融合，使學生掌握產品設計與智能制造的全流程，進而培養具有較高實踐能力和工程素養的綜合型增材制造人才。

2.1?培養方案相關課程結構分析

我?！皺C械原理與機械設計”“數字化設計”和“3D打印實踐”這三門課程的課程描述為：

（1）“機械原理與機械設計”課程：主要教會學生研究機構的結構分析、運動分析和動力分析，常用機構設計的基本理論和方法，機械系統運動方案的創新設計。培養學生掌握機構學和機械動力學的基本理論和基本技能，并初步具有確定機械運動方案、分析和設計機構的能力。

（2）“數字化設計”課程：重點是培養學生應用相關軟件進行產品設計并創造數字化作品，以及從事工程設計的能力。課程以介紹三維參數化機械設計軟件應用方法為主，通過介紹主流CAD/CAE/CAM一體化軟件平臺的應用方法，引導學生掌握產品三維數字化建模、虛擬裝配到工程分析的設計過程。

（3）“3D打印實踐”課程：主要培養學生獲得面向增材制造的結構設計思路、方法和手段，進一步通過3D打印實訓過程強化學生對快速成型技術的理解及應用能力，使學生掌握智能化的產品設計與制造生產的全流程。

縱觀上述三門課程，雖然教學內容相對獨立，但其內在具有緊密的聯系。其中，“機械原理與機械設計”是基礎理論課程，在“知行合一”教育思想中起到“知”的作用；“數字化設計”是方法課程，是“知行合一”教育思想中“行”的工具；“3D打印實踐”是基于“機械原理與機械設計”的理論和“數字化設計”的增材制造技術綜合實踐類課程，在“知行合一”的教育思想中起到“行”的作用。但是，上述三門課程的教學過程存在理論脫離實踐、學生梳理不清知識體系等問題。本文將原本相對獨立的理論課、方法課和實踐課視作整體，構建以機械原理與機械設計為理論，以數字化設計為工具，以3D打印為實踐的系統化實踐課程方案，通過這三門課程的互通式教學，達到對學生從產品設計到數字化制造的全流程培養。

2.2?制訂授課方案

我們構建了如下圖的“機械原理與機械設計”“數字化設計”和“3D打印實踐”課程組成的三課合一的課程體系。其中，“機械原理與機械設計”為主干課程，主要課程目標是使學生掌握一般機構或機械系統運動方案設計和結構設計的能力?！皵底只O計”的課程內容為Pro/E計算機三維造型軟件的學習，課程目標是使學生能夠熟練應用Pro/E軟件進行產品設計與造型。本課程同“機械原理與機械設計”課程并行開課，前半程講解Pro/E軟件的基本三維建模方法；后半程以“機械原理與機械設計”課程中學習的各類機構為教學案例，引導學生構建復雜三維零件的建模思維，并教會學生掌握Pro/E軟件的零件裝配模塊以及機構運動分析模塊。由此，將“機械原理與機械設計”和“數字化設計”課程有機的融合在一起，“機械原理與機械設計”課程內容作為基礎理論，并提供教學案例；“數字化設計”課程作為工具，并在課程學習中加深了對“機械原理與機械設計”課程內容的認識和理解。

“3D打印實踐”課程將采用項目化的教學方式，由授課教師指導學生自主使用Pro/E軟件設計一套完整的運動機構，并進行機構運動分析；使用3D打印機打印出設計好的各個零件；修整打印好的零件，并按照設計方案進行裝配，以實現所設計的功能。上述實踐過程是對“機械原理與機械設計”課程，以及“數字化設計”課程中所學知識內容的綜合應用與實踐；過程中還將鍛煉學生的創新能力，使學生掌握3D打印機的使用方法，基于3D打印技術的零件設計方法等知識。

通過上述授課方案的制訂，我們構建了以機械原理與機械設計為理論、以數字化設計為工具、以3D打印為實踐的系統化實踐課程方案，形成了“知行合一”的教學體系，使三門課程不再獨立自營，以保證教學內容的整體性、互補性和延續性，進而達到理論、方法和實踐的有機結合，形成智能化產品設計與制造人才全流程培養。同時，上述授課方案只是將三門課程進行了有機的互融，沒有增加課程的授課內容，不會增加學生的課業負擔。

三課合一的課程體系圖

2.3?制訂考核方案

根據授課方案建立三課互通的考核方案，考核內容及分值分配見表1。

（1）“機械原理與機械設計”課程：本課過程考核占25分，主要考核學生在本課程學習過程中的平時成績，包括課堂表現、課后作業和考勤等內容；理論考核占75分，為課程結束后的閉卷考試，主要考核學生對本課程基本理論知識的掌握情況，以及對各類機構的分析能力。

（2）“數字化設計”課程：本課程考核內容包括過程考核（25分）、工具考核（55分）和理論考核（20分）。過程考核主要考核學生在本課程學習過程中的平時成績；工具考核在課程結束后的閉卷考試中進行，考核形式為使用Pro/E軟件繪制復雜的三維零件，并將三維零件裝配成指定的運動機構，進一步的對該運動機構進行運動模擬，主要考核學生對Pro/E軟件的三維零件圖繪制、零件裝配和機構運動模擬的掌握情況；理論考核也在課程結束后的閉卷考試中進行，題目形式為結合上述Pro/E軟件的機構運動模擬結果對機構的運動學問題、動力學問題、強度和剛度等問題進行分析求解和論證。

（3）“3D打印實踐”課程：本課程考核內容包括過程考核（10分）、理論考核（20分）、工具考核（20分）和實踐考核（50分）。其中，過程考核主要考查學生在整個實踐項目中的表現情況；理論考核主要體現在學生提交的項目報告中，具體為對團隊設計的運動機構原理說明、設計說明、相關的設計計算，以及所設計機構的創新性等內容；工具考核主要體現在學生使用Pro/E軟件繪制的三維零件圖、機構裝配圖和運動模擬結果等；實踐考核主要體現在學生使用3D打印機制造的三維零件的成型效果、機構的裝配效果，以及機構能否實現設計目標等內容。

我們在“數字化設計”課程考試中有機地融入了“機械原理與機械設計”課程的理論知識，使學生在掌握Pro/E軟件的同時深化了理論認識和熟練運用的能力；在“3D打印實踐”課程考核中，將“機械原理與機械設計”課程的理論知識考核，以及Pro/E軟件掌握情況的考核融入其中，在項目化教學的驅動下，學生通過運動機構的創新設計，可以更好地掌握機械原理與機械設計相關理論并加以運用，同時也可更熟練地使用Pro/E軟件進行三維圖形繪制、零件裝配和機構運動模擬；另外，在“3D打印實踐”課程中，通過實際操作3D打印機將自主繪制的三維零件打印出來，裝配成所設計的運動機構，并實現運動目標，使學生進一步掌握3D打印機的實際操作能力。整個課程過程學生將沉浸式地體驗智能化的產品設計與制造生產的全流程。

我們還設計了課程考核分值再分配方案，具體見表2。我們將“數字化設計”課程理論考核的20分和“3D打印實踐”課程理論考核的20分分配給“機械原理與機械設計”課程，使其總分值為140分；再將“3D打印實踐”課程工具考核的20分再分配給“數字化設計”課程，使其總分值為100分；“3D打印實踐”課程自身保留實踐考核的50分和過程考核的10分，使其總分值為60分。上述分值再分配方案進一步加強了三門課程之間的聯系，改變了以往實踐課程中的機械化實驗過程，也使學生真正經歷了由理論到實踐的歷練，強化了“知行合一”的考核目的。

結語

本文針對我校智能制造專業的實踐課教學方案所存在的問題，提出了相應的改革方案。構建了以機械原理與機械設計為理論，以數字化設計為方法，以3D打印為實踐的系統化實踐課程方案，形成智能化的產品設計與制造人才的全流程培養。方案整合了“機械原理與機械設計”“數字化設計”和“3D打印實踐”課程的教學方案，使三門課程不再獨立自營，進而使培養過程達到理論、方法和實踐的有機融合；建立了三課互通的考核制度，并具有一定創新能力的培養目標。本課程改革方案將原本相對獨立的理論課、方法課和實踐課視作整體，并建立三者之間的內在聯系，進而形成理論聯系實際的方法論，以幫助學生達到“知行合一”的學習效果；建立的多課互通的教學改革方案，在改善教學效果的同時，避免對學生造成新的學習負擔。

參考文獻：

［1］胡昌軍，唐友亮.服務智能制造的創新型人才培養探析［J］.黑龍江教育（理論與實踐），2019（11）：13.

［2］陳為平，林有希，黃捷，等.3D打印發展規劃對工程實訓教學的啟發［J］.中國現代教育裝備，2019（21）：2022.

［3］曾亮華.3D打印技術人才培養改革探索［J］.中國教育技術裝備，2018（16）：9798，105.

［4］席衛南.構建“知行合一”的中國特色社會主義理論教學模式［J］.科教導刊，2015（6）：29.

［5］靳凱，樊玉華.基于第二課堂學生需求的工科高校創新型人才培養策略研究［J］.高教學刊，2021，7（22）：4346.

基金項目：常州大學教育教學研究課題“知行合一的智能制造專業實踐課程改革探索”（GJY2021081）；常州大學教育教學研究課題“新工科背景下地方高校智能制造專業人才培養模式的研究與實踐”（GJY2021069）；常州大學教育教學研究課題“工程教育背景下新工科人才人格培育研究”（GJY2021047）

作者簡介：王琦（1988—?），男，遼寧阜新人，博士，講師，研究方向：實踐類課程改革探索；潘海軍（1988—?），男，河南周口人，博士，講師，研究方向：材料成型與控制工程專業教學研究；吳蒙（1992—?），男，江蘇淮安人，博士，講師，研究方向：新工科課程教學研究。