工程訓練課程3D 打印模塊的教學改革與實踐

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 打印技術是第三次工業革命的重要標志之一，是制造業領域正在迅速發展的一項新興技術，在教育應用中亦有著深刻的創新實踐意義。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及啟發年輕人的智力。華中科技大學史玉升教授也認為，3D 打印技術最大的優勢在于拓展學生的想象空間[1]。因此，將3D 打印技術應用于教學實踐過程，對學生的動手能力和創新思維等的培養有著重要的意義。

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?！盵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，是把學習成果或結果當做指導方向的教育理念。它是以預期學習產出為中心來組織、實施和評價的結構教育模式。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 打印課堂教學現存問題

根據文理工科人才培養要求，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，發現課程內容、教學實施過程及設施配備存在如下問題。

1.1 課程內容缺乏新知識、差異性和連貫性

課程內容方面，理論導入環節缺少思政要素和科技前沿內容的講述，不能向學生傳遞最新的科技動態，存在“囿于知識傳授，遠離最新前沿”的現象，導致學生對新知識認識不足，學習積極性難以調動。此外，針對不同學院、不同專業的學生，教學內容大同小異，沒有體現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，導致學生循規蹈矩完成任務，不能自覺拓展知識。工程訓練各模塊教學內容割裂，讓學生不能了解不同加工技術之間的聯系，缺少對產品制造流程的整體認知。

1.2 課程教學中3D 打印耗時長，實驗報告內容同質化

課程教學主要圍繞理論講述、模型打印兩個環節，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，具體表現為實驗報告內容同質化現象嚴重。

1.3 設施配備種類不足

北部灣大學現有30 臺桌面型3D 打印機、3 臺封閉式桌面3D 打印機、4 臺工業級雙噴頭打印機（以上均為熔融沉積成型技術，FDM，Fused Deposition Modelling）、1 臺金屬激光3D 打印機（選擇性激光燒結技術，SLS，Selective Laser Sintering）和1 臺砂型鑄造3D打印機（無模鑄型制造技術，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，現有設備側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?。ㄒ卜Q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、報效國家的職業素養和道德品質。

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容，形成課中圍繞“方法、資源、內容”三要素的良性互促循環。

清華大學、山東理工大學、西北工業大學、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]，此類優秀共享教學資源較多，需要授課教師根據實際教學內容引導學生主動學習，尤其是完成指定章節的學習。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；依據專業特色的自主創新訓練，文理科50 min/工科125 min；課堂總結，10 min；6S 整理整頓，5 min。

2.2.1 理論部分授課

課程的導入應體現深入淺出的思想。3D 打印是當下迅速發展的一種新型制造技術，全球各國都在科研攻關，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 打印技術的原理及優缺點、3D 打印技術的發展歷史及當下技術的偉大成就、我國3D 打印技術取得的矚目成就。

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

以上內容大約控制在15 min，工科生另外15 min的理論內容側重不同成型工藝原理及設備結構、工業應用現狀的簡介，這部分屬于工科生應該了解的專業知識范疇。

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，進而完成打印。其間，重點講授3D打印機如何正確調整噴頭高度、更換料盤、設置打印參數、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，寓意創造飛凡、探索未來，體現了追求卓越、引領時代，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，也可以是創新創意作品。

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 專業特色自主創新訓練

在上一環節中，學生基本掌握了3D 打印設備、三維設計軟件的操作。接下來進入到創新進階階段，該階段注重學生自主創新能力的培養。結合北部灣大學各專業特色，建立面向不同專業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”欄目，既可以下載模型也可以上傳模型。

在本環節中，要求根據給定的設計主題，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 年吉林省職業技能大賽工業產品造型設計與快速成型的賽題為“以卡通人物為主題創意設計一款手搖小風扇”。

還有，適用于工科類的加強環節。在教學內容上實現 “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”等模式的教學內容改革創新。設計鑄造用模樣，用3D 打印獲得該模樣，在隨后鑄造環節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、性能合格的產品。在這樣一個環節中，可以讓學生真正了解從毛坯件生產、切削加工到熱處理的生產工藝流程。

2.2.5 課堂總結

課堂總結是對課程知識的回顧及延伸，學生通過設計創新并打印得到實物，從中獲得成就感并對3D打印技術有了更深入的了解。最后，通過提問的方式再次引導學生課后繼續探索新知識，結合自己專業探討3D 打印技術的應用，并寫入實驗報告中。

2.3 課后教學考核

結合3D 打印課程的課時、教學目標、教學內容和現有資源四方面因素，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）、創新情況（25 分）、執行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，經過實踐證明，分數分布符合正態分布，且評分可操作、內容更全面。

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，經過2020—2021 學年的教學改革實踐，明顯發現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，并積極主動完成創意作品的設計和打印。此外，從實驗報告中發現，部分學生確實在課下查找資料，了解與本專業相關的3D 打印技術的發展，還談了自己對該技術發展的期盼。這是一門文理科僅4 課時、工科8 課時的實踐課，已經達到了預期的教學效果。

4 結語

課程教學內容的創新，能更好地激發學生的學習興趣，達到教學目的，提升教學效果。學習、了解3D 打印技術，并在實踐環節中加以應用，以期學生在未來的專業發展（創新型比賽、畢業設計等環節）和職業成就中，能夠實現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。