工程训练课程3D,打印模块的教学改革与实践

张科研

（北部湾大学 机械与船舶海洋工程学院工程训练中心，535011，广西钦州）

3D 打印技术是第三次工业革命的重要标志之一，是制造业领域正在迅速发展的一项新兴技术，在教育应用中亦有着深刻的创新实践意义。2013 年，清华大学博士生导师颜永年教授在中天科技学院“大讲堂”作报告时讲到，3D 打印最大的作用在于可以训练培养及启发年轻人的智力。华中科技大学史玉升教授也认为，3D 打印技术最大的优势在于拓展学生的想象空间[1]。因此，将3D 打印技术应用于教学实践过程，对学生的动手能力和创新思维等的培养有着重要的意义。

2016 年全国高校思想政治工作会议指出：“要把思想政治工作贯穿教育教学全过程，推动‘思政课程’向‘课程思政’转变，挖掘梳理各门课程的德育元素，完善思想政治教育课程体系建设。”[2]思政要素的融入，不仅能够极大地提高学子们的祖国自豪感，还能激发其主动学习热情。因此，有必要在3D 打印课程中融入思政要素。

OBE（Outcome-Based Education）即成果导向教育，是把学习成果或结果当做指导方向的教育理念。它是以预期学习产出为中心来组织、实施和评价的结构教育模式。3D 打印是一门以实践为主的课程，以学习成果为导向适合该课程教学[3-4]。

根据文理工科人才培养要求，北部湾大学分别开设文理科4 课时、工科8 课时的工程训练课程3D 打印模块。在该模块同行听课、评课及课程教学过程中，发现课程内容、教学实施过程及设施配备存在如下问题。

1.1 课程内容缺乏新知识、差异性和连贯性

课程内容方面，理论导入环节缺少思政要素和科技前沿内容的讲述，不能向学生传递最新的科技动态，存在“囿于知识传授，远离最新前沿”的现象，导致学生对新知识认识不足，学习积极性难以调动。此外，针对不同学院、不同专业的学生，教学内容大同小异，没有体现因材施教的教学理念，脱离了“对象化学习”和“个性化教学服务”的原则，导致学生循规蹈矩完成任务，不能自觉拓展知识。工程训练各模块教学内容割裂，让学生不能了解不同加工技术之间的联系，缺少对产品制造流程的整体认知。

1.2 课程教学中3D 打印耗时长，实验报告内容同质化

课程教学主要围绕理论讲述、模型打印两个环节，3D 打印方法易懂但打印耗时长，导致部分学生以玩游戏、看短视频的方式等待打印。此外，缺少课后相关知识拓展资源，不能较好地引导学生完成自主探究，具体表现为实验报告内容同质化现象严重。

1.3 设施配备种类不足

北部湾大学现有30 台桌面型3D 打印机、3 台封闭式桌面3D 打印机、4 台工业级双喷头打印机（以上均为熔融沉积成型技术，FDM，Fused Deposition Modelling）、1 台金属激光3D 打印机（选择性激光烧结技术，SLS，Selective Laser Sintering）和1 台砂型铸造3D打印机（无模铸型制造技术，PCM，Patternless Casting Manufacturing）、1 台三维逆向扫描仪，配有正版正向设计软件3D One Plus。显然，现有设备侧重正向设计和熔融打印，能够满足文理科学生教学要求；
逆向扫描[3]软硬件配备不足，仅正向建模和打印难以满足工科生教学要求，同时也影响3D 打印模块课程教学质量的提升。

2.1 课前明确课程教学目标

工程训练3D 打印模块课程教学目标是，使学生了解3D 打印（也称为快速成型制造、增材制造）的一般过程和主要的成型工艺方法，了解新工艺、新材料在各行各业中的推广和应用情况；
熟悉设备和工具的安全操作及使用方法；
具有崇尚科学、热爱劳动、遵守纪律、报效国家的职业素养和道德品质。

2.2 实施课堂教学

在课堂教学时，注重教学方法的引入，多方面整合现有教学资源，同时搭建平台建设新资源，以更好地融入教学内容，形成课中围绕“方法、资源、内容”三要素的良性互促循环。

清华大学、山东理工大学、西北工业大学、浙江大学等多所高校，纷纷建设资源模型素材库、线上线下混合式课程[5-8]，此类优秀共享教学资源较多，需要授课教师根据实际教学内容引导学生主动学习，尤其是完成指定章节的学习。目前北部湾大学基于3D 打印课程的线上课程及素材库正在建设中（以32 课时3D 打印技术公共选修课推动）。

北部湾大学3D 打印课程模块的课时安排是文理科4 课时、工科8 课时，具体课时安排：理论讲授，文理科15 min/工科30 min；
软件操作及设备使用讲授，30 min；
完成基本任务，文理科70 min/工科160 min；
依据专业特色的自主创新训练，文理科50 min/工科125 min；
课堂总结，10 min；
6S 整理整顿，5 min。

2.2.1 理论部分授课

课程的导入应体现深入浅出的思想。3D 打印是当下迅速发展的一种新型制造技术，全球各国都在科研攻关，已取得突破性进展，因此，课程的导入要以最新的科研视角去授课。对于理论授课内容要求教师提前做好充足的知识储备，包括问题导入、3D 打印技术的原理及优缺点、3D 打印技术的发展历史及当下技术的伟大成就、我国3D 打印技术取得的瞩目成就。

在详细描述了上述成就后，学生们的民族自豪感油然而生，激发了他们的爱国热情及探索科学知识的热情。

以上内容大约控制在15 min，工科生另外15 min的理论内容侧重不同成型工艺原理及设备结构、工业应用现状的简介，这部分属于工科生应该了解的专业知识范畴。

2.2.2 软件操作及设备使用讲授

主要讲解3D One 三维设计软件的界面和绘图方法，以及如何完成设计。要求利于打印，减少不必要的支撑，导出.stl 文件格式后用UP 三维打印软件打开，设置好打印参数，进而完成打印。其间，重点讲授3D打印机如何正确调整喷头高度、更换料盘、设置打印参数、应急处理及安全操作事项。

2.2.3 基本教学任务实施

对于文理科学生，结合其他工种学习的已加工零件模型，如车削的阶梯轴、铣削的盘套件、钳工的六角螺母或锤头等，通过3D 打印的加工方式实现快速成型，如图1 所示。对于工科学生，如果教学形式采用线上线下混合方式，线上教学内容主要是学习3D One 系列软件的三维造型及色彩渲染，线上课程作品如图2 所示。图2（a）为钳工重要设备台虎钳；
图2（b）为冰墩墩，是2022年北京冬奥会的吉祥物，寓意创造飞凡、探索未来，体现了追求卓越、引领时代，以及面向未来的无限可能；
图2（c）为和谐塔，是钦州市地标性建筑，展示了秀丽的滨海新城风光。线上作品可以是设计装配件，也可以是创新创意作品。

图1 文理科生3D 打印作品

图2 工科生线上课程作品

2.2.4 专业特色自主创新训练

在上一环节中，学生基本掌握了3D 打印设备、三维设计软件的操作。接下来进入到创新进阶阶段，该阶段注重学生自主创新能力的培养。结合北部湾大学各专业特色，建立面向不同专业3D 打印系列素材库，素材库搭建在“今日校园-尔雅课堂-3D 打印技术”栏目，既可以下载模型也可以上传模型。

在本环节中，要求根据给定的设计主题，例如可爱卡通人物、奥运吉祥物、钥匙装饰扣、多变手机支架、汽车多彩挂扣等，或者结合各项3D 打印大赛的典型主题，设定打印主题[9]。例如，2019 年吉林省职业技能大赛工业产品造型设计与快速成型的赛题为“以卡通人物为主题创意设计一款手摇小风扇”。

还有，适用于工科类的加强环节。在教学内容上实现 “逆向扫描建模+3D 打印”“3D 打印+铸造”“3D 打印+车削”“3D 打印+线切割”“3D 打印+CNC 加工”“3D打印+热处理”“3D 打印+技能大赛”等模式的教学内容改革创新。设计铸造用模样，用3D 打印获得该模样，在随后铸造环节使用该模样即可获得铸件；
如果进一步要求零件的尺寸和表面精度，可再进入到下一工种车削或铣削加工；
如果考虑零件的力学性能（抗拉强度、硬度、耐磨性能等），再进行金属热处理，最终加工成为尺寸、形状精度、性能合格的产品。在这样一个环节中，可以让学生真正了解从毛坯件生产、切削加工到热处理的生产工艺流程。

2.2.5 课堂总结

课堂总结是对课程知识的回顾及延伸，学生通过设计创新并打印得到实物，从中获得成就感并对3D打印技术有了更深入的了解。最后，通过提问的方式再次引导学生课后继续探索新知识，结合自己专业探讨3D 打印技术的应用，并写入实验报告中。

2.3 课后教学考核

结合3D 打印课程的课时、教学目标、教学内容和现有资源四方面因素，以及课堂教学阶段任务完成情况，设置了该课程的分值分配表。该表从5 个层面考核学生的学习情况：课堂听课情况（10 分）、完成基本任务情况（40 分）、创新情况（25 分）、执行6S 管理情况（10分）以及实验报告撰写情况（15 分）。该评分方案较完整地涉及了学生学习的整个流程的评价，经过实践证明，分数分布符合正态分布，且评分可操作、内容更全面。

在3D 打印课程新教学模式、教学改革方案提出后，经过2020—2021 学年的教学改革实践，明显发现课堂上学生学习更专注，提出问题和相互交流的情况增多，能够认真完成基本任务，并积极主动完成创意作品的设计和打印。此外，从实验报告中发现，部分学生确实在课下查找资料，了解与本专业相关的3D 打印技术的发展，还谈了自己对该技术发展的期盼。这是一门文理科仅4 课时、工科8 课时的实践课，已经达到了预期的教学效果。

课程教学内容的创新，能更好地激发学生的学习兴趣，达到教学目的，提升教学效果。学习、了解3D 打印技术，并在实践环节中加以应用，以期学生在未来的专业发展（创新型比赛、毕业设计等环节）和职业成就中，能够实现知识的交叉融合应用。单元性实践课程将OBE 教学理念融入课堂教学，将极大地提高教学效果，对实践课程教学的开展具有重要的指导意义。

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