3D打印技術(shù)在基礎(chǔ)力學(xué)課程教學(xué)中的應(yīng)用探討

李定玉 王如轉(zhuǎn) 鄭恒偉 陳小亮 陳世嵬

摘要：從應(yīng)用型本科院校人才培養(yǎng)的需求出發(fā)，以及筆者實(shí)際力學(xué)課程教學(xué)體會(huì)，討論了目前力學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué)現(xiàn)狀問(wèn)題，以及新興3D打印技術(shù)在基礎(chǔ)力學(xué)課程中運(yùn)用的可行性與教學(xué)效果預(yù)期。

關(guān)鍵詞：應(yīng)用型本科；3D打印；力學(xué)課程；教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2019）27-0197-02

一、引言

理論力學(xué)、材料力學(xué)、工程力學(xué)等是工科專業(yè)學(xué)生必修的工程技術(shù)基礎(chǔ)課程，是專業(yè)課與基礎(chǔ)課之間的橋梁，學(xué)生專業(yè)后續(xù)多門課程，比如機(jī)械原理、結(jié)構(gòu)力學(xué)、鋼結(jié)構(gòu)等都需要這些基礎(chǔ)力學(xué)課程作為基礎(chǔ)知識(shí)儲(chǔ)備，同時(shí)力學(xué)基礎(chǔ)課程對(duì)學(xué)生的邏輯思維、分析能力和解決工程實(shí)際問(wèn)題能力也有著至關(guān)重要的作用[1]。然而，力學(xué)課程知識(shí)體系本身就決定了其理論性極強(qiáng)，包含著大量的抽象力學(xué)概念和煩瑣的公式，并且邏輯嚴(yán)密，對(duì)學(xué)生的數(shù)學(xué)和物理基礎(chǔ)要求較高。但是應(yīng)用型本科院校的學(xué)生相對(duì)研究型大學(xué)的學(xué)生，其數(shù)學(xué)和物理基礎(chǔ)相對(duì)比較薄弱，造成學(xué)生普遍反映力學(xué)基礎(chǔ)課程極難；同時(shí)課程教學(xué)過(guò)程及方法與工程應(yīng)用脫節(jié)嚴(yán)重，學(xué)生容易感到枯燥無(wú)味并且厭學(xué)，無(wú)法達(dá)到有效的應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)。因此，本文基于應(yīng)用型本科院校人才培養(yǎng)以及目前絕大部分高校力學(xué)課程教學(xué)現(xiàn)狀，簡(jiǎn)單地分析目前基礎(chǔ)力學(xué)課程在教學(xué)過(guò)程存在的問(wèn)題以及3D打印技術(shù)在基礎(chǔ)力學(xué)課程中的應(yīng)用前景和可行性。

二、目前基礎(chǔ)力學(xué)課程主要存在的問(wèn)題

1.教材內(nèi)容落后，課程結(jié)構(gòu)單一。基礎(chǔ)力學(xué)課程在應(yīng)用型本科專業(yè)人才培養(yǎng)中占據(jù)著十分重要的地位，但是市面上的教材的編寫特點(diǎn)和內(nèi)容設(shè)置絕大部分都是偏向研究型、綜合型的工科大學(xué)的學(xué)生。即使有些教材聲稱自己是所謂的面向應(yīng)用型本科院校學(xué)生編寫的教材，但是其內(nèi)容結(jié)構(gòu)、知識(shí)點(diǎn)分布、例題的來(lái)源和課后習(xí)題的設(shè)置與工程案例實(shí)際嚴(yán)重脫節(jié)。這與偏重理論知識(shí)的面向研究型大學(xué)學(xué)生的教材無(wú)異，毫無(wú)新意可言，基本上是二三十年前的老內(nèi)容，沒(méi)有與時(shí)俱進(jìn)。同時(shí)，目前基礎(chǔ)力學(xué)課程主要以理論講授為主，輔以簡(jiǎn)單的力學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)（主要為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，無(wú)設(shè)計(jì)性），課程結(jié)構(gòu)單一，無(wú)法滿足培養(yǎng)學(xué)生的力學(xué)知識(shí)在工程中的實(shí)際運(yùn)用能力的要求，更無(wú)法滿足應(yīng)用型人才側(cè)重于理論與工程實(shí)際運(yùn)用相結(jié)合，培養(yǎng)分析、解決問(wèn)題的能力的要求。

2.教學(xué)方法陳舊。目前針對(duì)各個(gè)專業(yè)的基礎(chǔ)力學(xué)課程——理論力學(xué)、材料力學(xué)、工程力學(xué)等，主要采用的教學(xué)方法依然是傳統(tǒng)的“PPT+黑板”。在總學(xué)時(shí)日漸減少，單位學(xué)時(shí)課程信息量必然需要增加的大趨勢(shì)下，依然采用一遍又一遍地理論推導(dǎo)和講解與工程實(shí)際差距極大的例題，這顯然無(wú)法讓學(xué)生積極地參與到教學(xué)活動(dòng)中，只是被動(dòng)地接受，與一直被抨擊的“填鴨式”教學(xué)并無(wú)二意。并且教學(xué)效果不盡如人意，考試掛科率歷年高居不下，學(xué)生談力學(xué)課程如畏虎；同時(shí)教學(xué)效果對(duì)教師的個(gè)人演講與口才、個(gè)人人格魅力依賴嚴(yán)重，即對(duì)教師個(gè)人要求極高。因此，采用陳舊的教學(xué)方法會(huì)導(dǎo)致培養(yǎng)學(xué)生的方向與企業(yè)需要的力學(xué)概念清晰、能應(yīng)用力學(xué)理論知識(shí)解決實(shí)際工程問(wèn)題的人才需求目標(biāo)嚴(yán)重偏離。從而造成學(xué)生理論基礎(chǔ)知識(shí)不扎實(shí)的同時(shí)解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力也十分欠缺，更談不上創(chuàng)新能力，嚴(yán)重阻礙了學(xué)生的就業(yè)以及職業(yè)發(fā)展。

3.課程實(shí)踐、實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)與工程實(shí)際應(yīng)用脫節(jié)。當(dāng)前基礎(chǔ)力學(xué)課程基本沒(méi)有設(shè)置課程實(shí)踐（設(shè)計(jì)）內(nèi)容，已有的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單一、老套，比如材料力學(xué)和工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)基本是以下幾個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)：（1）低碳鋼和鑄鐵的拉壓實(shí)驗(yàn)；（2）低碳鋼彈性模量的測(cè)量；（3）低碳鋼和鑄鐵的扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)；（4）簡(jiǎn)支梁彎曲實(shí)驗(yàn)；（5）彎扭組合變形實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)都是對(duì)教材理論內(nèi)容的驗(yàn)證，但基本無(wú)法體現(xiàn)力學(xué)知識(shí)在工程中的實(shí)際運(yùn)用。而理論力學(xué)絕大部分高校更是沒(méi)有設(shè)置相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)課，連最基本的機(jī)構(gòu)觀察實(shí)驗(yàn)也取消了。因此，基礎(chǔ)力學(xué)課程在既沒(méi)有課程實(shí)踐（設(shè)計(jì)）和應(yīng)用型實(shí)驗(yàn)的情況下根本無(wú)法達(dá)到讓學(xué)生具備運(yùn)用理論知識(shí)解決工程實(shí)際問(wèn)題的應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)。

綜上所述，目前基礎(chǔ)力學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容落后、教學(xué)方法陳舊、課程實(shí)踐環(huán)節(jié)缺乏并且實(shí)驗(yàn)與工程實(shí)際運(yùn)用嚴(yán)重脫節(jié)，無(wú)法滿足應(yīng)用型本科院校的人才培養(yǎng)的需求。因此亟須對(duì)現(xiàn)有的教學(xué)內(nèi)容、方法、課程環(huán)節(jié)設(shè)置進(jìn)行變革，以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和教學(xué)過(guò)程的參與程度，改變以“教師為主”的教學(xué)模式，提高教學(xué)效率和效果。

三、3D打印技術(shù)在力學(xué)課程教學(xué)中的可行性與優(yōu)勢(shì)

隨著3D打印技術(shù)的高速發(fā)展，其在制造、教育、建筑設(shè)計(jì)、醫(yī)療、航空航天、文化創(chuàng)意等領(lǐng)域都得到廣泛的應(yīng)用[2-3]。源于案例的實(shí)體模型的建立對(duì)基礎(chǔ)力學(xué)課程中抽象復(fù)雜概念學(xué)習(xí)、理解和運(yùn)用都起到十分重要的作用[4-5]。3D打印技術(shù)能根據(jù)教學(xué)內(nèi)容、知識(shí)要點(diǎn)靈活地制作相應(yīng)一定比例的工程實(shí)際模型，能將抽象的概念、二維簡(jiǎn)化圖像變成三維的實(shí)物可觀察并且可觸碰，這對(duì)于學(xué)生的思維是一種釋放，使其更容易集中精力到老師所講授的知識(shí)要點(diǎn)上，理解知識(shí)點(diǎn)在實(shí)際工程中的運(yùn)用，同時(shí)也激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)造力。同時(shí)，利用3D打印技術(shù)可以靈活按比例制造出各個(gè)專業(yè)在實(shí)際工程中所可能面臨的經(jīng)典結(jié)構(gòu)模型，從中取提煉出相應(yīng)章節(jié)的力學(xué)問(wèn)題，并引導(dǎo)學(xué)生使用力學(xué)知識(shí)去解決問(wèn)題，是真正貼近實(shí)際工程的案例教學(xué)。因此，將3D打印技術(shù)融入基礎(chǔ)力學(xué)課程教學(xué)中，可大大提高力學(xué)課程教學(xué)的趣味性、實(shí)用性和對(duì)學(xué)生的吸引力；并且與應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo)能達(dá)到真正融合，具有很強(qiáng)的實(shí)際意義和可操作性。

同時(shí)將3D打印技術(shù)引入到基礎(chǔ)力學(xué)課程教學(xué)中，可以解決目前基礎(chǔ)力學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容陳舊、與實(shí)際工程應(yīng)用嚴(yán)重脫節(jié)，學(xué)生積極性差、教學(xué)過(guò)程參與程度低的問(wèn)題，是真正的理論與實(shí)際工程運(yùn)用相結(jié)合的、“以學(xué)生為主”的、符合應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)的教學(xué)道路。特別是使用3D打印技術(shù)根據(jù)知識(shí)要點(diǎn)，靈活打印相應(yīng)的實(shí)體三維教具，使得力學(xué)基本概念、基本定理可視化、可觸化。提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，深化對(duì)基本概念、定理的理解，同時(shí)三維實(shí)體教具更能體現(xiàn)實(shí)際工程案例，讓學(xué)生更好地理解如何從工程實(shí)例簡(jiǎn)化到力學(xué)理論模型，并用力學(xué)知識(shí)去解決實(shí)際問(wèn)題。而對(duì)于應(yīng)用性較強(qiáng)的知識(shí)點(diǎn)與章節(jié)，將工程實(shí)際問(wèn)題通過(guò)3D打印技術(shù)按照比例需求靈活制作出相應(yīng)模型，真正形成工程案例教學(xué)的教學(xué)體系，避開枯燥無(wú)聊的例題和課后習(xí)題，實(shí)現(xiàn)真正的“邊用邊學(xué)”，學(xué)習(xí)完畢相應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)（體系）就能解決相應(yīng)的工程實(shí)際問(wèn)題，與應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)無(wú)縫對(duì)接。并且在基礎(chǔ)力學(xué)課程實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐中，弱化原來(lái)簡(jiǎn)單的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，強(qiáng)化了知識(shí)的應(yīng)用性，達(dá)到真正的案例式教學(xué)。對(duì)不同的專業(yè)，根據(jù)其典型的工程實(shí)際問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生建立該工程實(shí)際問(wèn)題的力學(xué)簡(jiǎn)化模型，并進(jìn)行力學(xué)分析、設(shè)計(jì)，并將學(xué)生設(shè)計(jì)出來(lái)的模型采用3D打印技術(shù)將其按一定比例打印出來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果，針對(duì)關(guān)鍵部位的力學(xué)問(wèn)題引導(dǎo)學(xué)生去優(yōu)化設(shè)計(jì)其力學(xué)結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

四、結(jié)語(yǔ)

采用3D打印技術(shù)進(jìn)行真正的工程案例教學(xué)，降低理論推導(dǎo)難度的同時(shí)強(qiáng)化對(duì)力學(xué)知識(shí)工程應(yīng)用，對(duì)目前基礎(chǔ)力學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容落后、與實(shí)際工程應(yīng)用脫節(jié)嚴(yán)重具有十分重要的意義。并且目前3D打印技術(shù)已經(jīng)十分成熟，完成力學(xué)教學(xué)模型的制作完全沒(méi)問(wèn)題，且成本不高，在基礎(chǔ)力學(xué)課程教學(xué)使用中3D打印技術(shù)，可使學(xué)生完全參與教學(xué)過(guò)程，完成對(duì)力學(xué)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)到直接運(yùn)用的過(guò)程，切合卓越工程師與應(yīng)用型人才培養(yǎng)需求。同時(shí)使得課程結(jié)構(gòu)豐富、主次明確，強(qiáng)調(diào)工程應(yīng)用的同時(shí)，也沒(méi)有完全放棄對(duì)學(xué)生理論知識(shí)的教學(xué)，重視理論與工程實(shí)際相結(jié)合。

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