新工科下的“3D 打印技術”課程科-教結合教學模式與方法改革

吳文征 孫慧超 郭金雨

（吉林大學機械與航空航天工程學院 吉林·長春 130022）

0 引言

目前，國家實施創新驅動發展、“中國制造2025”、“互聯網+”、“一帶一路”等重大戰略，以新技術、新業態、新產業為特點的新經濟蓬勃發展，要求工程科技人才具備更高的創新創業能力和跨界整合能力，從而加快新工科建設，助力經濟轉型升級。[1]而3D 打印技術作為新一代工業革命下新興的革新性技術，對學生的創新思維激發和培養，以及知識跨界整合能力都提出了新的要求，符合新工科背景下工程技術人才的培養目標。因此，開展“3D 打印技術”課程教學改革具有重要意義。

1 理論課程教學模式改革

現階段，根據傳統的人才培養目標所設計的高等教育人才培養模式，尤其是在工程教育領域，多以課堂大班教學模式為載體，以教師知識講解為主體，進行學生自由吸收-課后作業鞏固-結課理論知識考核這一培養路線。[2]這樣的傳統模式導致的問題首先在于學生知識的理解吸收淺顯的存在于理論認知層面，與實際結合乃至創新創造方面的知識運用缺乏培養與開發；其次，盡管有些教學課程設置有實驗課程，但是對于一些新知識體系，這種課堂教學與實踐分開進行的培養模式不能達到很好的培養效果，學生在這種培養模式下會出現知識接收運用的斷層現象，不能達到提高學生創新創造能力的培養目標。而在新工科背景下，特別是新興技術-智能制造時代的到來，要求工程技術人才具有較高的創新創業能力，同時具有良好的學科交叉能力，并具備主動創新的動力與積極性。而傳統的工程教育培養模式則明顯不能實現新的人才培養目標。

本文以新一代工業革命的核心技術——3D打印技術為課程設置，以實施科-教結合的形式對傳統教學模式進行改革。3D打印技術作為一項新興技術，其在智能精密制造、先進制造、生物醫學、航空航天等相關領域的研究與應用具有廣闊的前景，進行該項課程的教學與指導，可以提升工程技術領域相關人才的創新能力，實踐動手能力，學科交叉貫通能力，因此，實現“3D打印技術”課程的高效教學具有重要意義。[3]

首先，作為一門新興課程，3D 打印本身所具有的新知識、新工藝、新特性，需要學生有一定的了解，可以制定課前理論知識預習任務，讓學生在課前對于該技術有初步的背景了解與認知；其次，不同于傳統的教師知識灌輸，學生被動接受的模式，科-教結合的教學模式下，在學生課前預習理論知識介紹部分的基礎上，教師可以直接進行難點疑點答疑式的指導，從而讓學生在理論課堂上占據主動，提高教學質量與效率；在課堂中，為了充分利用學生的感官，調動其學習興趣，提高專注度，應該進行多元化知識傳遞模式，以文字簡介為基礎，數據及其可視化圖表為理論依據，音視頻多媒體教案為知識形象化展示，充分調動學生積極性，減少乃至消除課堂的低效時間；在理論知識講解課堂的最后5 分鐘，設置問題問答環節，對有問題、有想法的學生進行針對性的指導，為鼓勵學生發言，可按問題的創新性將學生的提問計入本課程總成績；理論課課后作業的布置以開放式作業為宗旨，針對3D 打印技術的工藝、材料、原理、應用等各個方面進行拓展，讓學生自選角度提出自己的想法或觀點，同時預習下一節課的理論背景，為新課程的理論教學環節做好鋪墊，循序漸進。

以上科-教結合的教學方法改革，改革措施均是以契合新工科背景下對人才能力的需求為目標進行設置的。通過理論教學課程改革之后，能明顯提高學生的上課積極性與課程參與度，極大減少課堂的低效時間，教學課程環節環環相扣，始終保持學生的主動性與學習熱情，保證培養質量，使得學生自覺學習，主動求知，在此過程中，使學生的信息檢索能力，新事物學習掌握能力與自主思考能力得到良好的培養。

2 實驗實踐課程設置

3D打印技術是一門集機械、材料、自動化控制為一體的學科交叉型新興技術，是新工科形勢下的技術大趨勢，要求工程技術人才具有良好的實踐創新能力和學科交叉整合能力，這對傳統的工程教育模式提出了新要求。為此，針對原有的理論教學課程模式，實驗課實踐教學模式，提出了科-教結合的教學模式與方法的改革措施。[4]在理論教學課程進行的同時，穿插進行實驗實踐課程，并且理論教學課程在需要的時候，可以轉移到實驗室進行，讓學生現學現用，從抽象知識概念到形象設備結構有一個全方位的認知與思考。

隨著理論課程的深入，為開拓學生的自主思考能力與創新能力，及時設置設備改進優化實踐課程，跟進理論教學的進度，學生通過學習理論課堂上抽象的理論知識，進行自主思考、自主創新，在指導教師的指引下進行設備的改進優化。結合現階段3D 打印技術所存在的問題，從打印材料、打印工藝、結構優化、打印精度提升、打印速度控制、打印成本控制等多角度進行設備的改進優化。在此過程中，讓學生理論聯系實踐，進一步培養其知識的運用能力與思考拓展能力。這種科-教結合模式的教學模式改革，摒棄掉本科教學培養模式與研究生教學培養的界限，解決了教育斷層的問題，從本科階段開始對學生進行科研思考與科研實踐的培養。

在進行3D 打印技術的原理背景介紹學習及深入設備工藝優化課程之后，為達到學以致用、快速學習新事物并加以運用的培養目標，針對不同工藝的3D 打印技術，開設應用實踐課程。本課程要求學生自主思考，自主檢索信息，在老師的指引下思考各種工藝3D 打印技術在各個領域的應用，并指出應用在現階段存在的問題以及未來的可行性分析。以學生設計方案、進行方案分析為主，導師評審與答疑為輔。讓學生活學活用，認知熟悉從知識背景到設備組裝，再到設計優化乃至應用實踐的整個環節。

通過實踐課程的設置，實現科-教結合的科學指導環節，結合穿插進行的理論教學環節，實現從理論知識講解到科學優化探究，再到實踐應用的全方位、全周期培養，通過改革之后的科-教結合培養模式，使得對學生的自主學習能力。信息檢索能力、科學探究能力、自主創新能力等諸多方面有了全方位的培養。通過對學生的設計方案，方案分析與問題闡述等過程的分析，能明顯反映出學生自主研究、自主學習能力的提升，方案創新多樣且可行，該種科-教結合模式的教學模式改革具有良好的培養效果。

3 課后方案設計任務設置

在課堂教學的同時，應當注重學生課余時間的利用，從而進一步培養其自主創新創業、自主思考的能力。要以興趣激發為導向，動力激發為手段，布置開放性的設計任務，鞏固學生課堂上所學所思，并在整個過程中讓學生獨立思考，運用所學所思進行對任務進行分析、設計和完善，達到知識的融會貫通、學以致用，以符合新工科背景下的工程技術人才的能力需求。

新工科背景下，要求工程技術人才能快速學習新事物并學以致用，并具備解決問題、自主創新的能力。因此，工程技術人才的培養模式必須具備科-教結合的特征。結合之前的培養模式改革方案，設置針對性的課后設計任務，以充分發揮學生的自主能動性，從3D 打印技術課程出發，設置機構、工藝、材料、原理四個方向，結合高效性、低成本、可靠性、高精度四個要求，布置設計優化任務，要求學生提交設計圖紙，原理說明，優化結果數據可視化對比以及原創性說明，以保證設計任務的質量和培養質量。在此過程中，潛移默化地培養學生的興趣和創新動力，以達到培養目標的需求。

4 結語

通過科-教結合下教學模式與方法改革，針對“3D 打印技術”課程進行了教學模式與方法的革新。從理論教學課堂環節進行改革，增設實踐實驗環節，增設課后方案設計任務，從課前、課上到課后，充分調動學生的自主學習、自主創新積極性，從以往的教師為主體，學生參與的灌輸式教學，改革為以學生自主學習，自主創新為主體，教師輔導的科-教結合式高效培養模式。激發學生的自主學習熱情，培養其信息檢索能力、自主創新能力、跨學科知識融合整合能力，拓展學生國際視野，提高學生思想層次，建立新工科背景與人才需求下的全方位培養模式，實現實踐創新能力強、具備國際競爭力、符合當代國家與社會發展需求的高素質復合型新工科人才的培養。