打印技術融入車輛工程專業本科教育新探索

行魯豫 郭昌龍 葛濤

摘要：3D打印是目前制造領域發展迅速的一項新興技術，如何將3D打印技術與現代工科高校應用型人才培養進行有機融合，成為高等教學研究的熱門課題。車輛工程作為典型的工科類專業具有應用性強、就業形勢好的優點，相比其他機械類專業，其專業性強、實踐能力要求高等特點又對其本科教育提出了特殊的要求。

關鍵詞：3D打印;車輛工程;本科教育;翻轉課堂

3D打印技術憑借獨特的成型方式，不需要傳統的刀具、夾具及多道加工工序，直接將工件的三維模型輸入3D打印機，由程序控制實現任意復雜形狀零件的快速與精確制造，實現了真正意義上的數字化設計與制造。近年來，3D打印技術逐漸應用于科學研究、生物醫療、航空航天、汽車制造、食品加工、設計創作等諸多領域，走進大眾生活的同時，也在改變人類的生產與生活方式，對高校的教學內容與方式也帶來了很大的影響。3D打印技術集CAD設計、機械設計、控制技術、編程技術等學科于一身，是現代技術特別是信息技術的綜合體現，是工科類專業課程教學與知識傳播的良好載體。

一、教學內容設計

1.3D打印的成型原理

3D打印之所以能在比較短的時間內在多個領域得到廣泛的應用，是因為其獨特的增材成型方式解決了傳統加工方法的諸多弊端。盡管同時也帶來了新的問題，但這并不妨礙3D打印在很多領域成為傳統加工的替代工藝。在汽車制造領域，零部件制造方法多以金屬的切屑、沖壓、鍛造以及焊接等傳統工藝為主，經過多年的發展與完善，這些傳統工藝已經可以滿足較高的機械性能與安全性能，并且還在不斷進步。然而，受限于材料特性與成型原理，這些傳統工藝在汽車整車及其零部件的輕量化設計制造方面始終難以獲得較大的突破。盡管在面向輕量化設計的拓撲優化方面的研究已經開展了幾十年，但受限于成型工藝始終無法得到實際的應用。3D打印技術完全顛覆了傳統的減材或等材成型方式，可以加工任意復雜形狀的零部件，為汽車領域的輕量化設計提供了強大的技術手段。因此，通過講解3D打印技術的成型原理會讓學生對技術本身有基本的認知，同時對該課程的學習目的更為明確。

2.3D打印使用的成型裝備

3D打印機本質上是一臺機器，同樣也包含了機械框架、控制模塊、電機驅動模塊以及諸多電子元器件。掌握各個模塊的工作原理以及模塊之間的協調機制有助于加深學生對機械設計與制造的基礎理論，電工電子技術、計算機應用技術和信息處理技術等相關學科理論知識實際應用的理解。因此，在面向車輛工程專業的本科生講授3D打印技術課程之前，學生需要掌握機床理論、數控原理、機器人技術等知識內容，讓學生對機器的模塊化設計概念有更為清晰的認識，這對學生將來從事整車研究開發工作或進一步研究深造都會有很大的幫助。

3.3D打印的過程規劃

過程規劃是幾何模型到機器代碼的橋梁，在3D打印機加工之前，需要將數字化模型進行一系列的處理，完成“離散”過程。具體講，就是對幾何模型沿著Z方向進行切片操作，3D打印機根據得到的切片文件進行逐層堆積，獲得最終的實體。3D打印的過程規劃包括了CAD（Computer aided design）與CAM（Computer aided manufacturing）兩個機械類專業學生需要掌握的重要知識點。通過這部分內容的學習，可以加深對先進數字化技術的認識，提高學生的工程實踐能力，培養學生的創新設計意識。

二、教學方案實施

車輛工程專業強調培養學生的實踐運用能力，在教學過程中要基于本專業的特殊性要求，將教學方法與培養目標緊密結合，通過3D打印技術激發學生對車輛專業知識學習的參與性與主動性。教師必須根據不同教學內容進行正確的引導，培養學生的專業素養。基于以上要求，作者提出采用翻轉課堂這種新型教學方式開展教學。

隨著課堂教學的不斷改革，教學方法正在嘗試從以教師為中心轉向以學生為中心，一種被稱為翻轉課堂的新型教學方式顛覆了傳統的課堂教學模式。學生在課外時間閱覽教師制作的以介紹新概念為主的資料，從而騰出時間在課堂上與教師更多的互動。這種教學方式有利于促進成員間交流，提升學生個人的責任感和積極性。3D打印技術涉及的新知識具有范圍寬泛和容易理解的特點，特別適合由教師進行整理概括，學生在課外利用靈活的時間進行學習，而課堂上則由學生將學習過程中遇到的問題或者創造性思想與教師進行溝通。這種教學模式能為師生溝通建立保障，并為學生的實踐動手能力提供有效途徑，通過實際參與提升學生的理論實踐能力，并加深對與3D打印技術相關的新知識的理解程度。

三、實踐教學新模式

作為新興的、有應用前景的教學內容，不僅要將3D打印技術本身掌握透徹，更要與所學專業相結合，利用這項新技術為車輛制造業的發展做出新的貢獻。為了更好更快的讓學生接觸并了解這項高新制造技術，需要嘗試一些新的實踐教學模式，讓實踐教學變成現實體驗，這將有助于培養3D打印方向的車輛工程專業人才。

1. 創建3D打印實驗室。

實踐教學的基礎就是讓學生有接觸硬件、操作機器的機會。雖然3D打印機的種類繁多，價格區間很大，但可以購買一批入門級別的FDM設備讓學生擁有親手操作機器的經歷。也可以購買待組裝的套件由學生自主完成裝配，不僅鍛煉學生的動手能力，還能加深學生對打印設備的熟悉程度。此外，可以購買少量工業級的高精度設備供學生觀摩學習。

2. 校企合作，參觀相關企業。

通過參觀企業能實時掌握市場對該領域人才的需求，也能了解該領域的發展方向。通過加強與地方企業的合作，可以推動3D打印技術與車輛制造領域的發展，為培養行業、企業所需的3D打印技術應用型技術人才，更好地服務地方經濟發展打下堅實的基礎。

四、結語

當前，汽車行業正面臨著技術與產業變革的關鍵階段，朝著前所未有的智能化趨勢發展。為滿足與之相符的科技需求，高等學校應在專業課程開設與講授內容上與時俱進，提出相應改革措施。針對車輛工程專業中制造科學與技術的特殊性，本文圍繞如何將3D打印技術有機融入車輛工程應用型人才培養，從講授內容、授課方式和實踐教學新模式三個方面提出一些改革思路和建設規劃，對培養高質量有車輛工程專業特色的3D打印技術研發和管理類人才，對進一步完善車輛工程專業課程體系有一定推動作用。

參考文獻

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