以微項目為驅(qū)動的3D打印工程實訓教學改革與實踐

朱小明

（廣州城市理工學院工程訓練中心，廣州 510800）

工程訓練是理工科高校培養(yǎng)學生工程實踐能力和創(chuàng)新能力的重要課程。在新工科背景下，各高校近年來不斷改革，設置了先進制造技術的訓練模塊，如機器人焊接、3D打印以及激光雕刻等[1-2]。3D打印因其個性化、應用廣泛和無限可能性等特點，在高校實訓課程中受到了越來越多的學生喜愛，促使3D打印實訓教學課程設置和教學質(zhì)量的要求隨之提高。為提高實訓教學質(zhì)量，廣州城市理工學院工程訓練中心進行了以微項目為驅(qū)動的3D打印工程實訓教學改革。

1 3D打印實訓教學現(xiàn)狀

工程實訓課程面向廣州城市理工學院機械類、汽車類、電信類以及計算機類等多個專業(yè)的本科生，其中3D打印工程實訓課程針對機械類和汽車類專業(yè)設置了12學時，經(jīng)濟類和管理類設置了3學時，其他如計算機類和電信類專業(yè)設置了6學時。3D打印實訓課程內(nèi)容主要包括基礎理論教學、實訓操作教學和學生實踐操作3部分。根據(jù)不同的專業(yè)培養(yǎng)目標和學時設置，實訓的內(nèi)容量和難度將會做出不同程度的調(diào)整和變化，從而形成2個層次的階梯型課程，分別為基礎認知型和設計制作型[3]。基礎認知型課程適用于3個學時的經(jīng)濟類等專業(yè)，課程內(nèi)容主要是了解3D打印工藝原理和工藝流程以及3D打印技術的應用，熟悉三維打印（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM）工藝成型過程和FDM打印設備的操作，并利用FDM打印機加工出作品模型。設計制作型課程適用于6個學時以上的計算機類和機械類等專業(yè)，其課程內(nèi)容在基礎認知型課程內(nèi)容的基礎上增加了利用三維軟件進行作品建模設計和FDM打印機調(diào)試等。

教學形式包括教師理論講解、現(xiàn)場操作演示以及學生個人進行實訓操作等。課程的考核成績由實訓操作（55%）、平時成績（10%）、筆試（20%）以及實訓報告（15%）組成。其中，實訓操作考核主要綜合學生的課堂表現(xiàn)和實訓作品質(zhì)量，包括實訓操作的積極性、對設備操作的規(guī)范性、作品設計創(chuàng)意、建模效果和打印質(zhì)量等。

2 3D打印實訓教學改革分析

2.1 改革的內(nèi)容

目前，3D打印實訓設計制作型課程中的產(chǎn)品設計內(nèi)容由學生自主決定，學生在產(chǎn)品設計過程中很少能結(jié)合和應用到自身的專業(yè)知識。為實現(xiàn)3D打印實訓教學中培養(yǎng)高質(zhì)量創(chuàng)新人才和應用技術型人才的目標，課程教學不應僅是學習3D打印知識和設備操作，更應在實訓過程中加強自身專業(yè)知識的理解和運用，通過產(chǎn)品設計和3D打印制作實踐檢驗專業(yè)理論知識，從而提高學生的工程實踐能力。

3D打印實訓教學應從基礎性向引導性和專業(yè)性轉(zhuǎn)變，在3D打印設計型課程的基礎上進一步深化和延伸，以學生專業(yè)能力和專業(yè)特點為考量，以與專業(yè)課程實踐相結(jié)合和科研案例化整為微的原則開發(fā)和設計微項目，以微項目為驅(qū)動進行3D打印實訓教學。

在改革中要注重對學生的引導，以學生為主體，綜合運用網(wǎng)絡教學法、直觀教學法、項目教學法和項目（任務）驅(qū)動法等多樣化的教學方式，充分調(diào)動學生學習的主動性，從而提高實訓教學的效率和質(zhì)量。同時，更要注重學生的團隊合作和交流，增加學生對作品討論和考核的參與度。

2.2 改革的意義

與專業(yè)知識和科研項目相關的以微項目為驅(qū)動的3D打印實訓教學，內(nèi)容更具針對性和實用性，能使學生了解本專業(yè)相關學科研究的主要內(nèi)容和技術方法，對學生在專業(yè)領域的學習具有積極的引導作用，提高了學生對專業(yè)課程的學習熱情。教學更加接近實際的科研項目研究，能夠使學生進入項目實踐的情景中，從而提高學生的產(chǎn)品設計能力和工程實踐能力，對學生參與更多的課外競賽和大創(chuàng)項目等具有積極的推動作用。通過該實訓教學能發(fā)掘和培養(yǎng)出更多優(yōu)秀的具有專業(yè)實踐能力的學生，為校內(nèi)工程項目儲備人才。實訓中學生以“小組討論，團隊協(xié)作”的方式完成實訓操作，以增進學生間的交流互動，發(fā)揮學生學習的主觀能動性，提高學生的團隊合作意識。

3 微項目的設置

該3D打印實訓教學改革目前主要在設置12個實訓學時的機械類專業(yè)學生中展開，包括機械工程、機械電子、機器人和工業(yè)設計等專業(yè)。在實訓教學的過程中，需要緊密結(jié)合專業(yè)的核心知識和技能，綜合考慮實訓時長和學生專業(yè)水平等，設計出符合學生操作能力的微項目。

3.1 科研項目化整為微

結(jié)合教學內(nèi)容，對大二機械類專業(yè)的一些具有很強的基礎性和實踐性的主干課程內(nèi)容和學生的專業(yè)水平能力進行深入了解，收集并篩選校內(nèi)機械類專業(yè)的科研項目和競賽項目，對項目內(nèi)容進行適當修改，刪除部分與專業(yè)不符或難度過大的內(nèi)容，將符合學生專業(yè)學習能力的項目化整為微，將其設計改造成微項目或轉(zhuǎn)化為教學案例。

3.2 專業(yè)課程知識項目化

與專業(yè)課程實踐相結(jié)合，如機械專業(yè)的“機械設計與原理”和工業(yè)設計專業(yè)的“人機工程學”等主干課程、項目化改造教學中的典型產(chǎn)品與典型機構等，將改良后的產(chǎn)品或機構作為微項目[4]。例如，對機械產(chǎn)品的外形建模、傳動機構的設計、家具以及電子類產(chǎn)品的設計開發(fā)等，并通過3D打印快速得到產(chǎn)品樣機，以提供設計驗證與功能驗證。

4 教學改革實踐

4.1 課程的教學實踐

實訓課程主要由課前預習、課堂授課、實踐操作以及評價考核4部分組成。實訓教學過程中，教師為主導，學生為主體，微項目為驅(qū)動，學生團隊協(xié)作，研究和確定設計任務，完成作品設計建模和3D打印，最后進行作品展示和評價考核。

4.1.1 課前預習

廣州城市理工學院在網(wǎng)上開放教學平臺創(chuàng)建了機械制造基礎工程訓練（金工實習）課程，建立了3D打印實訓教學資源區(qū)。學生可在該平臺上提前自主學習3D打印實訓課程的理論知識、軟件建模方法和FDM打印機的操作方法，下載自己感興趣的三維模型進行學習或修改。教師在該平臺上提前發(fā)布設計項目內(nèi)容，同時準備多個設計項目供學生選擇。學生可預選擇合適的項目，并提前收集產(chǎn)品資料，構思產(chǎn)品設計方案。通過網(wǎng)絡平臺進行的課前預習，能使學生接觸到豐富的教學資源，拓寬視野，為實訓課堂教學的開展提供知識儲備基礎，提高課堂實訓教學和實踐操作的效率。

4.1.2 課堂授課

課堂授課主要包括3D打印原理、工藝流程等相關理論知識的講解，以及三維軟件建模操作、FDM打印機及其控制軟件的使用方法等。在三維軟件的教學中，應以項目案例為引導，通過案例講解讓學生了解項目中產(chǎn)品的設計思路和建模設計方法。廣州城市理工學院機械類專業(yè)大二學生已在大二第一學期進行過三維軟件SolidWorks的學習，具有一定的三維軟件建模能力，所以在3D打印實訓中的SolidWorks軟件教學時可便針對項目產(chǎn)品（如機械構件、典型零件和主題類產(chǎn)品）的特點進行相應建模技巧和方法講解，學生亦能理解和接受。

4.1.3 實踐操作

實踐操作中，學生以小組討論和團隊協(xié)作的方式來完成。實踐操作包括項目研究、設計建模以及3D打印3個環(huán)節(jié)。

（1）項目研究。案例講解后進行微項目和設計任務的導入，學生分成若干個小組，以小組為團隊討論確定設計項目。各成員對產(chǎn)品的設計構思交流意見，并最終確定產(chǎn)品的設計方案。產(chǎn)品為裝配體時，裝配體的設計要考慮打印機的精度誤差、零件的裝配公差等。小組團隊的組建可以考驗組長的組織協(xié)調(diào)能力、學生的自我調(diào)節(jié)和相互協(xié)作能力。

（2）設計建模。確定產(chǎn)品的設計方案后，組內(nèi)進行設計建模任務的分配。在組內(nèi)學生交流互助下，每人按任務的分配情況，用SolidWorks或自主選擇熟知的建模軟件完成相應零件建模，將產(chǎn)品設計創(chuàng)意轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字模型。模型的設計需要滿足實訓所用FDM打印機對模型的加工要求。

（3）3D打印。產(chǎn)品建模完成后進行3D打印。設計和打印環(huán)節(jié)都需組內(nèi)學生相互協(xié)作才能高效、高質(zhì)完成。例如：建模能力好的學生可承擔較多的設計任務；建模能力弱或設計任務較少的學生，可提前練習掌握FDM打印機的使用方法，在打印環(huán)節(jié)完成更多的工作。最后，將得到的3D打印樣品進行設計驗證或功能驗證，查找不足，并綜合考慮課程進度和產(chǎn)品成型效果進行產(chǎn)品設計修改和再打印，最終獲得滿意的模型。

4.1.4 評價考核

課程的考核保持了原來的評價方式和評價比例，但在實訓操作評價環(huán)節(jié)中加入了學生的考核內(nèi)容，降低了教師的主觀性評估。實訓操作評價總成績由小組自評（30%）、各小組互評（30%）以及教師評價（40%）3部分評分組成。

各組將打印完成后的作品集中在一起進行展示評比，從產(chǎn)品的創(chuàng)意、設計效果和打印質(zhì)量等方面進行綜合評價。教師為引導者，鼓勵學生積極參與討論，讓學生處于具體的案例情境中，肯定作品的優(yōu)點，指出不足并給予改進意見。最后，教師綜合3方面的評價意見和得分對學生實訓操作進行考核。

4.2 教學改革實踐效果

該改革課程在廣州城市理工學院機械類專業(yè)中進行了近2個學期的教學實踐，形成了線上預習、教師主講、以項目案例為引導、以微項目為驅(qū)動以及學生分組協(xié)作完成的實訓教學模式。改革后的3D打印工程實訓課程更受學生的喜愛。機械類專業(yè)大二學生具備一定的機械理論知識和三維建模能力，在3D打印實訓中具有較強的操作能力。微項目的設置貼合學生的專業(yè)知識且符合其專業(yè)特點，課程開展順利。教學具有很好的實效性，學生在學習過程中能保持較高的興趣和參與度，實訓作品完成質(zhì)量較高。實訓中更加突顯學生的主體地位，學生以團隊協(xié)作的方式完成實訓操作，活躍了課堂氣氛。學生可以相互交流討論共同解決問題，充分發(fā)揮了學生學習的主動性，具有較高的實訓操作效率。

5 結(jié)語

結(jié)合學生專業(yè)特點和能力，以微項目為驅(qū)動的3D打印工程實訓課程在提高實訓教學質(zhì)量和滿足新工科人才培養(yǎng)需求的同時，使學生獲得了更多3D打印在實際工程項目中的應用體驗，提高了學生學習和研究3D打印技術的熱情，進一步推動了3D打印技術在產(chǎn)品設計和工程制造領域中的應用。