工程教育背景下液態(tài)成型綜合實踐教學改革與實踐

楊偉 劉建永

摘 要：本文以提升學生工程實踐能力為目標，以“液態(tài)成形綜合實踐課程”教學實踐為抓手，在分析了課程教學中存在的問題的基礎上，將3D打印技術引入到教學內(nèi)容中，對課程教學內(nèi)容、教學模式和考核方式進行了改革與創(chuàng)新，為高校綜合實踐類課程的改革與實踐提供參考。

關鍵詞：工程教育;綜合實踐;教學改革;3D打印

中圖分類號：TB 文獻標識碼：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2021.30.075

隨著我國社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，產(chǎn)業(yè)升級步伐加快，創(chuàng)新應用型、技術技能型人才需求越來越迫切，高等學校作為創(chuàng)新人才的培養(yǎng)基地與搖籃，肩負著培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的使命。我國從2016年6月成為《華盛頓協(xié)議》的正式會員，這標志著中國高等工程教育新的質(zhì)量標準體系的建立，也標志著中國培養(yǎng)的工程師具有了國際互認的資格。工程教育是以學生為中心、產(chǎn)出為導向、持續(xù)改進為動力作為其核心理念，通過反向設計教學體系以達成人才培養(yǎng)的目標滿足社會需求。實踐教學是教學體系中非常重要的環(huán)節(jié)，是工程教育的重要抓手，通過實踐過程讓學生結合工程實際深入理解專業(yè)知識，從而達到提高學生的創(chuàng)新能力、系統(tǒng)思維和工程實踐能力的目的，推動創(chuàng)新應用型人才的培養(yǎng)。

3D打印技術，又稱為增材制造技術，是一種集成了CAD技術、數(shù)控技術、激光加工和新材料技術等現(xiàn)代科技成果的先進制造技術，它是以三維數(shù)字模型為基礎，利用激光束或其他能源將塑料、金屬粉末、陶瓷粉末等材料分層堆積而形成實體零件。由于它是把三維制造轉(zhuǎn)化為一系列二維制造的疊加，因此可以在沒有模具和其他工具的條件下生產(chǎn)復雜零部件，由于具有生產(chǎn)效率高，制造柔性大等突出特點，在航空航天、機械裝備、汽車模具、醫(yī)療等領域有著廣泛的應用。

液態(tài)成型綜合實踐課程是湖北汽車工業(yè)學院針對材料成型及控制工程專業(yè)開設的具有汽車工業(yè)背景的特色鮮明的一門實踐課程，是銜接理論知識與工程實際的重要橋梁。一般來說，實踐教學過程與工程實際結合越緊密，越有助于提升學生的工程能力，但對于教學環(huán)節(jié)而言，由于學校教學條件的特殊性，工業(yè)生產(chǎn)中的工藝裝備難以完全復制到教學過程中，導致工程教育教學效果不甚理想。而將3D打印技術引入教學過程中，快速制造所需的工裝，可以有效解決教學過程中所需砂型、蠟型、造型模具等資源不足的核心矛盾。經(jīng)過幾年的教學探索與實踐，對教學內(nèi)容、教學方法和支撐條件等進行了多方面的改革建設，取得了明顯成效。

1 液態(tài)成型綜合實踐的課程定位與教學目標

根據(jù)我校材料成型及控制工程專業(yè)的畢業(yè)要求和教學頂層設計，本課程定位是一門能綜合運用已學習的專業(yè)理論知識來解決實際工程問題的實踐課程，在此過程中培養(yǎng)學生的系統(tǒng)思維能力、綜合實踐能力、工程項目管理能力。

根據(jù)課程定位，為課程制定了五個課程目標，分別是：

課程目標1.掌握材料成型專業(yè)的基礎知識，基本原理在實際工程中的應用，能分析項目實施的合理性及對社會環(huán)境等的影響。

課程目標2.了解本專業(yè)領域的設備、工藝技術及其應用，綜合評估項目實施的經(jīng)濟性和可行性，培養(yǎng)應用創(chuàng)新能力。

課程目標3. 使學生能利用計算手段針對工程問題，進行分析設計、模擬仿真，為工程實際提供參考。

課程目標4. 使學生能利用現(xiàn)有工程技術條件，綜合運用所學知識進行合理的方案設計，對模擬計算結果進行分析改進，并進行有效實施。

課程目標5.訓練學生在項目實施過程中的團隊協(xié)助與溝通的能力。

2 傳統(tǒng)教學過程中存在的主要問題

“液態(tài)成型綜合實踐”課程是以特定的零件為對象，通過進行單件小批量試制生產(chǎn)為載體開展工程實踐，在傳統(tǒng)教學中由于現(xiàn)場條件制約，所能提供的教學案例是較為簡單的零件，并非全部來源于工程實際，這就導致實踐的課題缺乏前沿性、時代性和工程背景，在實踐過程中難以建立起與時俱進的工程意識，難以提高其工程應用能力;其次，在學生在實踐過程中更多的是在指導老師的講授和示范下實施特定的成型方案，缺乏自主性和創(chuàng)新性，也制約了創(chuàng)新能力的培養(yǎng);第三，由于對傳統(tǒng)鑄造生產(chǎn)環(huán)境較差的印象導致綜合實踐過程對學生吸引力不夠，急需更新穎的教學手段來提升學生學習的興趣與熱情。

3 教學改革實施措施

3.1 構建新的教學體系，加強工程應用背景

針對學生畢業(yè)要求和本課程所需知識結構，在原有專業(yè)課程基礎上新增了《三維測量與逆向設計》和《快速制造技術》兩門理論課程，改革前后教學環(huán)節(jié)對比如圖1所示。通過《三維測量與逆向設計》課程的學習，使學生具備傳統(tǒng)正向設計和新興逆向設計相結合的設計建模能力，可以將來源于工程實際的實物零件變?yōu)閿?shù)模，以此為實踐課題對象，更接近生產(chǎn)實際，能發(fā)揮更好的教學效果。由此以來，由于課題來源的多樣性，對綜合實踐實施過程所需的工裝制作要求也隨之提高，需要有更快捷更高效的制造設備和手段，因此，進一步將3D打印技術引入教學環(huán)節(jié)，通過這一手段可以很好地解決這一難題。通過《快速制造技術》課程的學習，使學生掌握多種3D打印工藝的原理、設備、成型材料、特點等知識，從而可以在實踐過程中根據(jù)課題情況選擇合適的3D打印工藝完成工裝制造，對課題的順利進行提供了有力的保障。縱觀在整個教學體系，可以看出通過多環(huán)節(jié)訓練，將學生將所學專業(yè)知識系統(tǒng)關聯(lián)起來，對培養(yǎng)學生系統(tǒng)的思維能力有著重要意義。

3.2 開展校企合作進行協(xié)同育人

產(chǎn)教融合協(xié)同育人模式是當前應用型本科高校的熱點問題，近些年很多高校對協(xié)同育人模式進行了廣泛的探索，大多是學校“走出去”合作模式，而湖北汽車工業(yè)學院在產(chǎn)教融合協(xié)調(diào)育人方面開辟了一個更新穎的模式，通過引進專業(yè)3D打印生產(chǎn)企業(yè)進入學校，共享學校和企業(yè)的軟硬件資源，在校內(nèi)共建實踐基地和研發(fā)中心，形成“引進來”合作模式，主動擁抱先進生產(chǎn)力，開展協(xié)同育人。在3D打印課程學習過程中，充分利用實踐基地的條件，邀請企業(yè)技術人員為學生講解工程案例、演示講解各種成形設備工作原理與成形過程、學生親自參與生產(chǎn)等環(huán)節(jié)，通過現(xiàn)場教學讓學生直觀學習各種3D打印工藝的特點、區(qū)別與應用場景，為在液態(tài)成形綜合實踐課題實施過程中選擇合理的成形方案奠定基礎，同時也拓展了專業(yè)視野。