基于3D打印技術探討“增材制造實驗”課程改革要點

董育偉

淮陰工學院機械與材料工程學院基礎實驗室，江蘇 淮安 223300

目前，專業課程教學是工科專業人才培養體系中的關鍵組成，如何整合實驗教學來滿足國家高科技創新人才的要求，也是當代材料專業教學中需要面臨的重點教學任務。2019年教育部發布了關于提高高素質人才培養的若干建議，學校要將最新的科研成果轉變為學生所獲取的知識，提高學生們學習的積極性，進一步加強對學生科研活動的有效指導，加快科研實踐平臺的建立，更好發掘和培育創新型人才是未來科學人才培養的主要發展趨勢。

一、3D打印技術在教學中應用現狀

近些年，我國大力推動制造業轉型升級，在制造業涌現出了一系列新型技術，其中3D打印技術就是一種新高端制造技術，而且3D打印技術在國內各個高校中推廣，也紛紛設置了專業學科。同時，有些知名高校設置了專業的3D打印技術研究部門。高校將相關的課程與企業經營相融合，有助于將企業研發成果直接應用到生產線上。國家給予高校高端制造課題研究投入更多政策、資金支持，學校為社會培養高端新型的技術人才，在高校的專業教學中引入3D打印技術，至關重要，在未來有著顯著應用前景。

學校在生產制造、醫學、工業設計等多個專業中都開設了3D打印技術課程，使用3D打印技術，能夠鍛煉學生們的動手動腦能力，提高同學們學習3D打印技術的熱情，調動同學們學習的積極性，能夠展現出更好的課堂教學效果。在制造實驗課上，有些理論知識比較抽象，在課堂中靈活應用3D打印技術的實物教學模型，幫助學生們深度了解課程知識。針對于所開設專業課程，教師設計3D打印教學專題，設計課程設計題目，讓學生組建項目小組，結合自己的專題去設計方案，最終完成產品的研制，可以獲得更好的3D打印產品。而且還能夠展示匯報。使用創客創設平臺的方法，讓學生們在課余時間就可以參與3D打印技術相關的科研創造活動中，還有學生們自主學習制作動手能力，學校與企業也深度合作，在教學中，融入校企協作中，學生們制作出優秀的3D打印成果來展示，也可以為企業的生產經營提供技術的支持［1］。

二、材料專業實驗課程教學現狀分析

（一）對實驗課上的教學重視度不足

在實驗課上教學期間，實驗課是目前專業教學的一部分，在實驗課上，學生們掌握理論知識，通過這些實踐課程，學生就可以將比較抽象的一類知識引到實踐中，提高知識的靈活應用能力，還能夠鍛煉學生專門的動手操作能力和創新創造能力，能夠激發學生學習潛能。在當前的實驗教學方面，教師受到傳統教育思想理念的限制，語言與課程思路的限制，過去課堂被定義為理論，但是與現代化實踐教學也有一些沖突，實踐教學內容往往都是教師在課堂上解釋。以開展驗證性實驗，教師在課程講解前期，先設計好教學流程，學生們再動手操作，但是過于限制，就會影響到學生們發揮自己創新力和想象力，不能達到未來的課程教學目標［2］。

（二）專業課程內容特色不太突出，內容設置相對落后

在材料專業課程中，很多課時都是介紹一些已經快要淘汰儀器設備的運行原理、測試方法，這些內容太過于枯燥乏味，而且對學生們來講比較難懂，企業實際使用也比較少，與自身所學的專業關聯性不強，造成學生們學到的知識相對滯后，而且實用性偏差，材料專業實踐課程，有許多的基礎性實驗，學生在實驗中，會遇到過去的一些化學實驗、物理實驗，在開設的課程中，就容易出現重復操作、重復學習的現象，也容易使學生們對該實驗課程有一定的厭惡感。

（三）課程評價體系需要改變

在過去學科考核課程中，往往是使用課堂作業的方式考核學生，實驗課多數都是學生提交一份實驗報告就能夠完成，單一的考核方式會造成學生們學習知識的所有要求，只是為了更多的考分，然而沒有考慮到知識的實用性。因此，這種考核方式太過于單一，未能夠適應當前教學改革發展要求。一些實驗需要同學們相互配合協作完成，但是通過學生的作業雷同化現象比較突出，這種問題經常在實驗課程出現，有的學生大包大攬，其他學生卻在場邊區觀摩［3］。

三、增材制造實驗課程教學的改革及探索

（一）建立起學生自主設計實驗的新型教學實驗模式

在過去傳統理論教學方式下，教師單獨在課堂上講解理論知識，未來就要變更為學生的自主化研究，實施創新的設計實驗，教師激發學生們對于3D打印技術、增材制造技術研究的興趣、主動性，也由過去被動性的知識灌輸，向著主動化學習研究方向發展。教師設計項目，學生們三個人為一組，讓學生主導完成實驗課程，教師過去單純理論講解，逐步轉變為知識的引導指引和學生們的互動合作的項目實踐，讓學生們逐步變為實驗課程的負責人。在新型教學模式之下，學生們就有更多的實驗教學的主動權，而且還可以利用學生自己閑散時間來學習理論知識。在實驗課教學中，教師著重于鍛煉學生們的科研思維，作為教學重點，要引導學生大力去假設，通過采用合理驗證方法，印證提出的假設，高效處理問題。

例如，學校開設高分材料增材制造作業中，教師給學生們一定的機會，讓學生們動手操作，學生自主組隊完成一個高分子3D產品的打印項目，學生使用高分子材料，使用打印機，能夠在課堂上，讓教師展示出學生們制作出來的作品，采用各種展示方法。教師理清學生們實踐思路，及回答學生們在實踐中所出現的問題，提出問題，并且引導學生去解決問題，明確實驗的思路。在全部實驗期間，3D打印作品的設計思路也更加清晰，可以精準查詢出作品的設計思想。學生在使用3D打印機時，還要重點考慮到如何降低產品的重量，材料利用率能夠大于50%，利用有限的材料，打印出大體積、精敏度更高的產品［4］。

（二）實驗教學內容要緊扣學科的發展前沿領域

重點關注使用新型設備新技術方法，在實驗室要關注一些新技術、新材料、新設備的實際應用，在有限時間內，教師帶領學生掌握金屬材料的3D打印機操作要點，讓學生也可以在計算機軟件內建立3D模型。同學們自主化構建模型，逐層打印3D產品，并且獲得優質產品，也能夠提高學生的學習需求，激發學生們學習3D打印技術的熱情。

增強實驗內容的專業性，學生在操作實驗中如果發現一些問題，自己動手查閱課下文獻資料，以及獨立自主去解決實驗中所存在的問題，如在使用金屬激光成型技術，研究新材料新結構設計問題，在互聯網上或者在圖書館查閱相應的技術文件資料，引導學生組織開展開放性的學習，創新訓練實踐，能夠為后期的科技產品競賽而提供工作技術支持。

（三）增強實驗教師隊伍的建設

通過加強創新人才隊伍建設，提高學校整體的實驗教學科研水平，同時學校還要重點關注教師人才隊伍的專業化培養，使教師與學生的距離更近，教師及時講解學生們在實驗中所出現的問題，加強學生對于理論知識的認知理解。教師編制實驗教學大綱，通過與其他教師的合作，達到群策群力的目的，并制定出優質教學大綱，在講解時，增加更多實驗儀器設備構造講解和樣品配備方法的講述等一些細節的實驗作業環節。在實驗方案中，也要能夠加上更多實驗儀器設備的照片，各種各樣的樣品實驗數據，能夠增強理論教學與實驗教學之間的銜接度，也能提高學生們學習的興趣［5］。

（四）在課堂教學方式方面的改革

在過去傳統制造課程教學工作中，有些概念只有配合實體才能夠展現，但是設備造價偏高，太過于笨拙，不能夠在課堂上展示。因此，單純靠教師講解知識教學方式太過于單一，教師只是單純枯燥講解知識，學生們難以深刻理解制造課程內容。而融合了3D打印技術后，可以改變過去傳統的教學方式，使用三維一體化的技術，可以幫助學生對理論知識有深刻的理解。學生在課程設計時，就要設計和打印出比較滿意的零部件，更好地掌握理論知識，也能夠大幅提高學生們的知識應用能力，動手操作能力，學生在這種新型教學方式之下，就會感受到材料增材制造技術的學習樂趣，同時也會進一步提高3D打印技術課程學習的效果［6］。

（五）學習方式方面的改革

在傳統課堂教學期間，機械制造專業課程，會涉及大量復雜組合體的知識，學生們只是在課堂上聽教師講解一些理論知識，或者查看教師播放的二維圖片，很難深入理解原理。在課堂上，融入3D打印技術，建立起開放性的實驗室，讓同學們自己去建模，并且針對提出來的問題，在課堂上討論，教師給其提供機會，讓學生們自主掌握3D打印技術，這種學習方式就能夠獲得監督學生的學習主動性，激發了學生們學習的熱情，引導學生們去主動學習知識［7］。

（六）授課采取多種形式，激發學生們學習的興趣

結合3D打印材料和金屬合成獨特的特性，在課堂教學中，可充分使用多媒體演示、計算機三維建模的手段，在有限時間內能夠最大限度發揮多媒體教學效果，讓學生們系統設計新產品，展開CAD的分析。了解到先進制造技術引導下的產品，快速創新產品研發課堂教學，教師以學生為中心，讓學生們在課下利用閑暇時間，自覺學習新知識，在上課時教師通過設計教學場景，讓學生作為老師來講解知識，這樣有助于讓同學們提高學習積極性，也讓學生在過去一味被灌輸的知識環境之下，轉變為主動化的學習，也能夠促使同學們團隊協作、溝通交流，實現對新知識的深度認知和理解。學校也可以聘請外部的3D打印技術專家，來學校開展3D技術前沿講座，讓學生們都能夠聆聽專家們講解，獲取3D打印技術理論，如此能拓寬學生的思維，讓學生不僅學習課本上知識，而且能夠活躍課堂氣氛，創新教學模式［8］。在學校工程訓練中心，增加三維數字化的模型設計和3D打印快速成型技術課程，讓學生們可以近距離接觸這些設備，學習仿真研發和生產線的相關知識。學校為學生創造了一個真實的實驗環境，讓學生都能夠將學到的理論知識與科研實踐相結合，突出解決日常的實際問題。

四、結束語

在教學資源的支持之下，通過整合高校內部的課件教學資源，能夠協助發揮教學平臺的優勢，讓優秀的成果都能夠轉變為教學資源來豐富教學內容，創新學生的思維，教師引導學生進入到實驗室來動手操作，參與到該項作業，提高了學生們的科研攻關和創新能力水平［9］。在高校材料專業課程中，融合3D打印技術，對于教學模式轉變都有重大影響，學校配備足夠的資金，配備專業設備和教師人才，在課堂上使用3D打印技術，會展示出更好的教學效果，能夠豐富課堂教學內容；3D模型增強了學生們的認知，提高了同學們學習的興趣，而且還培養了學生動手能力，拓寬了學生的思維，為國家培養了更多專業化的制造人才。