基于“3D打印技術”的汽車設計課程教學改革探索

張鐵國　劉旭輝　夏塑光　賈愛芹　武欣

摘 要：汽車設計是車輛工程專業的一門專業必修課程，也是提升學生專業綜合能力的一門重要課程。傳統的汽車設計課程教學模式較為注重理論教學，忽視了實踐教學的重要性，導致學生的創新和應用能力得不到實質有效的提升，無法實現人才培養目標與社會需求的對接。針對這種現狀，本文通過3D打印技術將汽車設計課程理論教學、課內實驗、課程設計教學環節進行了深度融合，培養學生工程意識及創新意識，提高學生分析問題、解決問題的能力。

關鍵詞：3D打印技術 汽車設計 實踐教學

1 引言

車輛工程專業作為新工科專業代表之一，肩負著為汽車產業輸送實踐能力及創新能力強，同時具備國際競爭力的高素質復合型新工科人才的使命[1]，汽車設計課程是集理論與實踐為一體的一門專業核心課程，是培養創新能力及應用能力的關鍵環節。國家創新驅動發展戰略的提出，對汽車設計課程提出了更高的要求，為此汽車設計課程理論與實踐教學深度融合的改革勢在必行。本文基于當前汽車設計課程教學改革的研究，利用3D打印技術探索汽車設計課程理論教學與實踐教學教學改革措施。

2 課程特點

當前汽車設計課程在原有的八個模塊[2]基礎上增加了從動橋設計模塊，每個模塊以總成設計基本要求、結構方案分析、參數選擇、載荷計算、零部件的強度計算等方面展開論述。各個模塊內容融合了較多先修課程內容，涉及知識面較廣，課程難度較大，理論性強，同時還具有較強的實踐性[3-6]，教學內容涵蓋理論、實驗、課程設計三部分，因開設于大四第一學期，為畢業設計、實習、就業等環節打下良好的基礎。

3 汽車設計課程教學存在的問題

3.1 理論教學存在的問題

汽車設計課程模塊之間較為獨立，各模塊內容較多，涵蓋知識面較廣，教學任務大，部分章節若引入汽車設計前沿技術及知識時，章節課時無法保障有效實施。部分院校同一專業存在文理生并存，不同學制的情況，學生對課程的理解及認識存在較大的差異。先修課程知識點掌握不牢固，對部分章節中的二維圖或總成結構認識不夠清晰。先進的汽車設計工程案例較少，學生缺乏行之有效的練習驗證，不利于提高學生自信心。

3.2 課內實驗教學存在的問題

因受傳統教學觀念的影響，導致實驗教學在整個教學過程中處于薄弱環節。實驗人數較多，實驗設備的拆卸與組裝耗費時間長，學生缺乏對實驗對象深層次的探索以及指導教師的合理引導，導致學生所撰寫的實驗報告質量不高。實驗對象較為單一，如膜片彈簧離合器總成認知實驗，缺乏對其他類型離合器較為深刻的感性認識，不利于學生對離合器總成類型較為系統的了解。設計及驗證型實驗極少，不利于學生對基本理論知識的掌握及創新能力的培養。

3.3 課程設計教學存在的問題

汽車設計的課程設計主要分為三個環節：撰寫說明書、制圖、答辯，為期兩周時間。在時間安排上，課程設計環節往往是在汽車設計課程結束之后，前期理論教學環節與課程設計在時空上產生脫離，在實際課程設計初期，學生需要花費大量時間對前期知識點進行回顧與總結，如制圖環節，學生因對尺寸標注、制圖軟件的熟悉程度、實物的感官認識深度等因素的影響，學生在此方面花費的時間較多。另外學生人數較多課程設計題目及數據相近，無法調動學生的積極性，臨近期末，部分同學基于考研、期末復習、工作等因素不能專心完成課程設計。這些因素往往會讓學生對課程設計喪失興趣。最終導致內容雷同或說明書計算結果與圖紙不匹配的情況，不利于培養創新意識，無法有效提高分析問題及解決問題的能力。

4 汽車設計課程教學改革探索

4.1 當前汽車設計課程教學改革研究

4.1.1 當前教學模式改革研究

三年疫情，傳統的教學模式受到了極大的挑戰，面對這突如其來的變化，我國各地高校紛紛開展線上教學，基本上實現了預定的教學目標，但也暴露出其線上教學的弊端，盡管如此，線上教學模式也有其不受時空限制的優點，如充分挖掘優質的網上教學資源，可顯著提高教學效果。基于線上教學的優勢及線下教學的不足之處，張婷婷、李勝琴等老師通過對線上線下教學的實踐，最后將線上線下混合式教學作為該校汽車設計的教學模式[7-10]，充分調動學生的積極性及師生互動。為提高學生在校學習收獲和效率，李淑玉老師采用了汽車設計模塊化教學模式[2]，并取得了較好的效果。安曉東針對汽車設計中理論部分采用現場教學與多媒體相結合的方式，修玉峰老師在在汽車設計教學中指出采用模塊化教學模式，王豐元等老師采用授課教師與企業工程師聯合集中授課的模式，實現理論與實踐的有機結合[11-13]。王豐元等老師將汽車設計課程設計與模塊化理論教學進行充分的融合，并在汽車設計課程考核中引入課程設計部分[14]，在很大程度上推動學生應用技能的培養。

4.1.2 當前教學方法改革研究

在教學方法上，相關學者也進行了積極的教學改革，以提高教學效果：李勝琴等老師在汽車設計課程改革中采用的有專題講座、項目研究、翻轉課堂等[3]；張婷婷等老師分別根據課程的難易程度結合啟發式、問題探究式、任務驅動式、現場教學式等教學方法進行改進[7]，取得較好的效果；為提高學生學習興趣及其注意力，雷治國采用問題式教學方法，有效促進師生互動[15]；薛晶等老師根據課程重難點的不同結合項目式教學法、案例法、答疑授課方式進行教學，較大程度上改善授課效果[5]；李強等教師采用“七三制”教學理念與方法顯著的提高了學生綜合素質與能力[16]。

4.1.3 當前教學過程評價及課程設計改革相關研究

在教學評價方面，傳統的教學過程評價主要以考勤、作業、實驗、期末測試作為教學過程評價依據，隨著教學平臺的搭建，教學過程評價融合了線上學習進度及參與度評價，最大限度調動學生的參與度及學習的主動性。王豐元等學者將課程設計過程考核引入到汽車設計課程考核中[14]。

實踐作為當前工程專業的根本，并已成為國際高等工程教育界的共識[17]，并在以學生為中心的教育理念的推動下，學者紛紛對汽車設計課程設計進行探索，康元春指出教師應僅以設計任務布置，時間安排，工作量要求作為授課內容，充分調動學生學習的主動性，培養學生的分析問題解和決問題的能力[18]。邵建旺老師對專業課程設計的教學模式進行了改革與實踐，并結合企業案例，利用計算機軟件輔助設計，采用分組合作等方式來提高學生團隊合作能力、專業素養、創新能力[19]。

綜上所述，不同學者紛紛對汽車設計課程進行了相應的探索研究，并取得較好的效果，但針對汽車設計課程課內實驗、課程設計、理論教學深度融合研究較少，為此理論與實踐的深度融合研究具有重要的意義。

4.2 汽車設計課程理論教學改革探索

汽車設計課程內容較為抽象，理論課時較多，理論計算結果無參考對象可依，在這一層面上直接影響學生的興趣及其自信，為此在汽車設計理論教學方面需要引入實物模型及某一車型的相關參數，并將其貫穿理論教學過程中，實現理論與實踐的深度融合。為節省時間，全生參與，實踐教學中采用小比例的3D打印實物模型，實現現場教學的課堂化。基于3D打印技術并結合當前汽車設計課程教學改革研究采取如下措施：

課前環節的準備工作：提前告知學生針對汽車設計課程各個模塊所采用的教學模式、教學方式、考核依據，以引起學生的足夠重視及其興趣；在實際理論教學環節之前督促學生完成模塊總成3D實物模型的拆卸及裝配，以增強學生對模型工作原理及其結構有較深的感性認知；

課中環節的實施過程：理論教學中以問題探究式方式開展教學活動，適度引導使其掌握重點突破難點。教學環節應注重模塊總成及零部件實物與工程圖的結合，提高讀圖能力，鞏固工程制圖基本知識，根據尺寸精度對載荷的影響，強化尺寸標注知識點，培養工匠精神。

課后環節的練習：提供某一車型的相關設計數據，督促學生利用辦公軟件完成相應模塊的理論計算，培養學生對日常辦公軟件的應用技能，為后續的課程設計及畢業設計順利的進行打下必備的基礎。

測繪與考核環節的實施：根據學生對汽車設計課程相應模塊的理論計算結果與實際車型對應模塊進行測繪與比對，提高學生自信心，培養學生分析問題及解決問題的能力。并通過此環節作為平時模塊考核主要依據。

4.3 汽車設計課內實驗教學改革探索

汽車設計課內實驗應較多地引入設計類或驗證性實驗，針對設計型實驗，學生可以提前鞏固三維軟件繪圖技能，并通過3D打印技術，完成小比例實物模型，通過對實物模型與設計尺寸的比對，加深對尺寸精度的選取及配合部位尺寸的界定，不僅可以提高學生對設計尺寸的把控力度，同時也能鍛煉其對零部件結構的認知深度，為培養學生工程意識提供良好的教學環境。

針對課內實驗所選取的零部件以現有車型為基礎，做好課內實驗3D模型的收集及歸類，為后續教學提供實物模型，實現現場教學課堂化，優化教學設計，提高教學效果。

4.4 汽車設計課程設計教學改革探索

汽車設計課程設計有助于學生綜合能力的培養，同時也是提高學生分析及解決問題能力的關鍵環節。目前此方面的改革側重于課程設計知識課堂教學過程化或者通過融入企業案例等方式來提高課程設計質量，但對所設計的零部件或總成的性能、裝配、尺寸標注并未進行相應的實物比對，很大程度上影響學生對所設計內容的深層探索。

基于對汽車設計課程理論及課內實驗教學的改革措施實施，學生在理論計算及3D打印設備的應用方面已經具備相應的知識，能夠在較短的時間內完成相應的理論計算及繪圖工作，通過零部件設計尺寸與3D打印實物的對比，實現理論與實踐的深層結合，強化學生對尺寸的精度、裝配關系、結構設計合理性的感性認識。課程設計的內容以汽車設計所涉及的各個模塊為基礎，以班級為單位開展同一模塊不同方案的課程設計，豐富實物模型，改善課堂教學環境，降低理解難度，提高教學質量。

制定合理的課程設計評價機制：采用答辯方式，以最終的3D打印裝配模型作為獨立小組之間重要的評分依據；在小組評分基礎上，以零部件的模型、說明書、制圖作為組內成員的主要考評依據；以考勤作為輔助考評，以此來培養團隊之間競爭意識及工匠精神，促進組內學生的深度協作，提高專業素養。

5 結束語

綜上所述，本文對汽車設計課程在教學過程中存在的問題進行了分析，并基于同行對汽車設計課程教學改革的研究，兼顧學生興趣、自信、學習計劃及汽車前沿技術，深層探索汽車設計課程理論、課內實驗、課程設計改革措施，實現理論與實踐的深度融合。

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