3D打印技術(shù)及應(yīng)用課程線上線下混合式教學(xué)的研究與實(shí)踐

霍 瑩,陳宏博,唐國坤

(吉林化工學(xué)院 工程訓(xùn)練中心,吉林 吉林 132022)

教育部在《關(guān)于深化本科教育教學(xué)改革全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的意見》中明確指出,著力打造一大批具有高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度的線下、線上、線上線下混合、虛擬仿真和社會(huì)實(shí)踐“金課”。教育部高等教育司也提出了要“深化新工科建設(shè),推進(jìn)產(chǎn)教融合創(chuàng)新平臺”等工作,在此時(shí)代背景下,促使高校不斷地改革教育教學(xué)模式顯得尤為重要[1-2]。20世紀(jì)初,國外各高校紛紛開展了自己的開放式課程項(xiàng)目后,在線學(xué)習(xí)資源管理和服務(wù)進(jìn)入了一個(gè)發(fā)展和增長的時(shí)期,聯(lián)合國教科文組織把它稱作“開放教育資源”,并且逐漸成為各國高校教育資源建設(shè)和在線教學(xué)的主流力量。隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”和信息化的不斷深入,MOOC、微課、翻轉(zhuǎn)課堂等新的教學(xué)模式,正在引發(fā)教育模式的變革。國內(nèi)的在線教育在20世紀(jì)末才開始了起步。從發(fā)展歷程來看,中國在線教育經(jīng)歷了從遠(yuǎn)程教學(xué)平臺、網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)階段、在線開放課程學(xué)習(xí)階段到線上線下有機(jī)結(jié)合的“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧課堂的四個(gè)階段?，F(xiàn)在國內(nèi)出現(xiàn)了多種APP教學(xué)平臺,使我國的在線教育進(jìn)入了網(wǎng)絡(luò)智能教室的新發(fā)展階段。

通過調(diào)研,全國高校的工程訓(xùn)練中心幾乎都開展了3D打印課程,但往往都采用傳統(tǒng)模式教學(xué),近幾年也有采用利用互聯(lián)網(wǎng)平臺上的“3D打印技術(shù)”軟件系統(tǒng)開展教學(xué)的高校,但采用線上線下混合式教學(xué)模式的較少。綜上,采用線上各類教學(xué)平臺和線下“3D打印創(chuàng)新技術(shù)應(yīng)用”教學(xué)系統(tǒng)相結(jié)合的線上線下混合式教學(xué),將對高校創(chuàng)新型、應(yīng)用型人才的培養(yǎng)具有極大的促進(jìn)作用。期望通過兩者的深度融合,加快實(shí)現(xiàn)從以“教”為中心向以“學(xué)”為中心轉(zhuǎn)變,從“知識傳授”為主向“能力培養(yǎng)”為主轉(zhuǎn)變,從“課堂學(xué)習(xí)”為主向“多種學(xué)習(xí)方式”轉(zhuǎn)變,這不但可突出學(xué)生的主體性地位,還可以培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力,同時(shí)提升課堂教學(xué)效率[3-4]。

一、課程概況

3D打印技術(shù)及應(yīng)用課程是我校機(jī)械類、近機(jī)類等專業(yè)的工程訓(xùn)練實(shí)踐課程之一。通過此課程主要是培養(yǎng)學(xué)生的工程創(chuàng)新意識、創(chuàng)新能力和動(dòng)手能力。傳統(tǒng)的教學(xué)方式是先由教師講解并演示軟件和機(jī)器的使用,學(xué)生再進(jìn)行練習(xí)操作。由于工程訓(xùn)練全部課程學(xué)時(shí)有限,理論課程講完后,學(xué)生設(shè)計(jì)的時(shí)間明顯不足,也無法滿足不同層次學(xué)生的學(xué)生需求,因此基于互聯(lián)網(wǎng)平臺,提出了建3D打印線上線下混合式教學(xué)模式,利用線上“超星學(xué)習(xí)通”平臺豐富學(xué)生的知識體系、解決因線下課時(shí)限制無法進(jìn)行自主創(chuàng)新等問題,并利用產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人的“互聯(lián)網(wǎng)+3D打印創(chuàng)新實(shí)踐課程”教學(xué)系統(tǒng)(以下簡稱“載物網(wǎng)”,網(wǎng)址為http://school.zaiwoo.com)的線下平臺培養(yǎng)學(xué)生產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)、研制完善、成本控制、經(jīng)濟(jì)評價(jià)、營銷推廣等能力,彌補(bǔ)線下3D打印技術(shù)教學(xué)方法的不足,在教學(xué)課程體系上進(jìn)行改革,從而提高課程的教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果,提高學(xué)生提出、分析、解決實(shí)際問題的自主創(chuàng)新能力。

二、線上線下混合教學(xué)模式的設(shè)計(jì)與建設(shè)

線上線下混合式教學(xué)的建設(shè)思路是正確地處理好線上與線下教學(xué)內(nèi)容的關(guān)系[5]。線上線下教學(xué)內(nèi)容應(yīng)該做好互相補(bǔ)充、相互促進(jìn),而不是重復(fù)相同的教學(xué)內(nèi)容。線上線下混合教學(xué)模式應(yīng)以學(xué)生為主體,教師應(yīng)扮演組織者和引導(dǎo)者的角色,在學(xué)生的學(xué)習(xí)過程中提供對應(yīng)的教育服務(wù),讓學(xué)生更好地進(jìn)行學(xué)習(xí),獲取知識,將所學(xué)知識融會(huì)貫通[6]。

(一) 線上課程設(shè)計(jì)(課前)

本次線上教學(xué)使用的是“超星學(xué)習(xí)通平臺”。學(xué)習(xí)通平臺是在線移動(dòng)教學(xué)課程建設(shè)平臺,可以實(shí)時(shí)在線進(jìn)行活動(dòng),如課程建設(shè)、授課、互動(dòng)、考核、批改作業(yè)、答疑、考試等。通過線上課程的教學(xué),不僅可以突破時(shí)間和地域的限制,實(shí)現(xiàn)課程相關(guān)的理論教學(xué),還能擴(kuò)寬擴(kuò)展學(xué)生的知識范圍,培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)能力[7]。

教師作為組織者,首先要根據(jù)教學(xué)目標(biāo)確定教學(xué)內(nèi)容。線上的課程有3D打印基本理論知識、課程任務(wù)的發(fā)放(教師會(huì)根據(jù)各專業(yè)特點(diǎn)設(shè)定不同的課程任務(wù))和載物網(wǎng)的使用。學(xué)生可以根據(jù)教師提供的線上資源在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成線上的學(xué)習(xí),如有問題可隨時(shí)向指導(dǎo)教師提問,并與小組同學(xué)進(jìn)行討論。線上教學(xué)設(shè)計(jì)見表1。

表1 線上教學(xué)設(shè)計(jì)

(二) 線下課程(課中)

線下教學(xué)設(shè)計(jì)見表2。

表2 線下教學(xué)設(shè)計(jì)

1.建模學(xué)習(xí)

UG (Unigraphics NX)是一款用于三維建模常用的軟件,它可為用戶的產(chǎn)品設(shè)計(jì)及加工過程提供了數(shù)字化造型和驗(yàn)證手段。其功能強(qiáng)大,用戶可以輕松實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜實(shí)體及造型的建構(gòu)。

線下教學(xué)首先利用UG建模軟件,進(jìn)行基礎(chǔ)繪圖的操作,比如草圖的繪制、拉伸、旋轉(zhuǎn),齒輪等常用工具的使用。學(xué)習(xí)完成后,同學(xué)們就可以利用該軟件進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

2.設(shè)計(jì)階段

此階段利用工具之一是產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人“3D打印創(chuàng)新技術(shù)應(yīng)用”教學(xué)系統(tǒng)的平臺,此平臺是以產(chǎn)品的研發(fā)、設(shè)計(jì)、制作和營銷推廣生命周期為導(dǎo)向,以互聯(lián)網(wǎng)、3D打印設(shè)備、載物網(wǎng)平臺為實(shí)施工具,將學(xué)生自主設(shè)計(jì)的作品在真實(shí)市場進(jìn)行互動(dòng),從而了解到產(chǎn)品從開發(fā)到推廣的整個(gè)過程,旨在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識、工程素養(yǎng)和核心素質(zhì),提高綜合職業(yè)能力,并對創(chuàng)客、創(chuàng)新達(dá)人和有創(chuàng)業(yè)意向的學(xué)生具有積極的指導(dǎo)作用。

在該平臺上,同學(xué)們可以利用在線參數(shù)化建模工具設(shè)計(jì)一些基礎(chǔ)零件,如圖1所示,這樣就簡化用UG建模的復(fù)雜性。接下來,各小組同學(xué)根據(jù)線上課程任務(wù),進(jìn)行模型設(shè)計(jì),建模過程中,可使用UG建模軟件,也可以使用在線參數(shù)化建模工具。

圖1 載物網(wǎng)-在線參數(shù)化建模界面

3.模型打印階段

模型設(shè)計(jì)完成后,課堂上教師先以播放視頻的方式,簡單回顧線上教學(xué)內(nèi)容“什么是3D打印”“3D打印機(jī)是如何打印的”,同時(shí)也會(huì)播放失敗案例,引發(fā)學(xué)生思考“為什么會(huì)造成了當(dāng)前的失敗”,之后教師以現(xiàn)場演示的方式,講解3D打印機(jī)的打印過程,讓學(xué)生更直觀感受打印過程。同時(shí),課程中,老師也會(huì)強(qiáng)調(diào)打印的參數(shù)設(shè)計(jì),支撐的選擇,以及常用故障的基本處理方法。在設(shè)置支撐的過程,教師會(huì)添加思政內(nèi)容“人只有腳踏實(shí)地,才能夠立足當(dāng)下”,增強(qiáng)學(xué)生腳踏實(shí)地的精神,樹立正確的價(jià)值觀。

4.打印裝配階段

打印完成后,同學(xué)要利用工具將打印模型進(jìn)行后處理,并進(jìn)行組裝,如果打印的產(chǎn)品不能很好地裝配,同學(xué)要根據(jù)自己的設(shè)計(jì)進(jìn)行修改,及時(shí)分析錯(cuò)誤所在,并重新進(jìn)行打印組裝,直到產(chǎn)品完成為止。圖2是3D打印課程以“指尖旋轉(zhuǎn)陀螺”為例的課程任務(wù)。

圖2 課程樣例

5.載物網(wǎng)營銷階段

此階段利用的是載物網(wǎng)平臺,學(xué)生可以將自己設(shè)計(jì)的作品模型掛在網(wǎng)上進(jìn)行售賣,也可以通過設(shè)置材料、克數(shù)等因素完成產(chǎn)品的定制,其他用戶也可以在此平臺進(jìn)行購買產(chǎn)品,從而了解產(chǎn)品從開發(fā)到推廣的整個(gè)過程。圖3為載物網(wǎng)交互平臺界面。

圖3 載物網(wǎng)交互平臺

(三) 課后練習(xí)

課后,學(xué)生按照要求撰寫實(shí)習(xí)報(bào)告,老師也會(huì)將所有學(xué)習(xí)的課程錄制成視頻上傳到學(xué)習(xí)通教學(xué)平臺,以方便同學(xué)課后進(jìn)行鞏固復(fù)習(xí)。同時(shí),在線上學(xué)習(xí)平臺,教師加了一些拓展內(nèi)容,例如先進(jìn)的3D打印技術(shù)在現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用及大國工匠精神等。

同時(shí),對于在建模設(shè)計(jì)方面比較突出的學(xué)生,教師會(huì)選拔進(jìn)入本院組織的競賽培訓(xùn)班,進(jìn)一步加強(qiáng)訓(xùn)練,“以賽促教、以賽促學(xué)”的精神方式,選拔動(dòng)手能力強(qiáng)、理論基礎(chǔ)扎實(shí)、參賽積極性高的同學(xué),為各類競賽做準(zhǔn)備,從而提高學(xué)生的工程訓(xùn)練能力[8-10]。

(四) 考核評價(jià)機(jī)制

本課程的考核模式是線上課程考核(20%)+綜合評價(jià)考核(80%),線上課程考核主要包括線上課程觀看進(jìn)度、測試和互動(dòng)情況,綜合評價(jià)包括組內(nèi)自評(10%)、組間互評(30%)和教師評價(jià)(40%),教師評價(jià)根據(jù)學(xué)生的安全操作、課堂表現(xiàn)、作品完成等情況綜合評分。

三、結(jié)束語

3D打印技術(shù)及應(yīng)用課程線上線下混合式教學(xué),充分發(fā)揮了互聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢,“以學(xué)生為主體”,依附學(xué)習(xí)通平臺和載物網(wǎng)平臺建立了不同層次的3D打印技術(shù)的課程體系。針對機(jī)類與非機(jī)類的基礎(chǔ)不同,完成相應(yīng)的認(rèn)知實(shí)訓(xùn)和基礎(chǔ)實(shí)訓(xùn)的線上教學(xué)課程;利用模型庫的基礎(chǔ)部件和UG建模,設(shè)計(jì)不同的創(chuàng)新產(chǎn)品并不斷完善,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的不斷創(chuàng)新;將材料的市場價(jià)格輸入到系統(tǒng)制定成本分析和用料量,實(shí)現(xiàn)成本控制及經(jīng)濟(jì)評價(jià);將設(shè)計(jì)成的產(chǎn)品利用互聯(lián)網(wǎng)平臺銷售,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的營銷推廣,讓學(xué)生充分地感受到模型產(chǎn)品從創(chuàng)新設(shè)計(jì)、打印制作、到營銷推廣的完整過程,鍛煉了學(xué)生的自主創(chuàng)新能力和實(shí)踐應(yīng)用的能力。同時(shí)教師也全方位把握學(xué)生的學(xué)習(xí)效果,明顯提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。