以3D增材制造項目為牽引的項目驅動式教學改革探討

趙穎　李云伍　李明生　鄧蘭香　徐常塑

摘 要：為了更好地提升教學效果、培養學生綜合能力，文章基于汽車車身結構與設計課程內容與課程目標，提出了一種以3D增材制造項目為牽引的項目驅動式教學改革模式，該模式以“高階性、創新性與挑戰度”為要求，以3D增材制造項目為牽引，構造出具體的結構設計及優化理論與制造實踐相結合的教學項目，構建了“設計-優化-制造-測試-應用”全過程的項目驅動教學內容體系。在教學課程實施過程中，學生可充分接觸產業前沿，自主探究學習先進理論，并充分鍛煉學生解決復雜問題的綜合能力，培養出滿足產業發展的高素質高能力工程人才全面提升學生能力。

關鍵詞：汽車車身結構與設計 3D增材制造技術 項目驅動教學模式

1 引言

當今世界工業技術發展日新月異，新一輪科技革命和產業變革正重構全球創新版圖、重塑全球經濟結構、掀起整個工業的迭代浪潮，誰能牢牢把握并引領技術革命、搶占下一輪工業變革的制高點，誰就將在未來的工業體系中把握話語權。工科專業人才將是新技術的締造者、新業態的開拓者，工業界也對高等院校培養高素質、復合型、創新性專業人才寄予了較高的期望、提出了更高的要求。

目前高等工程教育與產業需求存在一定的脫節，尤其是工程領域，具體表現在于高校畢業生的能力無法適應產業的發展需求。技術的飛速發展促使產業需要的是高素質高能力工程人才。這一現象促使各高校都在思考和探索，如何培養適應產業需求的工程技術人才？在這些探索中，項目驅動式教學模式是提升學生全面能力的有效途徑。但是，項目驅動式教學并不是簡單的實踐性教學，我們要培養適應產業發展的高素養高能力工程人才，需要深入推進具備高階性、創新性與挑戰度的教學改革來構建項目驅動式教學模式及其教學內容[1-2]。

在一系列基于 OBE（Outcome Based Education）理念的教學模式中，項目驅動式教學是一種新型教學模式，打破了傳統教學中教師講、學生聽的授課模式，以建構主義為基礎，通過項目驅動的方式，讓學生成為課堂的主人，學生的學習效率明顯提高，主動參與課堂的積極性不斷提升[3]。項目驅動式教學重新定位了教與學的關系，將教學內容貫穿不同階段和不同項目任務中，教師的教與學生的學都圍繞項目及項目分解的任務展開，學生可以在實踐中發現問題、分析問題、解決問題，學生的專業技能和能力素養得以培養。項目驅動教學可以打破僅僅是認知取向的知識運用，轉向實踐取向的知識運用，促進學生對知識的綜合應用[4-5]。以知識的實踐運用為目標的課程，培養了學生的認知能力、合作能力、創新能力和解決實際問題的能力，而不僅是知識的再現和學生認知能力的發展。

《汽車車身結構與設計》系統地講述了現代汽車車身結構設計方法和理論，適用于車身工程專業和車輛工程專業本科高年級學生和研究生，也可供企業設計工程師參考。本書內容的學習可以使得學生了解車身開發的程序，學會分析車身結構，合理選擇設計方案及有關參數，掌握車身總體布置及結構設計的基本方法和工作要點，學會綜合運用前期所學基礎課程和專業課程的知識，并通過設計訓練，為從事汽車車身設計工作打下理論基礎，而且引導學生了解進一步提高車身開發技術的方向。

經教學實踐可得，授課過程中所存在的“從理念上偏重對理論科學知識的培養，而往往忽略對于工程實踐能力的培養；在培養過程中重視專業知識的培養，忽略綜合素質的養成。”等問題無法很好地傳授汽車車身結構與設計這門課的教學需求，同時深奧的理論與方法使得學生自我學習驅動力不足，理解困難。基于此，本文立足于“高階性、創新性與挑戰度”建設標準，進行項目驅動式教學模式改革和教學內容構建是培養高素質高能力工程技術人才、提升人才培養質量的重要內容。

2 《汽車車身結構與設計》特點分析

《汽車車身結構與設計》這門課程著重反映了現代先進車身的開發理論、方法、技術、手段和流程，主要是培養學生車身布置設計、基于剛度性能和動力學性能設計、車身性能（NVH、碰撞特性、疲勞壽命）分析、車身閉合件設計、解決白車身設計中相關的制造工藝和材料問題等方面的綜合能力，重點體現以CAE分析技術來驅動車身性能設計。隨著智能網聯汽車、智能座艙、飛行汽車等新概念和前沿技術的不斷涌現，針對車身結構的新型結構-材料-性能-工藝-測試-應用全過程一體化設計的理念和基礎理論變得更復雜，兼具高階性、創新性和挑戰度的課程內容建設變得刻不容緩，其中，高階性要求知識、能力和素質有機融合，培養學生解決復雜問題的綜合能力和高級思維；創新性要求課程內容反映前沿性和時代性，教學形式呈現先進性和互動性，學習結果具有探究性和個性化；挑戰度要求課程有一定難度，教與學雙方都應對課程有適當的投入度。

3 傳統教學模式困境

目前，傳統的教學過程僅限于理論講授，學生僅為被動接受者，教學過程缺乏對學生獨立思考和創新性能力的培養，嚴重制約了學生的實踐能力和創新能力。《汽車車身結構與設計》是一門理論、設計與實踐強關聯的課程，在授課過程中，既需要理論層面的支撐、又需要虛擬仿真分析的性能結果演示、還需要典型部件的制作及加工、更需要典型部件的常規實操試驗等。然而，實際授課過程中，存在因課時不足導致內容無法展開、虛擬仿真超算算例不足導致仿真無法一一對接、缺乏理論與實踐的結合導致的理解力如空中樓閣等問題，無法針對學生進行一對一授課，難以保證所有學生對課程內容可消化吸收[6]。雖然目前嘗試在新工科和教學模式上進行了一些改革，但還存在以下問題需解決：

3.1 成果導向教育理念理解不深刻、不透徹問題

教育理念的先進與否決定了人才培養總體目標的高低、決定了工程師人才所能達到的高度與上限。所謂“臨淵羨魚，不如退而結網”，要想讓先進的理念指導教育教學實際，就必須深刻理解、吸收理念本身的精髓所在。“節物風光不相待，桑田碧海須臾改”，現代工業技術的變化對教師的專業視野和技術能力提出了更高的要求，傳統的以教師為中心的教學理念必須摒棄、陳舊的教學模式必須改變，然而很多教師難以適應新事物的產生所帶來的前所未有的變化，在接受新理念的過程中仍然以舊模式、舊思維布局教學全過程，以至于從頂層設計上就出現偏差，這是亟需解決的首要問題[7]。

3.2 課程體系和教學評價單一問題

教育教學體系的完善與否決定了人才培養的總體質量、決定了工程師人才的最低限。學生在課程前期學習過程中主要以理論基礎知識學習為主，由于基礎理論課程開課時學生對專業知識了解不夠深入，因此對于基礎理論課程在專業中的作用不了解；在課程講授過程中，主要是教師單方面傳遞知識、建構知識體系，一方面由于教師不能很好地調動學生的積極性、主動性，從而導致學生的學習也如“囫圇吞棗”般全盤接受；另一方面學生沒有參與到教學中，只是被動的接受知識，沒有主動的思考和提問，無法對所學的知識體系有自己的理解和認識，導致了教學效果不理想，學生缺乏創新性等諸多弊端。教學手段的單一性導致了學生在學習基礎理論課程時比較吃力，為了加強學生基礎理論課程的學習，要求教師要結合專業實例和項目實際講解基礎理論課程，這不僅增加了課程挑戰度，也對教師提出了更高的要求。此外在課程考核時，主要還是以考試的卷面成績來評價學生對知識的掌握程度，忽視了學生將理論基礎知識應用于實踐的過程，造成“唯成績論”、評價體系單一，無法為培養具有理論基礎和實踐能力的復合創新型人才[8]，這是目前需要解決的第二大問題。

3.3 教育教學人才產出與產業需求脫節問題

目前傳統的工程教育教學人才產出與產業需求脫節問題主要存在兩方面，一是與產業界對畢業生的動手實踐能力和理論研究水平的期望嚴重不匹配；大學教育普遍重理論、輕實踐，畢業生既不懂得企業需要什么樣的人才、也不知道如何將理論應用于實踐。二是與產業界對具有國際視野、前沿視角的畢業生的渴望嚴重不對等；傳統的教育教學體系培養出來的學生專業能力難以適應產業升級需求，科研水平難以達到產業界需求的現代科技成功轉化高度。這是目前需要解決的第三大問題。

4 《汽車車身結構與設計》項目驅動式教學模式探索

以高階性、創新性與挑戰度為指引，以 3D 增材制造為核心內容，構造具體的結構設計及優化理論與制造實踐相結合的教學項目，將項目作為《汽車車身結構與設計》課程教學的核心內容，完成以此項目為驅動的《汽車車身結構與設計》教學模式和教學內容構建，核心建設思路如圖1所示。

4.1 項目驅動式教學模式的培養目標和能力體系

以“高階性、創新性與挑戰度”為要求，以項目驅動為手段，提出課程定位、教學內容、教學方式和考核評價體系等多方面的改革標準，明確以“學理反思、學理研究”為教學目標導向，以學科知識應用與整合為中心，夯實學生“應用、理解、記憶”的基本學習能力，培養學生“合作、創新、多元”的跨學科綜合能力，強化學生“分析、評價、總結”的高階思維能力。通過培養這些與職業要求相匹配的能力和素養，可以更快的幫助學生建立信心，更好地適應社會需求，增加就業競爭力。

4.2 項目驅動式教學的具體教學模式

以突出高階性、強化創新性、體現挑戰度為要求，從項目構建、項目與理論結合、項目實施和過程評價四個方面分析項目驅動式教學模式的構建：

（1）項目構建：根據課程目標和“高階性、創新性與挑戰度”要求，學校與企業或社會資源合作，以解決實際問題為目的，共同確定項目的背景和需求，并選擇適合的項目主題，給學生提供真實的實踐場地。同時，為激發學生的興趣和動力，還會進行項目組成員的分工，鼓勵學生跨學科合作，使他們能夠在團隊協作中解決問題；

（2）項目與理論結合：項目實施前，通過集體引導式授課，學習相關的理論知識要點，使學生建立起解決問題的理論框架；在項目實施時，學生將理論知識應用到實際項目中，通過實踐活動加深對理論的理解和掌握。在此過程中，教師會對學生提供指導反饋，幫助學生將理論與項目實踐相結合，培養學生的綜合素質；

（3）項目實施方式：項目實施過程中，將傳統的教師講授為主變革為學生自主設計實驗的新型教學模式，實現“被動灌輸”到“主動汲取”的轉變。學生會提前按照項目計劃和角色分工來執行項目任務，通過數據收集、分析、實驗等方式進行實踐，以探索問題的解決方案，并通過實際操作來培養實踐技能。此外，學生在企業提供的實踐場地或設備中，能真實了解到企業工作需求和工作流程，從而更好地適應職業環境；

（4）過程組織與評價：建立多元考核評價體系，在多元考核評價體系中，考核評價體系不再只追求結果，而是引入對過程的考核，增加實驗過程的評價在成績考核中的比例。學生通過項目報告和答辯的形式，展示項目成果，并接受同行、專家和教師的評價，促進學生之間的交流與學習。

4.3 以3D增材制造項目為牽引，構建“設計-優化-制造-測試-應用”全過程的項目驅動教學內容體系

3D增材制造目前大多數院校的教學活動集中在3D建模和打印環節，但在工業領域，不僅僅要求產品的外形，還需要滿足產品結構和載荷等性能指標的要求，學校培養的學生距離企業的崗位要求存在較大的差距[9-10]。基于以上思考，擬基于《汽車車身結構與設計》構建“設計-優化-制造-測試-應用”全過程的項目驅動教學內容體系：

（1）設計階段：在設計階段，引導學生學習相關汽車設計理論、產品設計的基本原則和方法、CAD 等工程制圖軟件等，同時學習和理解 3D 增材制造等先進制造技術的原理、工藝以及應用范圍。在此過程中，學生根據實際需求自主提出可行且具有挑戰性的設計項目，并進行初步設計；

（2）優化階段：學習車身結構優化設計相關理論，同時學會應用仿真分析工具，對不同設計方案進行驗證分析，并使用 CAD、ANSYS、Abaqus、HyperWorks 等仿真分析軟件對結構相關參數進行調整和優化，滿足產品性能需求的同時，以提高產品的性能和可制造性；

（3）制造階段：在方案優化后，學生需學習 3D 增材制造相關設備的操作和維護知識，了解不同車身材料的選擇和處理技巧，同時也要學習質量控制方法，保證打印質量和制造精度等；

（4）測試階段：通過實驗對樣機進行功能測試和性能評估，記錄測試結果并進行數據分析，根據數據分析結果評估設計的有效性，提出改進意見；

（5）應用階段：將打印制造的產品應用到實際場景中，觀察和記錄產品的表現和應用效果，最后討論和總結項目經驗，分享項目成果。

5 結語

本文基于《汽車車身結構與設計》課程在教學過程中所遇到的問題，構建出了基于“高階性、創新性與挑戰度”的項目驅動式教學模式的培養目標和能力體系，以培養學生的“自主學習”、“突破創新”、“團隊協作”“克服困難”等高階能力為目標，以構建“高階性、創新性與挑戰度”的項目驅動式教學模式為著力點，涵蓋知識、能力和素質三個維度，指導學生能力全面提升；構建出了基于“高階性、創新性與挑戰度”的項目驅動式教學的具體教學模式和實施方案，在教學課程實施，讓學生充分接觸產業前沿，自主探究學習先進理論，并充分鍛煉學生解決復雜問題的綜合能力，培養出滿足產業發展的高素質高能力工程人才；構建出了以 3D 增材制造項目為核心內容的教學內容體系并進行示范，全面提升學生能力。以 3D 增材制造項目為核心，前后貫通，有機融合“工程制圖”“材料力學”“結構力學”“汽車設計基礎”“智能制造技術”等一系列專業課程知識，梳理出基礎性、先進性、實用性、創新性統籌兼顧的教學內容體系，構建出系統、連貫的專業知識與能力培養教學體系，以項目為基礎開發出一批高質量、可復制的教學方案。

基金項目：西南大學教育教學改革研究項目（No.2022JY077）；重慶市教育教學改革一般項目（No. 223054）。

參考文獻：

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