基于3D打印技術(shù)的開(kāi)放實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式探索與實(shí)踐

朱妍妍, 李忠新, 呂唯唯

(北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院, 北京 100081)

基于3D打印技術(shù)的開(kāi)放實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式探索與實(shí)踐

朱妍妍, 李忠新, 呂唯唯

(北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院, 北京 100081)

探索了基于3D打印技術(shù)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式,規(guī)劃了課程體系、運(yùn)行機(jī)制,分別從課程實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)選修課、科技創(chuàng)新幾類開(kāi)放模式下實(shí)踐,反響良好。以3D打印教學(xué)資源為基礎(chǔ),開(kāi)展開(kāi)放實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè),有效地推動(dòng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革,對(duì)實(shí)驗(yàn)中心后續(xù)全面開(kāi)展開(kāi)放實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有一定的借鑒作用。

3D打印技術(shù)； 開(kāi)放實(shí)驗(yàn)； 教學(xué)模式

開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革創(chuàng)新的重要途徑,也是傳統(tǒng)授課和自主學(xué)習(xí)的巧妙結(jié)合。隨著個(gè)體行為的增加和流動(dòng)性的增強(qiáng),學(xué)生想自由地安排學(xué)習(xí)方式的意愿愈發(fā)強(qiáng)烈,開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)運(yùn)而生[1-3]。依托學(xué)生天馬行空的思維與新鮮奇特的想法,充分發(fā)揮其主觀能動(dòng)性,聚焦于想嘗試的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,按需選擇儀器設(shè)備,獨(dú)立思考設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案,自由展開(kāi)實(shí)驗(yàn),在這個(gè)過(guò)程中,主動(dòng)權(quán)交付于學(xué)生之手,教師只起到從旁指導(dǎo)的作用[4-5]。與傳統(tǒng)模式下固定時(shí)間、固定實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)教學(xué)相比,開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)更能突出學(xué)生的個(gè)性發(fā)展,有利于充分地激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)造的熱情。我校地面機(jī)動(dòng)裝備實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心發(fā)揮國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心的輻射作用,以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力為出發(fā)點(diǎn),整合實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有教學(xué)資源創(chuàng)造開(kāi)放實(shí)驗(yàn)條件,構(gòu)建出柔性開(kāi)放的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。以3D打印技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例,探索開(kāi)放課程體系及運(yùn)行機(jī)制,在教學(xué)大綱內(nèi)課程實(shí)驗(yàn)、課外實(shí)驗(yàn)選修課、科技創(chuàng)新活動(dòng)幾類模式下展開(kāi)實(shí)踐,卓有成效。

1 開(kāi)放課程體系

課程體系是實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)目標(biāo)的載體,是保障和提高教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵[6]。3D打印技術(shù)實(shí)驗(yàn)開(kāi)放的對(duì)象是全校本科生,覆蓋機(jī)類、近機(jī)類、非機(jī)類學(xué)生,各學(xué)生群體專業(yè)不同、興趣不同,教師須因材施教。3D打印開(kāi)放課程體系建立在3D打印技術(shù)創(chuàng)新訓(xùn)練教學(xué)資源庫(kù)基礎(chǔ)之上,資源庫(kù)儲(chǔ)備一系列典型、實(shí)用、難度階梯化的3D打印教學(xué)案例。教學(xué)案例適當(dāng)?shù)囟鄬W(xué)科交叉、多層次實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目結(jié)合,明確設(shè)計(jì)方案、技術(shù)要點(diǎn)、創(chuàng)新點(diǎn)等,落實(shí)到具體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目上,綜合考慮不同年級(jí)、不同專業(yè)實(shí)驗(yàn)對(duì)象的特點(diǎn),設(shè)計(jì)模塊化、梯度化內(nèi)容,滿足不同層次或要求的教學(xué)環(huán)節(jié),并編制實(shí)驗(yàn)大綱、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書、實(shí)驗(yàn)報(bào)告等教學(xué)文檔。

目前3D打印的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目類型分為：

(1) 演示型實(shí)驗(yàn)。此類實(shí)驗(yàn)依賴教師課前準(zhǔn)備,將已建好的模型導(dǎo)入切片軟件中,為學(xué)生講解切片原理,介紹切片相關(guān)參數(shù),實(shí)驗(yàn)過(guò)程中學(xué)生直觀觀察打印制作過(guò)程,獲得基本認(rèn)知。

(2) 綜合型實(shí)驗(yàn)。此類實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生學(xué)習(xí)三維造型,在熟悉切片基礎(chǔ)上,需要分析高/標(biāo)準(zhǔn)/低精度的切片參數(shù)設(shè)置對(duì)于打印效果的影響,探索優(yōu)化打印質(zhì)量的技巧,完成實(shí)物制作并進(jìn)行誤差分析，進(jìn)而反饋改進(jìn)建模。從實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上,分為一體件和組合件。一體件通常指單一零件的作品,覆蓋范圍較廣,如卡通玩偶、指環(huán)等。組合件由2個(gè)或2個(gè)以上零件裝配而成,如工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)動(dòng)機(jī)、減速器、軸承等,個(gè)性化玩具禮品中鑰匙鏈、眼鏡等。組合件要求在三維造型軟件中仿真運(yùn)動(dòng),分析結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。多數(shù)組合件是零件分開(kāi)制作,再經(jīng)后處理手工裝配完成,而3D打印在制作工藝方面有其獨(dú)特的優(yōu)越性,某些裝配體由于結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn),3D打印技術(shù)可整體實(shí)現(xiàn)一次成型,因此三維模型須針對(duì)性地制訂合理的實(shí)驗(yàn)方案。

(3) 創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)。此類實(shí)驗(yàn)注重綜合能力的提升,要求學(xué)生圍繞趣味主題展開(kāi)設(shè)計(jì)與制作。經(jīng)過(guò)前幾個(gè)階段的訓(xùn)練,學(xué)生理解增材制造理念,對(duì)3D打印工藝特點(diǎn)有了深入認(rèn)識(shí),結(jié)合三維造型將天馬行空的想法變成真實(shí)的實(shí)物。

考核環(huán)節(jié)是課程體系的重要一項(xiàng),貫穿于整個(gè)教學(xué)活動(dòng)中,調(diào)控著教學(xué)活動(dòng)。3D打印開(kāi)放實(shí)驗(yàn)考核采取三合一模式,實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案占25%,實(shí)驗(yàn)過(guò)程表現(xiàn)占35%,實(shí)驗(yàn)總結(jié)報(bào)告占40%。根據(jù)開(kāi)放模式比例略有調(diào)整,兼顧作品難度系數(shù)、個(gè)人或團(tuán)隊(duì)完成情況,以學(xué)生自評(píng)、互評(píng)、教師評(píng)價(jià)多形式結(jié)合,納入實(shí)驗(yàn)過(guò)程表現(xiàn)考核中,使課程體系更具系統(tǒng)性、互動(dòng)性。

一門實(shí)驗(yàn)課程的結(jié)束并不意味著學(xué)習(xí)行為的終止,開(kāi)放模式培養(yǎng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的習(xí)慣,后續(xù)在交流平臺(tái)中繼續(xù)分享經(jīng)驗(yàn)和資源。3D開(kāi)放課程體系突出以學(xué)生為中心培養(yǎng)創(chuàng)新人才的理念,采取多樣化教學(xué)方法和手段,靈活建構(gòu)、動(dòng)態(tài)生成知識(shí),使學(xué)生融會(huì)貫通所學(xué),激發(fā)出潛力和創(chuàng)造性。

2 開(kāi)放運(yùn)行機(jī)制

3D打印實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)時(shí)間、場(chǎng)地、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容3個(gè)維度的開(kāi)放：時(shí)間上,工作日固定課程定時(shí)開(kāi)放,周末提前預(yù)約,靈活開(kāi)放；場(chǎng)地上,各類型實(shí)驗(yàn)室及儀器設(shè)備整體開(kāi)放,最大限度受益于學(xué)生；內(nèi)容上,以教學(xué)實(shí)驗(yàn)個(gè)性化定制為主,不局限于教學(xué)大綱[7-8]。開(kāi)放架構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 3D打印開(kāi)放實(shí)驗(yàn)架構(gòu)圖

實(shí)驗(yàn)對(duì)象可以是班級(jí)集體、感興趣的個(gè)人或志趣相投的小團(tuán)隊(duì)。對(duì)感興趣的個(gè)人注重個(gè)性化培養(yǎng),強(qiáng)調(diào)主動(dòng)參與及自我啟發(fā)、多元化理解；對(duì)團(tuán)體參與的學(xué)生則鼓勵(lì)交流合作,促進(jìn)互動(dòng),能力全面提升。

目前的開(kāi)放模式有課程實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)選修課、科技創(chuàng)新活動(dòng)幾類,實(shí)現(xiàn)了理論課程結(jié)合實(shí)驗(yàn)課程、課內(nèi)課外的聯(lián)動(dòng)。課程實(shí)驗(yàn)定位于教學(xué)大綱要求的實(shí)驗(yàn),班級(jí)集中參與實(shí)驗(yàn),注重培養(yǎng)觀察能力,建立專業(yè)認(rèn)知關(guān)注學(xué)習(xí)感受；實(shí)驗(yàn)選修課鼓勵(lì)探究知識(shí),激發(fā)學(xué)生的興趣,適合學(xué)生的需求,一般課內(nèi)要求完成32學(xué)時(shí)的課程,個(gè)人或團(tuán)隊(duì)提交實(shí)物作業(yè)及總結(jié)報(bào)告[9]；科技創(chuàng)新活動(dòng)則更關(guān)注應(yīng)用,面向備戰(zhàn)競(jìng)賽或創(chuàng)新活動(dòng)的團(tuán)隊(duì),開(kāi)展定制化的課程訓(xùn)練,激發(fā)個(gè)性特長(zhǎng),體現(xiàn)學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主體性[10-11]。幾類開(kāi)放模式有著交叉融合的學(xué)習(xí)目標(biāo),從認(rèn)知感知、綜合應(yīng)用到創(chuàng)新提高,內(nèi)容、層次逐步上升,培養(yǎng)學(xué)生對(duì)知識(shí)的靈活駕馭能力。

實(shí)驗(yàn)中心按需開(kāi)發(fā)了網(wǎng)上預(yù)約管理平臺(tái),將實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目介紹、約課方式、考核評(píng)價(jià)等功能全方位納入,使開(kāi)展實(shí)驗(yàn)的對(duì)象、時(shí)間、場(chǎng)地等要素線上線下有機(jī)統(tǒng)一。然而面對(duì)實(shí)驗(yàn)要素的不確定、學(xué)生個(gè)性化的教學(xué)要求,教師管理難度加大,重復(fù)勞動(dòng)增多,引起教學(xué)工作量大增,因而還需要進(jìn)一步探索更有效的開(kāi)放實(shí)驗(yàn)長(zhǎng)效運(yùn)行機(jī)制。

3 開(kāi)放實(shí)驗(yàn)教學(xué)成效

3.1 課程實(shí)驗(yàn)

機(jī)械與車輛學(xué)院將3D打印實(shí)驗(yàn)推廣到機(jī)械類專業(yè)學(xué)生中,例如“精密制造工學(xué)基礎(chǔ)”課程實(shí)驗(yàn)以制造工藝為主線,介紹機(jī)械領(lǐng)域前沿發(fā)展趨勢(shì),拓寬學(xué)生對(duì)物體成型方式的認(rèn)知,系統(tǒng)地了解減材、受壓、增材等成型方式,熟悉制造工藝特點(diǎn),拓寬眼界。

學(xué)期中,機(jī)械類專業(yè)各班級(jí)理論授課進(jìn)度不盡相同,加之學(xué)生個(gè)性化的學(xué)習(xí)需求,剛剛接觸了專業(yè)課的學(xué)生處于摩拳擦掌卻又相對(duì)懵懂的階段,實(shí)驗(yàn)熱情較高。過(guò)去,一般教師會(huì)在實(shí)驗(yàn)前把實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)以實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書、課件等形式直接塞給學(xué)生,客觀上使很多學(xué)生做實(shí)驗(yàn)時(shí)會(huì)習(xí)慣性地依賴教師。而開(kāi)放模式下,實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師改變傳統(tǒng)的“教師說(shuō)學(xué)生做”的形式,采用激發(fā)學(xué)生興趣的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,實(shí)驗(yàn)過(guò)程互動(dòng)交流,更容易獲得良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

在3D打印實(shí)驗(yàn)中,三維模型切片處理是一個(gè)很重要的環(huán)節(jié),造型軟件創(chuàng)建的模型經(jīng)過(guò)切片處理,才能將數(shù)據(jù)輸入到打印機(jī)中。指導(dǎo)教師針對(duì)多樣化的模型,指導(dǎo)學(xué)生自主調(diào)節(jié)如切片的層高、熔融溫度、放置角度、噴嘴移動(dòng)速度等參數(shù),在虛擬環(huán)境下預(yù)覽輸出結(jié)果,對(duì)噴嘴的行走軌跡、模型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)一目了然,從而綜合評(píng)價(jià)設(shè)計(jì),及時(shí)反饋改進(jìn)建模方案。實(shí)驗(yàn)過(guò)程更多地以學(xué)生為中心開(kāi)展,操作主動(dòng)權(quán)回歸學(xué)生手中,潛移默化下促進(jìn)其主動(dòng)探索,優(yōu)化模型,實(shí)現(xiàn)有效學(xué)習(xí),為其在專業(yè)領(lǐng)域的產(chǎn)品設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

3.2 實(shí)驗(yàn)選修課

為了拓寬開(kāi)放領(lǐng)域,利用3D打印技術(shù)開(kāi)設(shè)了“實(shí)用藝術(shù)品創(chuàng)意設(shè)計(jì)與制作”校級(jí)選修課,進(jìn)行開(kāi)放式學(xué)習(xí)。本課程涵蓋了藝術(shù)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)基礎(chǔ)理論及加工手段簡(jiǎn)述、基礎(chǔ)三維造型設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、加工工藝分析、實(shí)用藝術(shù)品創(chuàng)意設(shè)計(jì)綜合實(shí)驗(yàn)等階段。在第一節(jié)課中,教師集中講授理論內(nèi)容及相關(guān)事項(xiàng),之后的每次實(shí)驗(yàn)采取預(yù)約機(jī)制,學(xué)生可以充分利用零散的課后時(shí)間走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室,充分調(diào)動(dòng)其自主性和積極性。

終極考核階段,教師設(shè)定多實(shí)驗(yàn)課題發(fā)布給學(xué)生,學(xué)生可就其感興趣的內(nèi)容選擇,完成方案設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)實(shí)施、結(jié)果分析、撰寫報(bào)告等環(huán)節(jié),教師就方案可行性與學(xué)生探討并從旁引導(dǎo),通過(guò)階段性的信息反饋,了解不同環(huán)節(jié)學(xué)生工作進(jìn)展、工作方法及存在問(wèn)題,呈現(xiàn)出開(kāi)放實(shí)驗(yàn)所帶來(lái)的“另類”課堂效果,切實(shí)獲得高品質(zhì)的學(xué)習(xí)效果,謀求創(chuàng)新思想、方法教育與動(dòng)手實(shí)踐相結(jié)合,學(xué)生不光有知識(shí)層面的收獲,執(zhí)行力及交流合作能力也提高不少。

圖2 實(shí)驗(yàn)選修課學(xué)生作品

基于實(shí)驗(yàn)選修課的開(kāi)放模式突出個(gè)性化教學(xué),以興趣為導(dǎo)向,學(xué)生利用可視化三維軟件進(jìn)行造型設(shè)計(jì)、3D打印機(jī)實(shí)現(xiàn)加工制作,有效地解決產(chǎn)品制作過(guò)程出現(xiàn)的問(wèn)題,在不斷地優(yōu)化成品的摸索中也提高了分析問(wèn)題及解決問(wèn)題的能力,最大限度地發(fā)揮學(xué)生實(shí)踐主體作用和自主學(xué)習(xí)性。

3.3 科技創(chuàng)新

科技創(chuàng)新能力的訓(xùn)練是對(duì)學(xué)生綜合能力的鍛煉?？萍紕?chuàng)新活動(dòng)多以競(jìng)賽形式開(kāi)展,以學(xué)生所在學(xué)科為背景,通過(guò)開(kāi)展自主式學(xué)習(xí)與頭腦風(fēng)暴,使其完成作品設(shè)計(jì)制作的任務(wù)。結(jié)合國(guó)際大學(xué)生3D打印機(jī)設(shè)計(jì)大賽、機(jī)械產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)大賽、北京市“實(shí)培計(jì)劃”暑期集訓(xùn)等科技創(chuàng)新活動(dòng),實(shí)踐開(kāi)放模式。

3D打印技術(shù)有按需定制的優(yōu)點(diǎn),使復(fù)雜結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品快速成型成為可能,使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造的一體化趨勢(shì)顯現(xiàn)[12-13]。將3D打印技術(shù)引入科技創(chuàng)新訓(xùn)練實(shí)戰(zhàn)中,針對(duì)科技創(chuàng)新多樣化特點(diǎn),整合實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容,為學(xué)生定制模塊化訓(xùn)練項(xiàng)目,階段性考核合格后,再完成科技作品的方案設(shè)計(jì)、制作與調(diào)試。實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放加大力度,集中備賽期間全天候開(kāi)放,學(xué)生在開(kāi)放環(huán)境中有更大的自由度,跳躍的思維更容易迸發(fā)出創(chuàng)造性的想法。以項(xiàng)目訓(xùn)練為基石、科技創(chuàng)新活動(dòng)為導(dǎo)向的開(kāi)放模式培養(yǎng)了大學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)思維及實(shí)踐動(dòng)手能力,順應(yīng)了產(chǎn)業(yè)界對(duì)人才培養(yǎng)的要求。

圖3(a)是國(guó)際大學(xué)生3D打印機(jī)設(shè)計(jì)大賽的作品,學(xué)生通過(guò)查閱大量資料,設(shè)計(jì)3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)方案,確定各零件的選材及功用。鋁合金型材連接件是一個(gè)難點(diǎn),學(xué)生在詳細(xì)了解傳統(tǒng)機(jī)加工、鑄造等工藝與增材制造的特點(diǎn)后,制訂了3D打印的制作方案。連接件結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,在制作過(guò)程中一旦發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)調(diào)理設(shè)計(jì)方案,幾經(jīng)改進(jìn)后,最后的實(shí)物成品既滿足了功能性需求,也保證了強(qiáng)度要求。3D打印技術(shù)大大縮短了參賽作品整體的研制周期及制作成本。

圖3(b)是2016年北京市 “雙培計(jì)劃”中“大學(xué)生機(jī)電綜合實(shí)踐與創(chuàng)新項(xiàng)目——北京學(xué)院”暑期集訓(xùn)活動(dòng)作品，來(lái)自北京工業(yè)大學(xué)和北方工業(yè)大學(xué)的學(xué)生在我實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心,根據(jù)柔性制造系統(tǒng)的理念設(shè)計(jì)并制作物料裝箱與運(yùn)載系統(tǒng),包含物料傳送、裝車、轉(zhuǎn)運(yùn)等過(guò)程。學(xué)生運(yùn)用3D打印技術(shù)制作傳動(dòng)齒輪、伺服電機(jī)輸出頭、機(jī)械手爪等,組裝好的機(jī)械臂轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度夾取物料送至運(yùn)貨小車,完成拾取和轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)作。

圖3 科技創(chuàng)新中的應(yīng)用

4 結(jié)語(yǔ)

以3D打印技術(shù)作為基石,構(gòu)建了開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)課程體系、運(yùn)行機(jī)制,試點(diǎn)個(gè)性化教育,針對(duì)不同對(duì)象探索了基于課程實(shí)驗(yàn)、選修課、科技創(chuàng)新活動(dòng)的開(kāi)放模式,鼓勵(lì)學(xué)生體驗(yàn)并融入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)中,激發(fā)了學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的意識(shí),培養(yǎng)了創(chuàng)新精神,提高了實(shí)踐能力,同時(shí)也推動(dòng)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革與創(chuàng)新。

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Exploration and practice of open experimental teaching mode based on 3D printing technology

Zhu Yanyan, Li Zhongxin, Lü Weiwei

(School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China)

The open experimental teaching mode based on 3D printing technology is explored,and the curriculum system and the operational mechanism are designed. The practice runs well under the open mode for the course experiment,the experimental elective course,and the science and technology innovation,and the good response is received. Based on 3D printing teaching resources,the construction of open experimental teaching is carried out,which effectively promotes the laboratory construction and the experimental teaching reform,having certain references for the experimental center to carry out the future open experimental teaching in an all-round way.

3D printing technology； open experiment； teaching mode

10.16791/j.cnki.sjg.2017.07.050

2016-12-30

教育部2016年第二批產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目(201602032001)；北京理工大學(xué)實(shí)驗(yàn)室研究項(xiàng)目(2014BITSYC01)

朱妍妍(1991—),女,江蘇徐州,碩士,助理實(shí)驗(yàn)師,主要從事實(shí)驗(yàn)教學(xué).

E-mail：zhyy2913@bit.edu.cn

TP399；G642.0

B

1002-4956(2017)07-0192-04