打印技術(shù)融入車輛工程專業(yè)本科教育新探索

行魯豫 郭昌龍 葛濤

摘要：3D打印是目前制造領(lǐng)域發(fā)展迅速的一項(xiàng)新興技術(shù)，如何將3D打印技術(shù)與現(xiàn)代工科高校應(yīng)用型人才培養(yǎng)進(jìn)行有機(jī)融合，成為高等教學(xué)研究的熱門課題。車輛工程作為典型的工科類專業(yè)具有應(yīng)用性強(qiáng)、就業(yè)形勢好的優(yōu)點(diǎn)，相比其他機(jī)械類專業(yè)，其專業(yè)性強(qiáng)、實(shí)踐能力要求高等特點(diǎn)又對其本科教育提出了特殊的要求。

關(guān)鍵詞：3D打印;車輛工程;本科教育;翻轉(zhuǎn)課堂

3D打印技術(shù)憑借獨(dú)特的成型方式，不需要傳統(tǒng)的刀具、夾具及多道加工工序，直接將工件的三維模型輸入3D打印機(jī)，由程序控制實(shí)現(xiàn)任意復(fù)雜形狀零件的快速與精確制造，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造。近年來，3D打印技術(shù)逐漸應(yīng)用于科學(xué)研究、生物醫(yī)療、航空航天、汽車制造、食品加工、設(shè)計(jì)創(chuàng)作等諸多領(lǐng)域，走進(jìn)大眾生活的同時(shí)，也在改變?nèi)祟惖纳a(chǎn)與生活方式，對高校的教學(xué)內(nèi)容與方式也帶來了很大的影響。3D打印技術(shù)集CAD設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)、控制技術(shù)、編程技術(shù)等學(xué)科于一身，是現(xiàn)代技術(shù)特別是信息技術(shù)的綜合體現(xiàn)，是工科類專業(yè)課程教學(xué)與知識傳播的良好載體。

一、教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

1.3D打印的成型原理

3D打印之所以能在比較短的時(shí)間內(nèi)在多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，是因?yàn)槠洫?dú)特的增材成型方式解決了傳統(tǒng)加工方法的諸多弊端。盡管同時(shí)也帶來了新的問題，但這并不妨礙3D打印在很多領(lǐng)域成為傳統(tǒng)加工的替代工藝。在汽車制造領(lǐng)域，零部件制造方法多以金屬的切屑、沖壓、鍛造以及焊接等傳統(tǒng)工藝為主，經(jīng)過多年的發(fā)展與完善，這些傳統(tǒng)工藝已經(jīng)可以滿足較高的機(jī)械性能與安全性能，并且還在不斷進(jìn)步。然而，受限于材料特性與成型原理，這些傳統(tǒng)工藝在汽車整車及其零部件的輕量化設(shè)計(jì)制造方面始終難以獲得較大的突破。盡管在面向輕量化設(shè)計(jì)的拓?fù)鋬?yōu)化方面的研究已經(jīng)開展了幾十年，但受限于成型工藝始終無法得到實(shí)際的應(yīng)用。3D打印技術(shù)完全顛覆了傳統(tǒng)的減材或等材成型方式，可以加工任意復(fù)雜形狀的零部件，為汽車領(lǐng)域的輕量化設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)大的技術(shù)手段。因此，通過講解3D打印技術(shù)的成型原理會讓學(xué)生對技術(shù)本身有基本的認(rèn)知，同時(shí)對該課程的學(xué)習(xí)目的更為明確。

2.3D打印使用的成型裝備

3D打印機(jī)本質(zhì)上是一臺機(jī)器，同樣也包含了機(jī)械框架、控制模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊以及諸多電子元器件。掌握各個(gè)模塊的工作原理以及模塊之間的協(xié)調(diào)機(jī)制有助于加深學(xué)生對機(jī)械設(shè)計(jì)與制造的基礎(chǔ)理論，電工電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)和信息處理技術(shù)等相關(guān)學(xué)科理論知識實(shí)際應(yīng)用的理解。因此，在面向車輛工程專業(yè)的本科生講授3D打印技術(shù)課程之前，學(xué)生需要掌握機(jī)床理論、數(shù)控原理、機(jī)器人技術(shù)等知識內(nèi)容，讓學(xué)生對機(jī)器的模塊化設(shè)計(jì)概念有更為清晰的認(rèn)識，這對學(xué)生將來從事整車研究開發(fā)工作或進(jìn)一步研究深造都會有很大的幫助。

3.3D打印的過程規(guī)劃

過程規(guī)劃是幾何模型到機(jī)器代碼的橋梁，在3D打印機(jī)加工之前，需要將數(shù)字化模型進(jìn)行一系列的處理，完成“離散”過程。具體講，就是對幾何模型沿著Z方向進(jìn)行切片操作，3D打印機(jī)根據(jù)得到的切片文件進(jìn)行逐層堆積，獲得最終的實(shí)體。3D打印的過程規(guī)劃包括了CAD（Computer aided design）與CAM（Computer aided manufacturing）兩個(gè)機(jī)械類專業(yè)學(xué)生需要掌握的重要知識點(diǎn)。通過這部分內(nèi)容的學(xué)習(xí)，可以加深對先進(jìn)數(shù)字化技術(shù)的認(rèn)識，提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)意識。

二、教學(xué)方案實(shí)施

車輛工程專業(yè)強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐運(yùn)用能力，在教學(xué)過程中要基于本專業(yè)的特殊性要求，將教學(xué)方法與培養(yǎng)目標(biāo)緊密結(jié)合，通過3D打印技術(shù)激發(fā)學(xué)生對車輛專業(yè)知識學(xué)習(xí)的參與性與主動性。教師必須根據(jù)不同教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行正確的引導(dǎo)，培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)。基于以上要求，作者提出采用翻轉(zhuǎn)課堂這種新型教學(xué)方式開展教學(xué)。

隨著課堂教學(xué)的不斷改革，教學(xué)方法正在嘗試從以教師為中心轉(zhuǎn)向以學(xué)生為中心，一種被稱為翻轉(zhuǎn)課堂的新型教學(xué)方式顛覆了傳統(tǒng)的課堂教學(xué)模式。學(xué)生在課外時(shí)間閱覽教師制作的以介紹新概念為主的資料，從而騰出時(shí)間在課堂上與教師更多的互動。這種教學(xué)方式有利于促進(jìn)成員間交流，提升學(xué)生個(gè)人的責(zé)任感和積極性。3D打印技術(shù)涉及的新知識具有范圍寬泛和容易理解的特點(diǎn)，特別適合由教師進(jìn)行整理概括，學(xué)生在課外利用靈活的時(shí)間進(jìn)行學(xué)習(xí)，而課堂上則由學(xué)生將學(xué)習(xí)過程中遇到的問題或者創(chuàng)造性思想與教師進(jìn)行溝通。這種教學(xué)模式能為師生溝通建立保障，并為學(xué)生的實(shí)踐動手能力提供有效途徑，通過實(shí)際參與提升學(xué)生的理論實(shí)踐能力，并加深對與3D打印技術(shù)相關(guān)的新知識的理解程度。

三、實(shí)踐教學(xué)新模式

作為新興的、有應(yīng)用前景的教學(xué)內(nèi)容，不僅要將3D打印技術(shù)本身掌握透徹，更要與所學(xué)專業(yè)相結(jié)合，利用這項(xiàng)新技術(shù)為車輛制造業(yè)的發(fā)展做出新的貢獻(xiàn)。為了更好更快的讓學(xué)生接觸并了解這項(xiàng)高新制造技術(shù)，需要嘗試一些新的實(shí)踐教學(xué)模式，讓實(shí)踐教學(xué)變成現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)，這將有助于培養(yǎng)3D打印方向的車輛工程專業(yè)人才。

1. 創(chuàng)建3D打印實(shí)驗(yàn)室。

實(shí)踐教學(xué)的基礎(chǔ)就是讓學(xué)生有接觸硬件、操作機(jī)器的機(jī)會。雖然3D打印機(jī)的種類繁多，價(jià)格區(qū)間很大，但可以購買一批入門級別的FDM設(shè)備讓學(xué)生擁有親手操作機(jī)器的經(jīng)歷。也可以購買待組裝的套件由學(xué)生自主完成裝配，不僅鍛煉學(xué)生的動手能力，還能加深學(xué)生對打印設(shè)備的熟悉程度。此外，可以購買少量工業(yè)級的高精度設(shè)備供學(xué)生觀摩學(xué)習(xí)。

2. 校企合作，參觀相關(guān)企業(yè)。

通過參觀企業(yè)能實(shí)時(shí)掌握市場對該領(lǐng)域人才的需求，也能了解該領(lǐng)域的發(fā)展方向。通過加強(qiáng)與地方企業(yè)的合作，可以推動3D打印技術(shù)與車輛制造領(lǐng)域的發(fā)展，為培養(yǎng)行業(yè)、企業(yè)所需的3D打印技術(shù)應(yīng)用型技術(shù)人才，更好地服務(wù)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

四、結(jié)語

當(dāng)前，汽車行業(yè)正面臨著技術(shù)與產(chǎn)業(yè)變革的關(guān)鍵階段，朝著前所未有的智能化趨勢發(fā)展。為滿足與之相符的科技需求，高等學(xué)校應(yīng)在專業(yè)課程開設(shè)與講授內(nèi)容上與時(shí)俱進(jìn)，提出相應(yīng)改革措施。針對車輛工程專業(yè)中制造科學(xué)與技術(shù)的特殊性，本文圍繞如何將3D打印技術(shù)有機(jī)融入車輛工程應(yīng)用型人才培養(yǎng)，從講授內(nèi)容、授課方式和實(shí)踐教學(xué)新模式三個(gè)方面提出一些改革思路和建設(shè)規(guī)劃，對培養(yǎng)高質(zhì)量有車輛工程專業(yè)特色的3D打印技術(shù)研發(fā)和管理類人才，對進(jìn)一步完善車輛工程專業(yè)課程體系有一定推動作用。

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