以微項目為驅動的3D打印工程實訓教學改革與實踐

朱小明

（廣州城市理工學院工程訓練中心，廣州 510800）

工程訓練是理工科高校培養學生工程實踐能力和創新能力的重要課程。在新工科背景下，各高校近年來不斷改革，設置了先進制造技術的訓練模塊，如機器人焊接、3D打印以及激光雕刻等[1-2]。3D打印因其個性化、應用廣泛和無限可能性等特點，在高校實訓課程中受到了越來越多的學生喜愛，促使3D打印實訓教學課程設置和教學質量的要求隨之提高。為提高實訓教學質量，廣州城市理工學院工程訓練中心進行了以微項目為驅動的3D打印工程實訓教學改革。

1 3D打印實訓教學現狀

工程實訓課程面向廣州城市理工學院機械類、汽車類、電信類以及計算機類等多個專業的本科生，其中3D打印工程實訓課程針對機械類和汽車類專業設置了12學時，經濟類和管理類設置了3學時，其他如計算機類和電信類專業設置了6學時。3D打印實訓課程內容主要包括基礎理論教學、實訓操作教學和學生實踐操作3部分。根據不同的專業培養目標和學時設置，實訓的內容量和難度將會做出不同程度的調整和變化，從而形成2個層次的階梯型課程，分別為基礎認知型和設計制作型[3]。基礎認知型課程適用于3個學時的經濟類等專業，課程內容主要是了解3D打印工藝原理和工藝流程以及3D打印技術的應用，熟悉三維打印（Fused Deposition Modeling，FDM）工藝成型過程和FDM打印設備的操作，并利用FDM打印機加工出作品模型。設計制作型課程適用于6個學時以上的計算機類和機械類等專業，其課程內容在基礎認知型課程內容的基礎上增加了利用三維軟件進行作品建模設計和FDM打印機調試等。

教學形式包括教師理論講解、現場操作演示以及學生個人進行實訓操作等。課程的考核成績由實訓操作（55%）、平時成績（10%）、筆試（20%）以及實訓報告（15%）組成。其中，實訓操作考核主要綜合學生的課堂表現和實訓作品質量，包括實訓操作的積極性、對設備操作的規范性、作品設計創意、建模效果和打印質量等。

2 3D打印實訓教學改革分析

2.1 改革的內容

目前，3D打印實訓設計制作型課程中的產品設計內容由學生自主決定，學生在產品設計過程中很少能結合和應用到自身的專業知識。為實現3D打印實訓教學中培養高質量創新人才和應用技術型人才的目標，課程教學不應僅是學習3D打印知識和設備操作，更應在實訓過程中加強自身專業知識的理解和運用，通過產品設計和3D打印制作實踐檢驗專業理論知識，從而提高學生的工程實踐能力。

3D打印實訓教學應從基礎性向引導性和專業性轉變，在3D打印設計型課程的基礎上進一步深化和延伸，以學生專業能力和專業特點為考量，以與專業課程實踐相結合和科研案例化整為微的原則開發和設計微項目，以微項目為驅動進行3D打印實訓教學。

在改革中要注重對學生的引導，以學生為主體，綜合運用網絡教學法、直觀教學法、項目教學法和項目（任務）驅動法等多樣化的教學方式，充分調動學生學習的主動性，從而提高實訓教學的效率和質量。同時，更要注重學生的團隊合作和交流，增加學生對作品討論和考核的參與度。

2.2 改革的意義

與專業知識和科研項目相關的以微項目為驅動的3D打印實訓教學，內容更具針對性和實用性，能使學生了解本專業相關學科研究的主要內容和技術方法，對學生在專業領域的學習具有積極的引導作用，提高了學生對專業課程的學習熱情。教學更加接近實際的科研項目研究，能夠使學生進入項目實踐的情景中，從而提高學生的產品設計能力和工程實踐能力，對學生參與更多的課外競賽和大創項目等具有積極的推動作用。通過該實訓教學能發掘和培養出更多優秀的具有專業實踐能力的學生，為校內工程項目儲備人才。實訓中學生以“小組討論，團隊協作”的方式完成實訓操作，以增進學生間的交流互動，發揮學生學習的主觀能動性，提高學生的團隊合作意識。

3 微項目的設置

該3D打印實訓教學改革目前主要在設置12個實訓學時的機械類專業學生中展開，包括機械工程、機械電子、機器人和工業設計等專業。在實訓教學的過程中，需要緊密結合專業的核心知識和技能，綜合考慮實訓時長和學生專業水平等，設計出符合學生操作能力的微項目。

3.1 科研項目化整為微

結合教學內容，對大二機械類專業的一些具有很強的基礎性和實踐性的主干課程內容和學生的專業水平能力進行深入了解，收集并篩選校內機械類專業的科研項目和競賽項目，對項目內容進行適當修改，刪除部分與專業不符或難度過大的內容，將符合學生專業學習能力的項目化整為微，將其設計改造成微項目或轉化為教學案例。

3.2 專業課程知識項目化

與專業課程實踐相結合，如機械專業的“機械設計與原理”和工業設計專業的“人機工程學”等主干課程、項目化改造教學中的典型產品與典型機構等，將改良后的產品或機構作為微項目[4]。例如，對機械產品的外形建模、傳動機構的設計、家具以及電子類產品的設計開發等，并通過3D打印快速得到產品樣機，以提供設計驗證與功能驗證。

4 教學改革實踐

4.1 課程的教學實踐

實訓課程主要由課前預習、課堂授課、實踐操作以及評價考核4部分組成。實訓教學過程中，教師為主導，學生為主體，微項目為驅動，學生團隊協作，研究和確定設計任務，完成作品設計建模和3D打印，最后進行作品展示和評價考核。

4.1.1 課前預習

廣州城市理工學院在網上開放教學平臺創建了機械制造基礎工程訓練（金工實習）課程，建立了3D打印實訓教學資源區。學生可在該平臺上提前自主學習3D打印實訓課程的理論知識、軟件建模方法和FDM打印機的操作方法，下載自己感興趣的三維模型進行學習或修改。教師在該平臺上提前發布設計項目內容，同時準備多個設計項目供學生選擇。學生可預選擇合適的項目，并提前收集產品資料，構思產品設計方案。通過網絡平臺進行的課前預習，能使學生接觸到豐富的教學資源，拓寬視野，為實訓課堂教學的開展提供知識儲備基礎，提高課堂實訓教學和實踐操作的效率。

4.1.2 課堂授課

課堂授課主要包括3D打印原理、工藝流程等相關理論知識的講解，以及三維軟件建模操作、FDM打印機及其控制軟件的使用方法等。在三維軟件的教學中，應以項目案例為引導，通過案例講解讓學生了解項目中產品的設計思路和建模設計方法。廣州城市理工學院機械類專業大二學生已在大二第一學期進行過三維軟件SolidWorks的學習，具有一定的三維軟件建模能力，所以在3D打印實訓中的SolidWorks軟件教學時可便針對項目產品（如機械構件、典型零件和主題類產品）的特點進行相應建模技巧和方法講解，學生亦能理解和接受。

4.1.3 實踐操作

實踐操作中，學生以小組討論和團隊協作的方式來完成。實踐操作包括項目研究、設計建模以及3D打印3個環節。

（1）項目研究。案例講解后進行微項目和設計任務的導入，學生分成若干個小組，以小組為團隊討論確定設計項目。各成員對產品的設計構思交流意見，并最終確定產品的設計方案。產品為裝配體時，裝配體的設計要考慮打印機的精度誤差、零件的裝配公差等。小組團隊的組建可以考驗組長的組織協調能力、學生的自我調節和相互協作能力。

（2）設計建模。確定產品的設計方案后，組內進行設計建模任務的分配。在組內學生交流互助下，每人按任務的分配情況，用SolidWorks或自主選擇熟知的建模軟件完成相應零件建模，將產品設計創意轉變為數字模型。模型的設計需要滿足實訓所用FDM打印機對模型的加工要求。

（3）3D打印。產品建模完成后進行3D打印。設計和打印環節都需組內學生相互協作才能高效、高質完成。例如：建模能力好的學生可承擔較多的設計任務；建模能力弱或設計任務較少的學生，可提前練習掌握FDM打印機的使用方法，在打印環節完成更多的工作。最后，將得到的3D打印樣品進行設計驗證或功能驗證，查找不足，并綜合考慮課程進度和產品成型效果進行產品設計修改和再打印，最終獲得滿意的模型。

4.1.4 評價考核

課程的考核保持了原來的評價方式和評價比例，但在實訓操作評價環節中加入了學生的考核內容，降低了教師的主觀性評估。實訓操作評價總成績由小組自評（30%）、各小組互評（30%）以及教師評價（40%）3部分評分組成。

各組將打印完成后的作品集中在一起進行展示評比，從產品的創意、設計效果和打印質量等方面進行綜合評價。教師為引導者，鼓勵學生積極參與討論，讓學生處于具體的案例情境中，肯定作品的優點，指出不足并給予改進意見。最后，教師綜合3方面的評價意見和得分對學生實訓操作進行考核。

4.2 教學改革實踐效果

該改革課程在廣州城市理工學院機械類專業中進行了近2個學期的教學實踐，形成了線上預習、教師主講、以項目案例為引導、以微項目為驅動以及學生分組協作完成的實訓教學模式。改革后的3D打印工程實訓課程更受學生的喜愛。機械類專業大二學生具備一定的機械理論知識和三維建模能力，在3D打印實訓中具有較強的操作能力。微項目的設置貼合學生的專業知識且符合其專業特點，課程開展順利。教學具有很好的實效性，學生在學習過程中能保持較高的興趣和參與度，實訓作品完成質量較高。實訓中更加突顯學生的主體地位，學生以團隊協作的方式完成實訓操作，活躍了課堂氣氛。學生可以相互交流討論共同解決問題，充分發揮了學生學習的主動性，具有較高的實訓操作效率。

5 結語

結合學生專業特點和能力，以微項目為驅動的3D打印工程實訓課程在提高實訓教學質量和滿足新工科人才培養需求的同時，使學生獲得了更多3D打印在實際工程項目中的應用體驗，提高了學生學習和研究3D打印技術的熱情，進一步推動了3D打印技術在產品設計和工程制造領域中的應用。