淺談協同育人機制下3D打印課程教學模式探索與實踐

楊偉，劉建永

（湖北汽車工業學院材料科學與工程學院，湖北 十堰 442000）

隨著我國社會經濟的高速發展，產業升級步伐加快，對創新型應用型人才提出了更高的要求。2015年教育部印發《關于引導部分地方普通本科高校向應用型轉變的指導意見》，要求加強創新應用型技術技能型人才培養，建立產教融合、協同育人的人才培養模式，實現專業鏈與產業鏈、課程內容與職業、教學過程與生產過程對接。從此以后，產教融合協同育人模式已成為應用型普通高校研究的熱點問題，各個高校都基于產教融合結合自身辦學特色構建了多種多樣的協同育人模式。我校開設的《快速制造技術》課程是材料成型及控制工程專業中的一門專業課程，由于教學內容緊密結合工程應用實際和前沿技術，因而具有較強的綜合性、實踐性和鮮明的時代特征。近幾年通過不斷更新教學內容和教學模式，強化協同育人，取得了明顯效果。本文以我校開設的《快速制造技術》為例，探討了協同育人機制的實施途徑，以期提高材料成型及控制工程專業的人才培養質量。

1 課程教學目標和協同育人的必要性

我校材料成型及控制工程專業于2020年1月通過了中國工程教育專業認證，這標志著本專業新的質量標準體系的建立。根據專業培養目標頂層設計，要求本專業畢業生具備：（1）能應用相關科學原理，識別和判斷材料成型中復雜工程問題的關鍵環節，包括材料、原理及工藝、裝備和質量控制等；（2）能夠設計典型汽車零部件的成形工藝、工裝設計方案，并對其進行優化；（3）掌握工程項目中涉及的管理與經濟決策方法，了解工程項目的成本構成。結合畢業要求，確定了本課程的教學目標。

課程目標1：了解國內外3D打印技術的發展趨勢及關鍵技術，掌握3D打印技術的基本原理、使用的材料、成形工藝以及典型應用等基礎知識；

課程目標2：掌握用于3D打印的數據處理技術，理解其基本原理方法，能針對成形對象優化結構和工藝，培養學生的創新能力；

課程目標3：學習常見3D打印設備及使用方法，基于實際工程問題尋求合理的解決途徑，針對指定的零件分析其經濟性和技術性，選擇適宜的成形方法，制定加工工藝，制造出相應的產品，培養學生的工程實踐能力。

可以看出，《快速制造技術》主要是以3D打印技術為載體，使學生了解快速制造前沿技術，具備相應專業知識，能解決實際工程問題，達到拓展學生視野、提高學生創新能力和工程應用能力的目的，為學生今后從事技術工作或工程管理工作打下基礎。由于傳統課堂教學中任課老師“一言堂”的教學方式存在一定的局限性，學生被動學習，學習的興趣和積極性難以提高，教學效果難以保證；同時，由于3D打印技術是一門新興的先進技術，工藝種類多，與傳統加工方式差異大，需要通過與實際生產過程結合才能更好地理解消化課程內容。因此通過協同育人教學模式，建立理論與實踐、教學與科研、校內與校外、線上與線下、課內與課外的多重聯系，充分發揮實踐基地、教育信息化、第二課堂等在教學中的作用，形成合力，促進高質量應用型人才的培養。

2 協同育人提高人才培養質量的途徑

2.1 校企合作優化教學內容，共建實踐基地

長期以來，高校在人才培養過程中所采用的教育模式多是重理論而輕實踐，這也是我國高等教育在人才培養中的又一個重要的短板，這造成了學生所學習的理論知識與所需要的實踐技能是脫節的。這種模式培養的畢業生在走出校園面對實際的工作環境時，往往很難快速適應實際工作需要，這種矛盾在應用型本科高校中表現更為突出。而校企合作的開展作為傳統高等教育模式的一項有力補充，可以有效地改善這種局面。由于3D打印技術發展快、工藝多、范圍廣，在《快速制造技術》課程有限的教學時間內，如何安排課程內容就顯得至關重要。為此，教學團隊以材料成型與控制工程專業培養目標為指導，根據學生今后主要就業方向是制造業尤其是汽車制造業的特點，聯合企業專家一起，修訂了課程教學大綱和教學內容，對課程的內容體系進行了優化精煉，在生產企業中目前運用比較多、較為成熟的工藝，比如，激光選區燒結成形、熔融沉積成形、立體光固化成形、三維噴印成形等非金屬材料成形工藝以及選區激光熔化、激光工程凈成形等金屬材料成形工藝分配了相對較多的學習學時，而對于疊層實體制造、電子束熔化成形等逐漸淘汰或者應用不夠成熟的成形工藝分配較少學時，突出課程實用性和教學特色。其次，在校企合作共建實踐基地模式上，更多的高校選擇的是在企業建立實踐基地，教學過程中安排學生到實踐基地進行教學活動，這種模式可以較為充分地利用企業現有的生產條件，但也存在一個顯而易見的問題，由于地緣關系，學生到企業開展學習的時間受限，深入程度也不足，影響了協同育人成效，為了破解這一難題，我校通過引進專業3D打印生產企業進入學校，共享學校和企業的軟硬件資源，在校內合作共建了實踐基地和研發中心，形成更新穎有效的“引進來”協同育人合作模式。

在教學過程中，充分利用該實踐基地的條件，通過邀請企業技術人員為學生講解工程案例、演示各種成形設備成形過程和操作方法、學生親自參與企業生產活動等環節的案例式現場教學活動，讓學生更直觀深入地學習各種3D打印工藝的特點、區別與應用場景，以使得對理論知識理解更透徹。同時學生還使用創新中心的各種設備進行實際操作訓練，足不出校即可學習和實踐最新的3D打印技術，實現理論知識與工程實踐的高度融合，不僅提高了學生的學習積極性和熱情，也鍛煉了學生的工程實踐能力（圖1）。

圖1 學生在校內實踐基地完成的3D打印產品

2.2 產學研結合，相互支撐合作共贏

產學研合作的機制是協同育人的重要組成部分，對企業而言，獲得了更多的人才資源，有效彌補了企業科研人員短缺的短板；對高校而言，有更多的科研成果轉化，還為老師提供了豐富的實踐項目，也彌補了教師工程實踐經驗不足的短板，提升了專業能力；對學生而言，參與校企合作的科研項目能豐富自身的知識體系結構，培養解決實際問題的能力，可以達到三方共贏的合作模式。

近年來，“全員、全程、全方位”的“三全”教育理念逐漸深入人心，教育部在2018年新時代高等學校本科工作會議中也強調，要“以本為本”建設高水平本科教育。在此背景下，我校材料成型及控制工程專業從大二開始給學生分配專業導師，實現“三全育人”全覆蓋，大力踐行產學研協同育人。由3D打印教師團隊帶領的學生從大二開始便涉足相關知識的學習和科研活動，這在一定程度上給學生增加了學習負擔，但這些負擔對學生而言是有益且實用的，學生獲得感和成就感也越發強烈，進一步激勵了研究探索的熱情，這些“種子選手”在本課程教學時便發揮了輻射作用和連鎖效應，以點帶面地有效提升了班級的學習風氣和整體教學效果。

2.3 改革教學方式，實施混合式教學

課內與課外結合，達到“課內開花、課外結果”的效果。在理論教學環節，為了更好地達成“了解國內外3D打印技術的發展趨勢”的課程目標，根據教學內容，給學生布置課外作業，通過查閱文獻資料，每人完成一篇不少于3000字的綜述小論文，為了提高論文撰寫的規范性，還對論文的格式、重復率等做了一些要求。通過此項作業，讓學生對目前3D打印的研究與應用方向、關鍵技術、存在的問題和發展趨勢等有進一步的了解，開闊了學生視野，同時，也鍛煉了學術論文的寫作能力。

翻轉課堂，發揮教育信息化在教學中的作用。翻轉課堂更注重學生自主學習能力的培養，以學生為主，教師引導，輔以信息化技術手段完成教學內容。在本課程教學實踐中，依托超星學習通教學平臺，將制作的教學資源上傳到平臺，學生自主學習，通過設置的各種測試了解學生學習效果，根據情況適時發布拓展學習活動，鞏固學習效果。為了活躍課堂學習氛圍、增加學生在教學過程中的參與度，在每次課的最后，給學生10分鐘左右的時間就3D打印相關的前沿問題進行主動展示和交流，根據演講的條理與規范性、內容科學性、效果等進行簡單點評，使學生取長補短。通過這種形式，不僅變被動學習為主動思考，還培養了學生與同行進行有效交流的能力。

作為一種新型制造技術，3D打印工藝參數直接影響著產品質量，為了加強對成形工藝的認識，由學生自行設計或選擇產品，通過3D打印的手段制作出來，通過這個過程，加強了理論與實踐的結合，使學生對數據處理技巧、成形的過程中工藝參數選擇、成形后的后處理方法等均有了更具體的認識。通過對打印的模型的打印質量、后處理狀況、復雜程度、是否體現了3D打印的優勢等方面進行評價，讓學生更加理解了這種技術的優缺點，通過寓教于樂、寓學于練的方式提高了學生學習的興趣和熱情，深受學生的喜愛（圖2）。

圖2 學生完成的3D打印模型

2.4 開辟“第二課堂”

近年來，在“大眾創業、萬眾創新”思想的指引下，學科競賽也迎來了更為蓬勃發展的新時期，由于3D打印可以實現從任意復雜的數模到三維實體的快速制造，在制造過程中不需要模具，對各種個性化的零件的快速加工有很好的適應性。本專業近幾年不斷加強實驗室建設，配置了多種類型的3D打印設備，包括熔融沉積成型、疊層實體制造、選擇性激光燒結、立體光固化成形、激光工程凈成形系統等國內先進的3D打印設備，完全對學生開放，這在“互聯網+”大學生創新創業大賽、中國大學生方程式汽車大賽、全國大學生工程訓練綜合能力競賽等學科競賽中發揮了極其重要的作用，助力參賽團隊屢獲佳績。整體來看，通過“第二課堂”，對提高人才培養質量有著顯著的促進作用，表現為以賽促學，有效促進了學生主動學習的積極性，鞏固了理論知識，強化了動手實踐能力，也凸顯了3D打印的實用價值；以賽促教，通過學科競賽，指導老師也不斷學習先進的技術和理念，提升教育教學水平，避免與時代脫節。

3 協同育人的效果

教學方式獲得學生認可。通過每年對《快速制造技術》課程協同育人實施效果進行評測，學生在教學評價中普遍反映，課程理論與實踐結合、課外拓展多、教學內容豐富，學習氛圍好等，近幾年得分均在98分以上，學生對課程滿意度較高。此外，由于在課程學習中認識到了3D打印技術的突出優勢，在以后的課程設計、綜合實踐甚至在畢業設計課題中，有很多同學都選擇借助3D來完成課題內容。

教學效果得到了企業認可。學生到3D企業參加實習時，企業反映學生見識廣、思維活躍、基礎扎實、動手能力強，這表明協同育人模式使學生的實踐動手能力和創新思維能力確實得到一定的提升。

4 結語

《快速制造技術》課程教學過程中依靠汽車背景，充分利用學校、企業、互聯網等各類資源進行協同育人，實現理論實踐結合、學校企業結合、教學科研結合、課內課外結合的教學方式，促進了課程知識掌握，開闊了專業視野，提高了學生創新思維能力和工程實踐能力，教學效果良好，有效地達成了本課程的教學目標和材料成型及控制工程專業的畢業要求。本課程的相關協同育人的教學方法和模式對應用型本科高校提升學生工程應用能力具有積極作用，可以借鑒到其他課程的教學中，具有一定參考價值和推廣意義。