新工科背景下“3D打印工程訓(xùn)練”創(chuàng)新教學(xué)探索與實踐＊

李家鵬，王洪博，孫 霞，李 生，王好臣

（1.山東理工大學(xué)工程實訓(xùn)中心，山東 淄博 255049；2.山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，山東 淄博 255049；3.山東理工大學(xué)機械工程學(xué)院，山東 淄博 255049）

工程訓(xùn)練是普通高等學(xué)校本科教學(xué)中重要的基礎(chǔ)實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，是一門工程實踐性很強的技術(shù)基礎(chǔ)課程，是培養(yǎng)學(xué)生工程實踐能力、創(chuàng)新精神和社會責(zé)任感的重要載體。在新工科建設(shè)背景下，應(yīng)當(dāng)注重發(fā)揮工程訓(xùn)練中心的資源優(yōu)勢，積極將具有先進(jìn)性、創(chuàng)新性和時代性等特征的新技術(shù)融入到工程訓(xùn)練項目中，積極探索促進(jìn)高素質(zhì)創(chuàng)新人才培養(yǎng)的新途徑，不斷滿足創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級和新舊動能轉(zhuǎn)換等對高素質(zhì)復(fù)合型新工科人才的需求[1-4]。

3D打印作為極具發(fā)展前景的先進(jìn)制造技術(shù)，是集CAD技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、新材料技術(shù)、激光技術(shù)等于一身的零件原型快速制造技術(shù)，在工業(yè)技術(shù)發(fā)展和創(chuàng)新型人才培養(yǎng)方面都占有舉足輕重的地位[5]。與傳統(tǒng)制造技術(shù)的去除材料法不同，3D打印是將材料逐層堆積制造模型。運用3D打印可以加工任何表面復(fù)雜的工件，無需考慮從毛坯到零件之間的工藝過程，大大縮短了新產(chǎn)品的研發(fā)周期[6]。將3D打印技術(shù)應(yīng)用到工程訓(xùn)練實踐教學(xué)中，對學(xué)生的動手能力、創(chuàng)新能力和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)都有重要的促進(jìn)作用，對新工科人才的培養(yǎng)具有積極意義[7]。3D打印“增材制造”的引入，有效地為學(xué)生建立了車削、銑削等常規(guī)加工的“減材制造”，鑄造、鍛造等“等材制造”完善的工藝方案，使學(xué)生對工程訓(xùn)練中的加工工藝有了更深層次的理解。因此，在工程訓(xùn)練課程中開設(shè)“3D打印”訓(xùn)練模塊，讓學(xué)生了解和掌握這種先進(jìn)的制造技術(shù)，符合新工科建設(shè)對創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的需求，符合社會發(fā)展的需要。

學(xué)校工程訓(xùn)練中心以新工科建設(shè)為抓手，以“知識成體系、訓(xùn)練分層次、四年不斷線、專業(yè)全覆蓋”為宗旨，建有“工程認(rèn)知訓(xùn)練平臺”“工程基礎(chǔ)訓(xùn)練平臺”“大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練平臺”和“專業(yè)綜合訓(xùn)練平臺”四大平臺，從而形成一個完整的工程訓(xùn)練體系，并不斷拓展創(chuàng)新訓(xùn)練項目，提高工程訓(xùn)練教學(xué)對新工科建設(shè)的支撐作用。本文以機電產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計3D打印在新工科背景下工程訓(xùn)練教學(xué)中應(yīng)用為載體，不斷探索創(chuàng)新訓(xùn)練教學(xué)項目和新工科人才培養(yǎng)新模式，以鍛煉學(xué)生從三維創(chuàng)新設(shè)計、逆向工程、3D打印、部分零件機械加工、計算機與電氣控制為過程控制，以CDIO教學(xué)模式和工程管理為輔助手段，建立面向?qū)I(yè)認(rèn)證的教學(xué)案例，并且該案例涵蓋需求分析、產(chǎn)出目標(biāo)、問題剖析、多媒體課件、知識內(nèi)容講解、成績評價、持續(xù)改進(jìn)等，并結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)平臺完成線上與線下互動、校企互動的全方位、全新的立體教學(xué)模式，力求為培養(yǎng)全面發(fā)展的新工科人才提供一定借鑒意義。

1“3 D打印工程訓(xùn)練”創(chuàng)新教學(xué)思路

在工程訓(xùn)練中設(shè)置3D打印訓(xùn)練模塊的目的是將3D打印技術(shù)的原理、方法和應(yīng)有場景等傳授給學(xué)生，切實提高工程訓(xùn)練的真實性、教育性和創(chuàng)新性。結(jié)合上文所述的四大工程訓(xùn)練平臺，提出分別建立對應(yīng)訓(xùn)練平臺的3D打印創(chuàng)新訓(xùn)練教學(xué)體系，即認(rèn)知、基礎(chǔ)、創(chuàng)新和綜合提高四個教學(xué)體系，針對不同的教學(xué)體系設(shè)計模塊化教學(xué)案例，服務(wù)于相關(guān)專業(yè)的課程實驗、開放實驗課程、課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計實驗、科技創(chuàng)新實踐等實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，促進(jìn)實踐課程體系與創(chuàng)新人才訓(xùn)練模式互動發(fā)展。

2“3 D打印工程訓(xùn)練”創(chuàng)新教學(xué)體系實施

2.1 認(rèn)知訓(xùn)練教學(xué)

工程培養(yǎng)即工程教育，是將工程思維作為人類共性的學(xué)科基礎(chǔ)。工程認(rèn)知訓(xùn)練教學(xué)是以其特有的實踐性和工程環(huán)境讓學(xué)生身臨其境地感受工程的魅力和特點[8]。

通過建立以3D打印微視頻為代表的認(rèn)知訓(xùn)練教學(xué)案例庫，借助信息技術(shù)，把優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源進(jìn)行分享，學(xué)生可以充分利用零散的、碎片化的時間進(jìn)行網(wǎng)上學(xué)習(xí)，以提高工程認(rèn)知訓(xùn)練教學(xué)質(zhì)量[9]。學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)平臺上的相關(guān)知識學(xué)習(xí)，然后進(jìn)入課堂教學(xué)和實踐環(huán)節(jié)，進(jìn)一步了解和掌握3D打印技術(shù)基礎(chǔ)知識，并學(xué)會使用桌面級3D打印設(shè)備，能將自己的想法通過3D打印制造的方式表達(dá)出來。在教學(xué)過程采用小組教學(xué)法，一般由不同專業(yè)的若干個學(xué)生自由組合成一個學(xué)習(xí)小組，每個學(xué)習(xí)小組在教師指導(dǎo)下共同完成一個訓(xùn)練項目，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和創(chuàng)造性，培養(yǎng)學(xué)生的團隊意識和工程意識。

2.2 基礎(chǔ)訓(xùn)練教學(xué)

在認(rèn)知訓(xùn)練教學(xué)平臺的基礎(chǔ)上，以教育部高教司組織的“產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目”為契機，與企業(yè)共同探索協(xié)同育人項目的內(nèi)涵，以“互聯(lián)網(wǎng)+3D打印”為載體，創(chuàng)新性改革教育教學(xué)模式。

通過建立以指定3D打印模型代表的基礎(chǔ)訓(xùn)練教學(xué)案例庫，借助指定模型設(shè)計與3D打印制作訓(xùn)練，使學(xué)生掌握3D打印的相關(guān)原理與概念、制作的工藝過程及其應(yīng)用，并熟練使用3D打印設(shè)備及日常維護(hù)。在教學(xué)過程中采用現(xiàn)場教學(xué)和“互聯(lián)網(wǎng)+3D打印”平臺自主學(xué)習(xí)模式，讓學(xué)生把自己設(shè)計的作品上傳到互聯(lián)網(wǎng)+平臺上，這樣學(xué)生既能與指導(dǎo)教師現(xiàn)場進(jìn)行交流又能在互聯(lián)網(wǎng)+平臺上與優(yōu)秀的設(shè)計師進(jìn)行交流、學(xué)習(xí)，從而讓學(xué)生在這個過程中提高了分析問題和解決問題的能力，實現(xiàn)先進(jìn)設(shè)計理念和優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源的共享和融合。

2.3 創(chuàng)新訓(xùn)練教學(xué)

創(chuàng)新訓(xùn)練教學(xué)以提高學(xué)生的創(chuàng)新能力為核心，著重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新能力和工程實踐能力的教育教學(xué)模式。創(chuàng)新訓(xùn)練教學(xué)是對認(rèn)知訓(xùn)練教學(xué)和基礎(chǔ)訓(xùn)練教學(xué)的提升，主要針對有一定專業(yè)基礎(chǔ)但又不僅限于該專業(yè)的學(xué)生。

通過建立以逆向建模的3D打印為代表的創(chuàng)新訓(xùn)練教學(xué)案例庫，以開源控制的機器狗、全向運動車等為代表，對滾珠絲杠、電機、聯(lián)軸器、全向輪或麥克納姆輪等關(guān)鍵零部件進(jìn)行三維測量，并利用逆向工程構(gòu)建其三維CAD模型，對其他零部件進(jìn)行設(shè)計，完成整個裝置的三維CAD模型，然后3D打印成型后進(jìn)行裝配、調(diào)試和改進(jìn)設(shè)計。在教學(xué)過程中采用項目驅(qū)動教學(xué)法，以項目為抓手，以學(xué)生為主體，以教師為引導(dǎo)，充分發(fā)揮學(xué)生的主動性，從測量、建模和3D打印成型等都由學(xué)生自主完成，不斷培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識、實踐能力和工程素養(yǎng)的創(chuàng)新型人才。

2.4 綜合提高訓(xùn)練教學(xué)

綜合提高訓(xùn)練教學(xué)是以培養(yǎng)學(xué)生動手能力和綜合工程能力為教學(xué)目標(biāo)，從實際工程問題出發(fā)，以實際科研項目或教學(xué)項目為載體，以產(chǎn)出為導(dǎo)向，以學(xué)生為中心，很好地契合了專業(yè)認(rèn)證和新工科教學(xué)的要求。整個訓(xùn)練過程按照技術(shù)要求完成機電產(chǎn)品的設(shè)計、分析和制造，從而實現(xiàn)以實際工程項目為導(dǎo)向的創(chuàng)新課程教學(xué)模式改革。

通過組建3D打印綜合提高訓(xùn)練班，以實際機電產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計為引領(lǐng)，打破班級及專業(yè)的限制，組建小團隊，該團隊包含機械、電氣、計算機、工業(yè)設(shè)計及管理等專業(yè)的學(xué)生。訓(xùn)練過程中除進(jìn)行理論與技能訓(xùn)練外，還進(jìn)行過程管控、角色扮演、方案交流與決策等。訓(xùn)練過程進(jìn)行分時段、分項目的全程跟蹤、評價、淘汰與更新，實現(xiàn)持續(xù)改進(jìn)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)生動力。訓(xùn)練過程中將3D打印技術(shù)融入到教科研項目和大賽中，使學(xué)生的大工程意識和解決實際工程問題的能力得到提升。

3 結(jié)語

本文針對工程訓(xùn)練平臺創(chuàng)新訓(xùn)練項目建設(shè)，不斷探索創(chuàng)新教學(xué)項目和新工科人才培養(yǎng)新模式，以機電產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計3D打印在新工科背景下工程訓(xùn)練教學(xué)中應(yīng)用為載體，建立基于工程訓(xùn)練平臺的“3D打印工程訓(xùn)練”創(chuàng)新教學(xué)體系，針對不同的教學(xué)體系設(shè)計模塊化教學(xué)案例，充分發(fā)揮工程訓(xùn)練的關(guān)鍵作用，提高學(xué)生的工程實踐能力和創(chuàng)新能力，為培養(yǎng)全面發(fā)展的新工科人才發(fā)揮積極作用。