快速成型技術課程教學研究與實踐

■ 河南工學院材料科學與工程學院 陶 凱 郭朝博 張愛民 王會敏

■ 河南工學院圖書館 韓 璐

■ 河南工學院機械工程學院 康玉輝

1 快速成型課程教學基本情況

快速成型技術課程教學創新主要基于材料類本科專業(如材料成型及控制工程、材料科學與工程)的專業課程“快速成型技術”開展工作。主要介紹常用快速成型(RP)工藝、材料、設備、數據處理等方面的基礎理論與應用。學生經過本課程的學習,能夠掌握快速成型技術的基本原理和操作方法,熟悉相應材料及工藝設備,了解相關領域的發展現狀和趨勢,具備課程方向的工程應用和繼續學習能力,為后續的課程及畢業后工作或深造打下基礎。目前不少高校的快速成型技術課程教學中仍存在著教學方法單一、技術進展內容欠缺等問題。本文從理論教學內容、課程教學模式、課程教學方式、方法與手段、考核方式以及課程線上資源建設等方面對該課程進行改革創新工作。

2 快速成型技術課程教學研究探索

快速成型技術,也稱3D打印或增材制造技術課程是目前國內高校中材料類和機械類等工科專業普遍開設的專業課程,該課程所涵蓋內容豐富多樣,且更新變化速度快,包括理論和實驗兩個環節。針對該特點,本項目在學生扎實理解和掌握理論知識基礎上,強化知行結合的實踐應用能力,本著“以學生為中心”的教學理念,在理論和實驗環節都進行了教學創新工作。

2.1 充實多樣的教學內容

本著全面學習快速成型領域的主流先進技術為目的,課程講授中不但涵蓋教材中成熟的技術理論和應用,還通過多種手段補充教材之外的最新行業技術進展情況。教學內容包含精彩的國內外科研進展、科技獎項、行業展會、產品發布、應用實況、市場資訊等視頻資源或圖文描述,做到應用案例更新快,形式豐富新穎。例如,在講授選擇性激光燒結/熔化(SLS/SLM)技術章節時,在該技術相應的概念、原理等基礎理論基礎上,采用視頻和圖片等形式加入了SLS技術制作武器零件、航空發動機組件等應用實況,介紹了近期我國中車工業研究院突破空客公司專利限制,采用SLM技術制備高強鋁合金樣件,可滿足國內軌道交通和航空航天等高端制造需求。還節選了央視一套《開講啦》節目中金屬3D打印方向的中國工程院院士王華明教授的講演內容。課后在本課程的線上網絡平臺中發布了近期中國增材制造年會中關于SLM技術工業化進程的報道內容,并提供相關主題,供學生擴展學習和討論。這些豐富的教材內外資源可顯著提升學生的學習興趣,同時自然地融入了思政內容。

2.2 以學生為中心的教學模式

采用以學生為中心的教學模式,部分課時采用反轉課堂的形式。通過提前選定任務,學生提前預習,出想法或方案,課堂交流討論的方式,既能調動學生主動性和創造性,又可豐富教學形式,調節課堂氛圍,讓每位學生都主動地思考,辯證地學習。學生在精心設計的教學活動中可以循序漸進地掌握專業理論知識,并在不同的應用場景設定下辯證地思考判斷每種技術的特點、適用性以及發展方向。

2.3 靈活合理的教學方法

采用引導式的教學方式,充分利用多媒體教學優勢,以提升學習效果。在日常教學課堂中,引入豐富的多媒體資源,涵蓋理論和實踐內容。針對特定的技術分支,教學內容中既包含基本概念、技術內容的文字描述,也給出工藝流程的示意圖和標注,還會播放典型產品演示和生產應用的視頻資源并進行互動性評述。這種啟發式、參與式和討論式教學方式顯著改善了學生的學習態度和學習效果。

2.4 全方位考核

本項目課程采用全過程考核管理,即多種形式的平時考核與期末考查相結合,貫穿課程始末。考核方式合理多樣,考核總成績由課程論文和作業評價、階段測驗、實驗報告、專題報告等過程性評價成績加權計算。過程性評價分值分配及期末考核內容與教學大綱各章節的學時基本成比例,評分標準明確。

為激發學生的積極性,充分體現其個性和愛好,課程論文選題自擬,可針對典型的快速成型技術或樣件,從三維建模、數據處理、工藝方法、檢測分析等方面任選方向編寫論文。從提交情況看,論文選題方向多樣,涉及模具工裝、裝備部件、交通載體、醫學應用、藝術設計等多個領域,完成質量普遍較好。結合題匯報和答辯環節,可更加全面公正地對課程學習效果進行考核評價,學生對該考核形式認可度較高。

2.5 強化理論和實踐的關聯性

快速成型課程通常設置有8學時的課內實驗。實驗環節直接關系到學生對所學理論知識的理解和掌握,更是培養其動手操作和工程應用能力,達到知行結合目的的重要支撐平臺。課內實驗的學習效果也直接影響到學生在期末考核中的課程論文撰寫水平。通過計算機軟件自主建模結合線下實物打印的實驗開展方式,強化了理論教學與實驗操作兩個環節相互的關聯性和支持性,引導學生在課程方向上發揮主動性和個性愛好,充分利用互動式教學形式在課上及課下進行項目開展。

實驗內容包括逆向工程技術實驗和產品的三維打印實驗。逆向工程實驗是對教材內容的有益補充和就業創業的加分技能。三維打印實驗則可用最小成本的FDM設備讓學生充分地體驗和應用所學知識在課上的時間完成一個實物樣件的打印。基于2次“大實驗課”的課程設計,每次實驗除了教師的必要講解和演示,每個學生分組都可有一定的時間對所涉及實驗設備進行實物認知和操作體驗。鑒于快速成型相關設備均具有靈活多樣和柔性化的技術特點,所以根據每次實驗的具體目標,學生需要對工藝流程、設備參數、附件和工輔具等進行針對性的設計和選擇,以及必要的維護或調整改造。該類設計和操作環節具有很強的訓練提升效果,通過一次或幾次的實際操作就可使學生相應的理論知識和實踐技能有明顯的進步提升,也極大地提升了學生的專業熱情和就業或深造的信心。

2.6 在線課程建設與應用

本項目團隊積極進行了線上課程資源建設,在學校網站的網絡教學平臺中開設了相應的在線課程。第一版在線課程視頻錄制采用電腦錄屏的方式進行。利用錄屏軟件按照正常線下課堂時長提前錄制好講課視頻。待線上開課時,利用“釘釘”“QQ”等通用軟件平臺提供的直播功能進行視頻播放,教師本人出鏡顯示在直播界面右上角區域,直播界面右側下部區域設置為討論區,可顯示簽到情況,話題問答情況及實時的主題討論信息。此版本線上課程在最近疫情期間已經全面運行兩個學期,效果良好。近期為積極踐行線上線下結合課程的建設,與專業視頻制作公司合作進行了新版本的線上課程錄制工作。

第一個版本面向受眾為特定專業班級的學生,通常每次課程為1-2個行政班。老師對學生學習該課程前的知識和技能掌握情況比較了解,對該課程在之后培養環節中起到的支撐作用有所把握,因此針對性強。通常在每次備課時都會設計2-4個課堂中的互動環節,通過選擇題、判斷題或簡答題等形式讓同學們在配套的在線課程網絡平臺上進行作答,及時統計結果并進行分析討論,每個環節時間都嚴格控制,從而保證單次線上課程時長較準確地符合課程表時段要求。

第二版在線課程錄制主要針對線上線下混合課程的開設,面向的受眾更加通用化。由于各專業學生課前的知識體系不盡相同,所以要特別注意本課程內容的相應理論基礎。在講授過程中由于沒有學生的參與,無法及時接收學生的反饋信息,如對當前知識點的難易程度的感受或興趣點契合程度等,更無法開展線下課堂中常用的提問、討論等及時互動環節。此外為達到更好地觀看效果,專業視頻公司通常鼓勵采用純色背景摳圖的方法進行拍攝,授課教師通常無法采用即興的口語化語言進行詮釋,需要提前形成書面形式的腳本,因此話語更加精煉、準確,每次講授時間也縮短至10～20分鐘。這種形式可為線上線下結合方式開展課程學習提供了更加充足的線下互動、練習、答疑和拓展等對應的時間。本次還特別錄制了實驗部分的實物實景操作環節講解視頻,從而為之后的線上應用提供了更充分的素材支撐,尤其是可以更加從容地應對近年來不確定的疫情形勢造成高校學生不能按時到校學習的情況。后續還將持續建設,根據運行情況改進優化,深入發掘線上線下課程優勢。

3 結語

目前,不少高校的快速成型技術課程教學中仍存在著教學方法單一、技術進展內容更新慢等問題。本文基于筆者對該課程的教學研究和實踐經歷,提出充實多樣的教學內容、學生為中心的教學模式、靈活合理的教學方法、全方位考核、強化理論和實踐的關聯性、在線課程建設與應用等教學改革與創新內容,引導學生在課程學習中發揮主動性和個性愛好,提升教學效果,取得了較為滿意的實踐效果,以期對相關工作提供借鑒和參考。