基于項目教學驅動的增材制造課程教學實踐探索

張凱 龔碧染

（1.南京理工大學 江蘇南京 210094；2.南京圖書館 江蘇南京 210018）

一、引言

《國家創新驅動發展戰略綱要》指出，增材制造技術是引領產業變革的顛覆性技術。世界各國紛紛將增材制造作為未來產業發展的新增長點，對增材制造領域人才的需求極為迫切，需要更多可以推動技術發展、能夠解決技術和產業問題的高素質復合型創新實踐人才[1]。因此，有必要探索研究將科研過程歸納轉化為教學實踐過程的科教融合創新模式，讓學生真正參與體現國家戰略需求和產業發展需求的科研項目，培養具備科學精神、創新能力和實踐本領的增材制造技術領域拔尖創新人才。

本文分析了項目教學法在增材制造課程中的意義，并開展了教學實踐，希望從項目教學實施的全過程明確增材制造課程的教學要點，為增材制造課程提供科學的教學參考。

二、項目教學法的意義與重點

將項目研究與課程教學相結合作為新型現代教學模式，是踐行科教融合理念，構建增材制造人才孵化課堂的有效方法。項目教學法能夠充分調動學生的學習積極性，將學生轉化為教師課堂教學中的主體[2]，以自主探索、自由合作的方法學習增材制造知識，掌握解決增材制造問題的能力。

（一）引入科研成果，優化教學內容

增材制造融合了計算機輔助設計、材料加工與成型技術，具有跨學科綜合性的特點，強調理論與實踐的緊密結合，是一門典型的源于實踐，并應用于實踐的學科[3]。因此，將增材制造課程教學與實踐相結合[4]，開展科學研究，發掘學生創新潛質，突出綜合素質的培養。教師結合科研成果，創新教學方案，向學生傳授增材制造理論知識的同時，要在教學內容上引入科研成果及方法經驗。這樣的形式，有助于解決課程所學知識嚴重滯后學科前沿及社會實踐的積弊。教師可以在講解增材制造工藝理論之前，選擇學生感興趣的現實問題，如日常生活中看到的Adidas Futurecraft 4D跑鞋，實際上它是源于一種革命性的增材制造技術-CLIP成型技術（Continuous Liquid Interface Production），于2015年發表于Science上。教師可以講解該技術的發展過程，以此激發起學生對3D打印和4D打印的興趣，從而開闊學生視野，使教學內容多元化，教學氛圍輕松化，學生學習主動化。

（二）注重能力培養，項目實踐先行

項目教學中的項目調研、問題分析、辨析討論等環節相較于課堂與理論教學，具有互動性強、創新性突出等特點。針對增材制造課程特點，突出項目建議書等實踐環節，讓學生在有效引導下從查閱文獻到整理資料，分析3D打印模型設計到參與擺放、切層、工藝參數選擇等全過程，進行全方位系統完整的科研能力訓練，有助學生掌握科研基本方法，提高創新能力，激發學生科研興趣。通過項目教學與實踐操作，充分培養了學生能力，激發學生實踐創新的積極性。

（三）立足學生中心，豐富教學手段

在當今多媒體網絡化教學資源廣泛應用的時代，根據增材制造的項目教學過程需要，不斷豐富創新項目教學手段，充分運用講授法，教學法，討論法等多種教學方法相結合，讓課堂更加生動化、形式更加多元。通過豐富的教學手段，啟發學生思考，激發學生探究理論興趣，培養科學研究思維能力，從而達到共同學習目標。如利用CNKI、ELSEVIER ScienceDirect等數據庫指導學生學習相關項目研究資料，掌握相關理論和方法，養成自學和獨立解決問題的習慣[5]。

三、項目教學法在增材制造教學中的實踐

本課程為“先進制造工藝及裝備（Ⅲ）”，是針對大學三年級的專業選修課程，課程共2學分32個學時，授課時間8周，學生主要來自機械工程、兵器類、知識產權等專業。課程教學目的是，讓學生全面了解增材制造裝備與工藝的發展、內涵和特征，學習增材制造裝備設計與工藝的相關理論和技術，掌握增材制造工藝特點及應用。課程分為（1）增材制造技術概論，（2）增材制造技術航空航天、生物醫學等領域應用，（3）前沿熱點綜述（項目教學），（4）增材制造的前處理，（5）光敏材料光固化技術及裝備，（6）金屬材料增材制造技術及裝備，（7）粉末材料選擇性激光燒結技術及裝備，（8）絲狀材料熔融沉積技術及裝備，（9）陶瓷材料增材制造技術及裝備，（10）增材制造的后處理及技術選擇，（11）增材制造應用（項目教學），共11個專題，如圖1所示。本課程采用基于項目教學方法的授課模式，教學實施中預留出1/3左右的教學時間進行學生任務的講解和溝通交流。以學生的任務完成情況，結合平時到勤表現，進行考評。具體授課流程如圖1所示，由圖中可以看出，項目教學流程可以分為四個的步驟：教師授課、任務分配與完成、學生講解與師生互動、歸納整理與課程分析。課程任務采用標準的課程論文形式。具體教學設計方案如下：

（一）增材制造現狀學習：首先，教師完成課程專題1-2專題的授課，主要講解增材制造技術定義及特點、增材制造技術的優缺點，增材制造技術在航空航天、兵器等領域的應用及機遇與挑戰。然后，基于專題1-2講解內容，根據授課學生興趣和專業覆蓋情況，分配航空航天、兵器、生物醫療等領域增材制造研究現狀調研任務，具體要求包括：分析研究所選領域增材制造發展現狀和最新發展趨勢，選擇的參考文獻需為近五年的文獻，需包含1-2篇英文。最后在專題3前沿熱點綜述課堂中進行一次研討，要求學生以PPT的形式向全班進行講解，并與教師和全班學生進行溝通交流，教師進行點評。

（二）增材制造工藝學習：該階段教師完成課程專題4-11的授課，主要講解增材制造模型設計、支撐及切層等前處理方法，5種主要增材制造工藝、裝備發展現狀，以及增材制造的后處理技術等。

（三）增材制造技術實踐：通過專題4-11課程學習后，將進行第二階段的項目教學，該階段在專題11完成，共12學時。具體是：學生按照專題4-11課程內容選擇相應增材制造工藝，并基于該工藝完成打印模型，打印方案設計等內容，然后學生以PPT的形式向全班進行講解，教師進行點評。

圖1：項目驅動教學法實踐

基于項目教學驅動的增材制造課程教學，8個小組均如期完成項目任務。具體是，第1組：自行車避震連接件設計與增材制造；第2組：雙向離合器零件模型設計與增材制造；第3組：模型飛機設計與增材制造；第4組：中空圓凳模型設計與增材制造；第5組：眼鏡模型設計與增材制造；第6組：模具設計與增材制造；第7組：衛星天線支架設計與增材制造；第8組：人造股骨3D打印模型設計與增材制造。

四、基于項目教學驅動的增材制造課程教學優勢

項目教學法在培養科研型、實踐型工程人才培養領域起到了積極作用。針對增材制造教學而言，教師可圍繞創新能力培養目標設計項目教學的任務，在增材制造課程中融入創新元素，努力培養適合市場的創新型人才。

（一）鍛煉學習能力。在任務實施過程中，需要學生自行完成文獻的檢索，知識的歸納和總結，前沿學術的追蹤，在這個過程中，鍛煉了學生自主學習能力。如第8組同學們，以航空航天為背景，經過調研發現衛星天線需要滿足質量小，結構強度高的要求，因此基于增材制造技術設計了一種采用拓撲結構的衛星天線支架，經過優化后實現了結構減重50%。通過上述實際設計任務，不僅充分調動了小組同學對航天航空事業的興趣，動手能力，也提升了同學們對增材制造專業知識的接受度。

（二）激發合作意識。在任務實施過程中，發現同學們自發建立了項目式組織，組織中同學們根據自己的優點，負責不同的任務，如文獻調研撰寫，模型的優化設計，模型前處理與打印等。甚至有部分小組，按照項目范圍要求，制定了詳細的進度計劃。可見，學生在相互配合、磨合的過程中自發形成了項目組織，潛移默化地培養了一種項目團隊協作精神。

（三）培養創新人才。創新能力的培養需要遵循知、情、意、行相統一的教育規律，而目前普遍課程模式下，重理論學習輕實踐鍛煉，此外，實踐教學本身成本高管理難度大，導致了許多實踐教學環節流于形式，收效甚微。項目教學法對學生創新能力的培養放在了首位，注重學生的實踐和個性化發展，積極有效促進學生知識理論學習與實踐能力鍛煉高效協同。通過將項目任務與現行課程進行融合，促進了增材制造課程建設和發展，使學生對增材制造技術有了更為全面的了解，促進了增材制造人才的培養。

（四）提升教師能力。面對項目教學法這種新穎且實踐性強的教學模式，為滿足學生求知欲望、良好解決增材制造設計中遇到的實踐問題，教師需要具有從事增材制造研究或應用的經驗，掌握增材制造設計軟件，熟練操作3D打印設備；需要具有跨學科的能力，了解材料、機械、計算機等多學科知識；需要具有創設學習情境的能力，在掌握教學內容的前提下，設計能夠吸引學生注意力，激發學生熱情的項目內容，對教師的綜合能力提升和發展起到了積極作用。

五、總結與展望

本文系統闡述了基于項目教學法開展增材制造課程實踐的全過程，并對教學效果進行了分析，探析了增材制造領域學生創新實踐能力的培養方式。通過分析本次教學結果發現，基于項目教學驅動的增材制造課程可以鍛煉學生主動學習的能力，培養學生項目團隊協作精神，促進增材制造創新人才的培養，提升教師的專業素質。

項目教學法結合高精尖技術，前沿理論成果，幫助學生掌握增材制造技術最新發展現狀，以科教融合模式將高校優質豐富的科學研究資源轉化為人才培養優勢，發揮科技創新在人才培養中的支撐和引領作用，為學生提早進課題、進實驗室、進團隊創造條件，為學生攀登學術高峰搭建平臺，培養更多適應高質量發展要求的高素質創新型人才。