“知行合一”的多課互融式“3D打印實踐”課程改革

王琦 潘海軍 吳蒙

摘?要：在智能制造背景下，面向3D打印人才需求，針對我校智能制造專業(yè)的“3D打印實踐”教學(xué)所存在的問題，提出了多課互融式的課程改革方案。制訂了整合“機械原理與機械設(shè)計”“數(shù)字化設(shè)計”和“3D打印實踐”課程的教學(xué)方案，并建立了三課互通的考核制度，三門課程不再獨立自營，進(jìn)而使培養(yǎng)過程達(dá)到理論、方法和實踐的有機融合，使學(xué)生達(dá)到“知行合一”的學(xué)習(xí)目的。本課程改革突出課程結(jié)構(gòu)的整體性、理論性和實踐性，使學(xué)生掌握產(chǎn)品設(shè)計與智能制造的全流程，進(jìn)而培養(yǎng)具有較高實踐能力和工程素養(yǎng)的綜合型增材制造人才。

關(guān)鍵詞：3D打印實踐;智能制造;知行合一;多課互融

中圖分類號：G642??文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

隨著產(chǎn)業(yè)變革蓬勃興起，世界各大工業(yè)強國紛紛制定了制造業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略，并催生了智能制造方向人才的大量需求，基于這一發(fā)展背景，我國許多高校設(shè)置了智能制造方向的相關(guān)專業(yè)［1］。3D打印技術(shù)是實現(xiàn)智能制造的革命性技術(shù)，自20世紀(jì)90年代以來，各大知名高校在3D打印材料的研發(fā)技術(shù)、3D設(shè)計與成型軟件的開發(fā)以及3D打印在工業(yè)應(yīng)用中的研究與推廣等方面開展了積極的探索［2］。在“中國制造2025”的大背景下，面對激烈的市場競爭環(huán)境，高校在應(yīng)對智能制造領(lǐng)域?qū)τ?D打印技術(shù)人才的需求方面也應(yīng)提出更為合理的培養(yǎng)計劃［3］，研究3D打印課程的設(shè)置，基礎(chǔ)理論教學(xué)與實踐環(huán)節(jié)的有機融合，以及評價考核制度的合理化等，進(jìn)而更好地與人才需求市場相對接。本文基于上述背景需求，以及我校智能制造專業(yè)的實踐課教學(xué)方案所存在的問題，提出了相應(yīng)的改革方案。

1?現(xiàn)階段智能制造專業(yè)實踐課程問題分析

1.1?知識體系連貫性不足，學(xué)生難以融會貫通

目前，我校智能制造專業(yè)同全國各大高校相關(guān)專業(yè)一樣，雖然開設(shè)了“3D打印實踐”課程，但是其課程內(nèi)容相對獨立，“機械原理與機械設(shè)計”“數(shù)字化設(shè)計”等基礎(chǔ)課程不能與之良好的共融，課程之間連貫性較差。因此，學(xué)生在“3D打印實踐”課程的學(xué)習(xí)中往往會出現(xiàn)較為吃力的現(xiàn)象，難以達(dá)到知識體系融會貫通。

1.2?缺乏理實一體化教學(xué)方法，學(xué)生自主創(chuàng)新意識和能力不強

“機械原理與機械設(shè)計”偏重于理論教學(xué)，實驗課程往往采用手工測量機械零部件的形式加深學(xué)生對理論知識的認(rèn)識。這種教學(xué)方法對于現(xiàn)在的學(xué)生而言比較枯燥，并且難以鍛煉學(xué)生自主思考的能力。對于數(shù)字化設(shè)計課程，教師一般采用“填鴨式”教學(xué)方法，講解繪圖軟件的基本操作方法，上機課程和考試也只是要求學(xué)生繪制圖紙上的三維圖形。這種方式同樣缺乏鍛煉學(xué)生自主思考的能力和自主設(shè)計三維零部件的能力。

1.3?課程內(nèi)容多，學(xué)生學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)較重

在學(xué)科大交叉、大融合的背景下，學(xué)生本科階段開設(shè)的課程也隨之增多。各門課程都進(jìn)行獨立的教學(xué)改革，雖然提升了本門課程的教學(xué)效果，卻增加了學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)，對整體培養(yǎng)造成了一定的影響。因此，有必要開展課程體系的融合式教學(xué)方案探討，達(dá)到提升教學(xué)效果的同時，不對學(xué)生造成過重的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)。

總體而言，目前培養(yǎng)方案設(shè)置的課程只注重理論、方法和實踐的培養(yǎng)，無法實現(xiàn)理論知識和實踐環(huán)節(jié)無縫銜接，同時各門課自身也難以達(dá)到理想的教學(xué)效果。進(jìn)而難以有效培養(yǎng)具有較高實踐能力、創(chuàng)新能力及工程素養(yǎng)的綜合型增材制造人才。

2?融合“知行合一”教育理念的改革舉措

“知行合一”是明代思想家王陽明提出的思想理念，可以認(rèn)為“知”是科學(xué)知識，“行”是指人的實踐，在認(rèn)知客觀規(guī)律的過程中二者密不可分［4］。在新工科教育中，國內(nèi)各個高校領(lǐng)會“知行合一”時代內(nèi)涵，并踐行于學(xué)生的培養(yǎng)中［5］。本文將“知行合一”的教育理念與“3D打印實踐”課程相融合，使學(xué)生掌握產(chǎn)品設(shè)計與智能制造的全流程，進(jìn)而培養(yǎng)具有較高實踐能力和工程素養(yǎng)的綜合型增材制造人才。

2.1?培養(yǎng)方案相關(guān)課程結(jié)構(gòu)分析

我校“機械原理與機械設(shè)計”“數(shù)字化設(shè)計”和“3D打印實踐”這三門課程的課程描述為：

（1）“機械原理與機械設(shè)計”課程：主要教會學(xué)生研究機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析、運動分析和動力分析，常用機構(gòu)設(shè)計的基本理論和方法，機械系統(tǒng)運動方案的創(chuàng)新設(shè)計。培養(yǎng)學(xué)生掌握機構(gòu)學(xué)和機械動力學(xué)的基本理論和基本技能，并初步具有確定機械運動方案、分析和設(shè)計機構(gòu)的能力。

（2）“數(shù)字化設(shè)計”課程：重點是培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用相關(guān)軟件進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計并創(chuàng)造數(shù)字化作品，以及從事工程設(shè)計的能力。課程以介紹三維參數(shù)化機械設(shè)計軟件應(yīng)用方法為主，通過介紹主流CAD/CAE/CAM一體化軟件平臺的應(yīng)用方法，引導(dǎo)學(xué)生掌握產(chǎn)品三維數(shù)字化建模、虛擬裝配到工程分析的設(shè)計過程。

（3）“3D打印實踐”課程：主要培養(yǎng)學(xué)生獲得面向增材制造的結(jié)構(gòu)設(shè)計思路、方法和手段，進(jìn)一步通過3D打印實訓(xùn)過程強化學(xué)生對快速成型技術(shù)的理解及應(yīng)用能力，使學(xué)生掌握智能化的產(chǎn)品設(shè)計與制造生產(chǎn)的全流程。

縱觀上述三門課程，雖然教學(xué)內(nèi)容相對獨立，但其內(nèi)在具有緊密的聯(lián)系。其中，“機械原理與機械設(shè)計”是基礎(chǔ)理論課程，在“知行合一”教育思想中起到“知”的作用；“數(shù)字化設(shè)計”是方法課程，是“知行合一”教育思想中“行”的工具；“3D打印實踐”是基于“機械原理與機械設(shè)計”的理論和“數(shù)字化設(shè)計”的增材制造技術(shù)綜合實踐類課程，在“知行合一”的教育思想中起到“行”的作用。但是，上述三門課程的教學(xué)過程存在理論脫離實踐、學(xué)生梳理不清知識體系等問題。本文將原本相對獨立的理論課、方法課和實踐課視作整體，構(gòu)建以機械原理與機械設(shè)計為理論，以數(shù)字化設(shè)計為工具，以3D打印為實踐的系統(tǒng)化實踐課程方案，通過這三門課程的互通式教學(xué)，達(dá)到對學(xué)生從產(chǎn)品設(shè)計到數(shù)字化制造的全流程培養(yǎng)。

2.2?制訂授課方案

我們構(gòu)建了如下圖的“機械原理與機械設(shè)計”“數(shù)字化設(shè)計”和“3D打印實踐”課程組成的三課合一的課程體系。其中，“機械原理與機械設(shè)計”為主干課程，主要課程目標(biāo)是使學(xué)生掌握一般機構(gòu)或機械系統(tǒng)運動方案設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計的能力。“數(shù)字化設(shè)計”的課程內(nèi)容為Pro/E計算機三維造型軟件的學(xué)習(xí)，課程目標(biāo)是使學(xué)生能夠熟練應(yīng)用Pro/E軟件進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計與造型。本課程同“機械原理與機械設(shè)計”課程并行開課，前半程講解Pro/E軟件的基本三維建模方法；后半程以“機械原理與機械設(shè)計”課程中學(xué)習(xí)的各類機構(gòu)為教學(xué)案例，引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建復(fù)雜三維零件的建模思維，并教會學(xué)生掌握Pro/E軟件的零件裝配模塊以及機構(gòu)運動分析模塊。由此，將“機械原理與機械設(shè)計”和“數(shù)字化設(shè)計”課程有機的融合在一起，“機械原理與機械設(shè)計”課程內(nèi)容作為基礎(chǔ)理論，并提供教學(xué)案例；“數(shù)字化設(shè)計”課程作為工具，并在課程學(xué)習(xí)中加深了對“機械原理與機械設(shè)計”課程內(nèi)容的認(rèn)識和理解。

“3D打印實踐”課程將采用項目化的教學(xué)方式，由授課教師指導(dǎo)學(xué)生自主使用Pro/E軟件設(shè)計一套完整的運動機構(gòu)，并進(jìn)行機構(gòu)運動分析；使用3D打印機打印出設(shè)計好的各個零件；修整打印好的零件，并按照設(shè)計方案進(jìn)行裝配，以實現(xiàn)所設(shè)計的功能。上述實踐過程是對“機械原理與機械設(shè)計”課程，以及“數(shù)字化設(shè)計”課程中所學(xué)知識內(nèi)容的綜合應(yīng)用與實踐；過程中還將鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新能力，使學(xué)生掌握3D打印機的使用方法，基于3D打印技術(shù)的零件設(shè)計方法等知識。

通過上述授課方案的制訂，我們構(gòu)建了以機械原理與機械設(shè)計為理論、以數(shù)字化設(shè)計為工具、以3D打印為實踐的系統(tǒng)化實踐課程方案，形成了“知行合一”的教學(xué)體系，使三門課程不再獨立自營，以保證教學(xué)內(nèi)容的整體性、互補性和延續(xù)性，進(jìn)而達(dá)到理論、方法和實踐的有機結(jié)合，形成智能化產(chǎn)品設(shè)計與制造人才全流程培養(yǎng)。同時，上述授課方案只是將三門課程進(jìn)行了有機的互融，沒有增加課程的授課內(nèi)容，不會增加學(xué)生的課業(yè)負(fù)擔(dān)。

三課合一的課程體系圖

2.3?制訂考核方案

根據(jù)授課方案建立三課互通的考核方案，考核內(nèi)容及分值分配見表1。

（1）“機械原理與機械設(shè)計”課程：本課過程考核占25分，主要考核學(xué)生在本課程學(xué)習(xí)過程中的平時成績，包括課堂表現(xiàn)、課后作業(yè)和考勤等內(nèi)容；理論考核占75分，為課程結(jié)束后的閉卷考試，主要考核學(xué)生對本課程基本理論知識的掌握情況，以及對各類機構(gòu)的分析能力。

（2）“數(shù)字化設(shè)計”課程：本課程考核內(nèi)容包括過程考核（25分）、工具考核（55分）和理論考核（20分）。過程考核主要考核學(xué)生在本課程學(xué)習(xí)過程中的平時成績；工具考核在課程結(jié)束后的閉卷考試中進(jìn)行，考核形式為使用Pro/E軟件繪制復(fù)雜的三維零件，并將三維零件裝配成指定的運動機構(gòu)，進(jìn)一步的對該運動機構(gòu)進(jìn)行運動模擬，主要考核學(xué)生對Pro/E軟件的三維零件圖繪制、零件裝配和機構(gòu)運動模擬的掌握情況；理論考核也在課程結(jié)束后的閉卷考試中進(jìn)行，題目形式為結(jié)合上述Pro/E軟件的機構(gòu)運動模擬結(jié)果對機構(gòu)的運動學(xué)問題、動力學(xué)問題、強度和剛度等問題進(jìn)行分析求解和論證。

（3）“3D打印實踐”課程：本課程考核內(nèi)容包括過程考核（10分）、理論考核（20分）、工具考核（20分）和實踐考核（50分）。其中，過程考核主要考查學(xué)生在整個實踐項目中的表現(xiàn)情況；理論考核主要體現(xiàn)在學(xué)生提交的項目報告中，具體為對團(tuán)隊設(shè)計的運動機構(gòu)原理說明、設(shè)計說明、相關(guān)的設(shè)計計算，以及所設(shè)計機構(gòu)的創(chuàng)新性等內(nèi)容；工具考核主要體現(xiàn)在學(xué)生使用Pro/E軟件繪制的三維零件圖、機構(gòu)裝配圖和運動模擬結(jié)果等；實踐考核主要體現(xiàn)在學(xué)生使用3D打印機制造的三維零件的成型效果、機構(gòu)的裝配效果，以及機構(gòu)能否實現(xiàn)設(shè)計目標(biāo)等內(nèi)容。

我們在“數(shù)字化設(shè)計”課程考試中有機地融入了“機械原理與機械設(shè)計”課程的理論知識，使學(xué)生在掌握Pro/E軟件的同時深化了理論認(rèn)識和熟練運用的能力；在“3D打印實踐”課程考核中，將“機械原理與機械設(shè)計”課程的理論知識考核，以及Pro/E軟件掌握情況的考核融入其中，在項目化教學(xué)的驅(qū)動下，學(xué)生通過運動機構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計，可以更好地掌握機械原理與機械設(shè)計相關(guān)理論并加以運用，同時也可更熟練地使用Pro/E軟件進(jìn)行三維圖形繪制、零件裝配和機構(gòu)運動模擬；另外，在“3D打印實踐”課程中，通過實際操作3D打印機將自主繪制的三維零件打印出來，裝配成所設(shè)計的運動機構(gòu)，并實現(xiàn)運動目標(biāo)，使學(xué)生進(jìn)一步掌握3D打印機的實際操作能力。整個課程過程學(xué)生將沉浸式地體驗智能化的產(chǎn)品設(shè)計與制造生產(chǎn)的全流程。

我們還設(shè)計了課程考核分值再分配方案，具體見表2。我們將“數(shù)字化設(shè)計”課程理論考核的20分和“3D打印實踐”課程理論考核的20分分配給“機械原理與機械設(shè)計”課程，使其總分值為140分；再將“3D打印實踐”課程工具考核的20分再分配給“數(shù)字化設(shè)計”課程，使其總分值為100分；“3D打印實踐”課程自身保留實踐考核的50分和過程考核的10分，使其總分值為60分。上述分值再分配方案進(jìn)一步加強了三門課程之間的聯(lián)系，改變了以往實踐課程中的機械化實驗過程，也使學(xué)生真正經(jīng)歷了由理論到實踐的歷練，強化了“知行合一”的考核目的。

結(jié)語

本文針對我校智能制造專業(yè)的實踐課教學(xué)方案所存在的問題，提出了相應(yīng)的改革方案。構(gòu)建了以機械原理與機械設(shè)計為理論，以數(shù)字化設(shè)計為方法，以3D打印為實踐的系統(tǒng)化實踐課程方案，形成智能化的產(chǎn)品設(shè)計與制造人才的全流程培養(yǎng)。方案整合了“機械原理與機械設(shè)計”“數(shù)字化設(shè)計”和“3D打印實踐”課程的教學(xué)方案，使三門課程不再獨立自營，進(jìn)而使培養(yǎng)過程達(dá)到理論、方法和實踐的有機融合；建立了三課互通的考核制度，并具有一定創(chuàng)新能力的培養(yǎng)目標(biāo)。本課程改革方案將原本相對獨立的理論課、方法課和實踐課視作整體，并建立三者之間的內(nèi)在聯(lián)系，進(jìn)而形成理論聯(lián)系實際的方法論，以幫助學(xué)生達(dá)到“知行合一”的學(xué)習(xí)效果；建立的多課互通的教學(xué)改革方案，在改善教學(xué)效果的同時，避免對學(xué)生造成新的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)。

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［5］靳凱，樊玉華.基于第二課堂學(xué)生需求的工科高校創(chuàng)新型人才培養(yǎng)策略研究［J］.高教學(xué)刊，2021，7（22）：4346.

基金項目：常州大學(xué)教育教學(xué)研究課題“知行合一的智能制造專業(yè)實踐課程改革探索”（GJY2021081）；常州大學(xué)教育教學(xué)研究課題“新工科背景下地方高校智能制造專業(yè)人才培養(yǎng)模式的研究與實踐”（GJY2021069）；常州大學(xué)教育教學(xué)研究課題“工程教育背景下新工科人才人格培育研究”（GJY2021047）

作者簡介：王琦（1988—?），男，遼寧阜新人，博士，講師，研究方向：實踐類課程改革探索；潘海軍（1988—?），男，河南周口人，博士，講師，研究方向：材料成型與控制工程專業(yè)教學(xué)研究；吳蒙（1992—?），男，江蘇淮安人，博士，講師，研究方向：新工科課程教學(xué)研究。