建筑3D打印線上線下混合教學(xué)模式創(chuàng)新與實(shí)踐

摘要：為加快推進(jìn)建筑業(yè)工業(yè)化、數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)，許多高校正積極建設(shè)智能建造專業(yè)，并推出了一系列新的專業(yè)課程。其中，建筑3D打印是智能建造專業(yè)的一項(xiàng)特色課程，其教學(xué)內(nèi)容涵蓋機(jī)械、材料、信息等領(lǐng)域。傳統(tǒng)課堂教學(xué)和大范圍實(shí)驗(yàn)存在學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高、知識(shí)理解效率低，以及大范圍實(shí)驗(yàn)受制于3D打印的高成本、長(zhǎng)制作周期和低成品率的限制；因此，有必要探索線上線下混合式教學(xué)模式，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐精神和創(chuàng)新能力，從而有效提升教學(xué)效果。本研究以華中科技大學(xué)智能建造專業(yè)建筑3D打印課程教學(xué)為例，討論了建筑3D打印線上線下混合式教學(xué)的內(nèi)容設(shè)計(jì)與實(shí)踐運(yùn)行。該課程搭建了建筑3D打印虛擬仿真系統(tǒng)，提供三維模型格式轉(zhuǎn)換、模型自動(dòng)檢測(cè)、模型修復(fù)等工具，使學(xué)生能夠進(jìn)行虛擬打印操作，以最低成本和最短時(shí)間對(duì)打印模型參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。此外，使用基于工業(yè)級(jí)六軸機(jī)械臂的建筑3D打印設(shè)備進(jìn)行線下打印實(shí)踐，建立了標(biāo)準(zhǔn)化的打印工藝流程，以確保打印構(gòu)件的高精度成型。通過(guò)“月壺尊”殼體結(jié)構(gòu)混凝土3D打印案例，介紹了該線上線下混合教學(xué)模式下的完整學(xué)習(xí)過(guò)程。該教學(xué)模式符合智能建造專業(yè)掌握一種軟件語(yǔ)言、驅(qū)動(dòng)一臺(tái)硬件設(shè)備、解決一個(gè)工程問(wèn)題的“三個(gè)一”人才培養(yǎng)理念，為其他高校開(kāi)展建筑3D打印教學(xué)提供了有益參考。

關(guān)鍵詞：建筑3D打印；線下線下；教學(xué)模式創(chuàng)新；智能建造

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1005-2909（2024）06-0136-08

我國(guó)正處于從“建造大國(guó)”向“建造強(qiáng)國(guó)”邁進(jìn)的關(guān)鍵時(shí)期。《中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》提出，以智能建造助力“中國(guó)建造”。為了推動(dòng)我國(guó)智能建造的發(fā)展，首要任務(wù)是培養(yǎng)具備跨學(xué)科知識(shí)和創(chuàng)造性思維能力的復(fù)合型人才。為響應(yīng)國(guó)家的戰(zhàn)略需求，全國(guó)已有超過(guò)百所高校開(kāi)設(shè)了智能建造專業(yè)。這些高校根據(jù)自身特色，提供了多樣化的專業(yè)課程。其中，建筑3D打印作為許多高校智能建造專業(yè)的特色課程，涵蓋了機(jī)械、材料和信息等領(lǐng)域的跨學(xué)科融合。然而，建筑3D打印教學(xué)實(shí)踐面臨著雙重挑戰(zhàn)。一方面，由于3D打印設(shè)備和材料成本高、制作周期長(zhǎng)、成品率低，建筑3D打印教學(xué)通常依賴于教師主導(dǎo)的課堂講授或演示實(shí)驗(yàn)等方式［1］；另一方面，僅僅通過(guò)傳統(tǒng)課堂教學(xué)無(wú)法讓學(xué)生全方位直觀感受建筑3D打印全過(guò)程，從而導(dǎo)致學(xué)生出現(xiàn)學(xué)習(xí)興趣不高、知識(shí)理解低效等問(wèn)題。在智能建造學(xué)科發(fā)展的早期階段，有必要探索創(chuàng)新建筑3D打印教學(xué)模式，以提高教學(xué)質(zhì)量［2］。

教育部等十一部門印發(fā)的《關(guān)于促進(jìn)在線教育健康發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》，明確要求加快科技與教育的深度融合，推動(dòng)線上教育與線下教育的良性互動(dòng)。在這一文件的指導(dǎo)下，線上線下混合式教學(xué)的理論及方法得到了多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的高度重視。在相關(guān)研究方面，葉興琳等［3］利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和智慧教學(xué)平臺(tái)，構(gòu)建了基于線上線下的有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式。盧嫣等［4］采用線上線下的方式改進(jìn)了高分子基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。徐敬海等［5］設(shè)計(jì)了線上線下混合的地理信息系統(tǒng)原理課程教學(xué)改革框架與方法。周小龍等［6］介紹了工程案例與虛擬實(shí)驗(yàn)在建筑結(jié)構(gòu)抗震課程教學(xué)中的應(yīng)用，引導(dǎo)學(xué)生從可視化的地震情境中提出問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題，深化學(xué)生對(duì)抗震基本概念和原理的理解。戴北冰等［7］通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建設(shè)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，有效克服了傳統(tǒng)土力學(xué)課程中存在的知識(shí)點(diǎn)繁多、內(nèi)容體系復(fù)雜，以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)受時(shí)間、空間和資源限制等問(wèn)題，提升了土力學(xué)課程的教學(xué)質(zhì)量。

線上線下混合式教學(xué)為化解建筑3D打印教學(xué)的實(shí)踐困境、提升課程教學(xué)質(zhì)量提供了新的思路。理論上，線上線下混合式教學(xué)既保留了傳統(tǒng)教學(xué)方式的互動(dòng)性和社交性，又提供了豐富的數(shù)字化學(xué)習(xí)工具，幫助教師在引導(dǎo)、啟發(fā)和監(jiān)控教學(xué)過(guò)程中發(fā)揮更大作用，從而有效激發(fā)學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中的主動(dòng)性、積極性和創(chuàng)造性［8］。這一特征對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生在建筑3D打印學(xué)習(xí)中的動(dòng)手能力和創(chuàng)新思維具有顯著作用，同時(shí)也能有效規(guī)避大范圍開(kāi)展建筑3D打印實(shí)驗(yàn)所面臨的各種弊端。值得注意的是，目前關(guān)于建筑3D打印教學(xué)實(shí)踐中線上線下混合教學(xué)模式的研究還不夠充分，缺乏針對(duì)線上線下內(nèi)容安排和協(xié)同方式的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

本文以華中科技大學(xué)智能建造專業(yè)的建筑3D打印課程為研究對(duì)象，旨在深入闡釋智能建造專業(yè)“三個(gè)一”的人才培養(yǎng)理念，探索虛實(shí)結(jié)合的線上線下教學(xué)實(shí)踐，構(gòu)建理論與實(shí)踐、學(xué)習(xí)與使用一體化的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式。這種教學(xué)實(shí)踐不僅有助于滿足本專業(yè)人才培養(yǎng)的需求，而且還將推進(jìn)智能建造核心課程教學(xué)改革，提高智能建造專業(yè)教育的整體質(zhì)量。

一、課程內(nèi)容與線上線下混合式教學(xué)

華中科技大學(xué)智能建造專業(yè)自2020年開(kāi)始招生，旨在培養(yǎng)具備智能建造研究應(yīng)用能力、工程實(shí)踐能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、創(chuàng)新意識(shí)和國(guó)際視野，既能在智能建造領(lǐng)域從事智能設(shè)計(jì)、智能施工、智能運(yùn)維等技術(shù)性工作，又能在人工智能領(lǐng)域從事科技開(kāi)發(fā)與組織管理工作的高素質(zhì)復(fù)合型人才。

智能建造專業(yè)在教學(xué)過(guò)程中充分融入了新一代人工智能技術(shù)，如大數(shù)據(jù)智能、群體智能、人機(jī)混合智能、無(wú)人自主智能等，將其與先進(jìn)工程建造相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)內(nèi)容的融合創(chuàng)新。同時(shí)，在夯實(shí)傳統(tǒng)土木工程基礎(chǔ)課程知識(shí)的基礎(chǔ)上，還堅(jiān)持“三個(gè)一”人才培養(yǎng)理念，即通過(guò)教學(xué)與實(shí)踐培養(yǎng)學(xué)生至少掌握一種軟件語(yǔ)言（計(jì)算機(jī)），驅(qū)動(dòng)一臺(tái)設(shè)備（機(jī)械），解決一個(gè)工程問(wèn)題（土木）。建筑3D打印作為智能建造專業(yè)的特色課程，為學(xué)生提供了學(xué)習(xí)和實(shí)踐的重要平臺(tái)，使其能夠熟練應(yīng)用建筑3D打印技術(shù)，并掌握開(kāi)發(fā)3D打印應(yīng)用系統(tǒng)的關(guān)鍵技能。

建筑3D打印技術(shù)是一種快速成形的先進(jìn)建造技術(shù)［9］。該技術(shù)以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，通過(guò)計(jì)算機(jī)智能控制實(shí)現(xiàn)建筑構(gòu)件的免模板施工工藝，尤其在異形結(jié)構(gòu)建造方面具有顯著優(yōu)勢(shì)［10］。在設(shè)計(jì)建筑3D打印課程時(shí)，需要充分考慮該技術(shù)的綜合性和學(xué)生學(xué)習(xí)的認(rèn)知規(guī)律，將課程內(nèi)容劃分為理論和實(shí)踐兩個(gè)部分。理論部分主要圍繞建筑3D打印設(shè)備的執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)裝置、材料性質(zhì)，以及控制系統(tǒng)，旨在使學(xué)生掌握該技術(shù)的基本原理。建筑3D打印線上線下混合式教學(xué)主要側(cè)重于課程的實(shí)踐部分，如圖1所示。鑒于建筑3D打印涉及多個(gè)界面的軟硬件操作，學(xué)生在進(jìn)行實(shí)踐操作前，必須在理論學(xué)習(xí)階段全面掌握相關(guān)軟硬件的操作要點(diǎn)及注意事項(xiàng)。

為實(shí)現(xiàn)虛擬仿真打印，需要搭建建筑3D打印虛擬仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)提供常用的3D打印建模工具，如3D模型格式轉(zhuǎn)換、模型自動(dòng)檢測(cè)、模型修復(fù)等。在教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生在教師的指導(dǎo)下利用該系統(tǒng)進(jìn)行多種結(jié)構(gòu)的混凝土構(gòu)件建模。通過(guò)機(jī)器人操作系統(tǒng)（Robot Operating System，ROS）規(guī)劃虛擬打印路徑，并通過(guò)離線編程將規(guī)劃路徑轉(zhuǎn)化為機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的指令集，以完成虛擬打印仿真。這種虛擬仿真打印方式有助于學(xué)生在實(shí)際打印操作之前，靈活配置不同的打印參數(shù)并對(duì)比分析相應(yīng)的打印效果。面對(duì)效果不夠理想的情況，學(xué)生能夠以最低成本和最短時(shí)間對(duì)初始模型參數(shù)進(jìn)行修改或調(diào)整，從而提高實(shí)際打印操作效率和成果質(zhì)量。

真實(shí)打印操作則使用基于工業(yè)級(jí)六軸機(jī)械臂的建筑3D打印設(shè)備。在真實(shí)打印的準(zhǔn)備、打印和收尾環(huán)節(jié)，均配備專門的實(shí)驗(yàn)員，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行具體操作。在整個(gè)實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中，將建筑3D打印的關(guān)鍵步驟及常見(jiàn)實(shí)踐問(wèn)題整理成電子版指導(dǎo)手冊(cè)，以供學(xué)生持續(xù)學(xué)習(xí)建筑3D打印相關(guān)知識(shí)。

基于上述課程內(nèi)容設(shè)計(jì)與混合式教學(xué)思路，華中科技大學(xué)相關(guān)團(tuán)隊(duì)將科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“輕量化可重構(gòu)月面建造方法研究”“面向建筑行業(yè)典型應(yīng)用的機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)與系統(tǒng)”等研究成果融入智能建造專業(yè)的建筑3D打印教學(xué)環(huán)節(jié)。以下將以“月壺尊”殼體結(jié)構(gòu)3D打印為例，介紹建筑3D打印線上線下混合教學(xué)的實(shí)踐運(yùn)行情況。

二、線上虛擬仿真

建筑3D打印線上虛擬仿真的主要目標(biāo)是使學(xué)生系統(tǒng)地學(xué)習(xí)3D打印結(jié)構(gòu)建模、3D打印切片、格式轉(zhuǎn)化、虛擬打印路徑規(guī)劃等內(nèi)容（見(jiàn)圖2），掌握Rhino、Simplify3D、RobotStudio等軟件的具體功能與操作。

（一） 基于Rhino的3D打印結(jié)構(gòu)建模

按照常規(guī)的建筑3D打印實(shí)踐流程，線上虛擬仿真教學(xué)的第一部分內(nèi)容是指導(dǎo)學(xué)生利用Rhino參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件完成3D打印結(jié)構(gòu)的建模。在此過(guò)程中，學(xué)生需注意實(shí)際打印過(guò)程中可能存在的人為誤差，以及機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)范圍、噴頭精度等因素帶來(lái)的打印局限性。比如，模型在豎直方向超過(guò)35°傾斜角度時(shí)，容易導(dǎo)致打印構(gòu)件塌陷。完成3D虛擬模型后，教師將引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注后續(xù)注意事項(xiàng)，包括對(duì)模型的尺寸、傾斜角度等主要指標(biāo)進(jìn)行檢查和確認(rèn)。在確保檢查結(jié)果符合要求后，教師將指導(dǎo)學(xué)生導(dǎo)出STL格式文件，以便進(jìn)行下一步3D打印切片。本部分內(nèi)容共計(jì)4課時(shí)。

（二） 基于Simplify3D的3D打印結(jié)構(gòu)分析

線上虛擬仿真教學(xué)的第二部分內(nèi)容是指導(dǎo)學(xué)生利用Simplify3D軟件對(duì)已建立的3D打印結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。Simplify3D為學(xué)生提供了易于使用的交互界面，便于導(dǎo)入3D模型文件并分析潛在的幾何形狀網(wǎng)格錯(cuò)誤，如孔、薄壁或自相交等（如圖3）。學(xué)生還可以利用Simplify3D的快速編輯工具，自定義支撐位置和形狀。根據(jù)打印要求，學(xué)生在編輯打印過(guò)程的設(shè)置中可以調(diào)整具體的打印參數(shù)，如噴嘴直徑、擠出寬度、層高、封頂和封底層數(shù)、外殼周長(zhǎng)和打印方向等。

在本案例的“月壺尊”切片設(shè)置中，模型尺寸直徑為200 mm，噴嘴直徑為10 mm，層高為3 mm。考慮泵機(jī)擠出速率及二級(jí)噴頭擠出速率的影響，將擠出線寬設(shè)置為5 mm。這樣的參數(shù)設(shè)置使得“月壺尊”能夠保持整體形狀，層與層之間的連接度較好，并且內(nèi)部帶肋部分能夠與內(nèi)圈有效連接，從而避免了斷料、斷點(diǎn)等問(wèn)題，符合打印要求。本部分內(nèi)容共計(jì)4課時(shí)。

（三） 基于RobotStudio的虛擬打印路徑規(guī)劃

線上虛擬仿真教學(xué)的最后一部分內(nèi)容是指導(dǎo)學(xué)生利用RobotStudio軟件進(jìn)行虛擬打印路徑規(guī)劃，這也是線上虛擬仿真的重點(diǎn)內(nèi)容。此部分主要利用與機(jī)械臂配套的RobotStudio軟件，搭建虛擬仿真系統(tǒng)，進(jìn)而模擬整個(gè)打印過(guò)程，分析可能存在的問(wèn)題并有針對(duì)性地進(jìn)行調(diào)整。教師指導(dǎo)學(xué)生在仿真系統(tǒng)中添加3D打印現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境模型，導(dǎo)入3D打印機(jī)械臂及末端噴嘴模型，輸入機(jī)械臂姿態(tài)、打印工具姿態(tài)、外部軸位等驅(qū)動(dòng)信息，隨后利用模擬示教器對(duì)虛擬機(jī)械臂進(jìn)行示教。

仿真系統(tǒng)提取路徑規(guī)劃點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息，形成可視化的預(yù)打印路徑和設(shè)備運(yùn)動(dòng)指令，從而使虛擬機(jī)械臂執(zhí)行虛擬打印作業(yè)。然而，僅僅觀看機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)無(wú)法檢查打印路徑是否存在錯(cuò)誤，也無(wú)法優(yōu)化相關(guān)參數(shù)；因此，利用RobotStudio軟件自帶的TCP跟蹤功能，實(shí)時(shí)顯示機(jī)械臂和末端噴嘴的位置與姿態(tài)信息，并通過(guò)“單步前進(jìn)”和“單步后退”功能，將路徑上一個(gè)點(diǎn)作為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)，讓學(xué)生仔細(xì)觀察虛擬打印的過(guò)程（見(jiàn)圖4）。此功能有助于檢查規(guī)劃路徑的合理性和打印過(guò)程的流暢性，還能對(duì)路徑規(guī)劃的細(xì)節(jié)進(jìn)行微調(diào)，從而提高真實(shí)打印的成功率。本部分內(nèi)容共計(jì)4課時(shí)。

三、線下真實(shí)打印

通過(guò)課前學(xué)習(xí)和線上虛擬仿真，學(xué)生對(duì)3D打印實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、步驟和相關(guān)設(shè)備形成了初步了解。在進(jìn)行線下真實(shí)打印前，教師將學(xué)生分成4～6人一組，提前安排操作任務(wù)，每組學(xué)生輪流完成線下3D打印實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備、打印和收尾三個(gè)環(huán)節(jié)的相關(guān)工作。考慮打印成功率受打印機(jī)械設(shè)備、打印模型構(gòu)造、混凝土材料性能、攪拌時(shí)間和運(yùn)輸工藝等因素的影響，線下真實(shí)打印操作需要固定打印工藝流程，使打印過(guò)程標(biāo)準(zhǔn)化。這樣既可以減輕設(shè)備不足的壓力，又有助于促進(jìn)學(xué)生之間的合作。

在準(zhǔn)備環(huán)節(jié)，學(xué)生在教師指導(dǎo)下分析混凝土材料的性能，包括材料攪拌、表觀形態(tài)觀察、擠壓測(cè)試、凝結(jié)時(shí)間和稠度測(cè)試等，判斷混凝土材料是否適合3D打印（見(jiàn)圖5）。在教學(xué)過(guò)程中，教師引導(dǎo)學(xué)生從虛擬3D建模的理想環(huán)境出發(fā)，思考線下實(shí)驗(yàn)中的注意事項(xiàng)，例如如何減少各種干擾對(duì)打印成果的影響。待準(zhǔn)備完畢后，學(xué)生將真實(shí)體驗(yàn)線下3D打印過(guò)程。

首先，將水泥、砂等干料與快硬劑、增稠劑等添加劑加入砂漿攪拌機(jī)中充分混合。待干攪完成后，加入適量水及含有減水劑的水溶液，再充分?jǐn)嚢瑁源_保混凝土不凝固。攪拌完成后，將混凝土從攪拌機(jī)移至泵機(jī)中，開(kāi)始運(yùn)輸至噴頭處。本實(shí)驗(yàn)的噴頭增加了一個(gè)螺旋裝置，以實(shí)現(xiàn)打印過(guò)程中的混凝土攪拌，避免了混凝土在噴頭處停留過(guò)久而硬化，防止噴頭堵塞或斷料現(xiàn)象的發(fā)生。本部分內(nèi)容共計(jì)3課時(shí)。

在打印環(huán)節(jié)，學(xué)生在操作臺(tái)打開(kāi)切片模型，按照線上虛擬仿真結(jié)果設(shè)置打印參數(shù)。在打印過(guò)程中，教師需要提醒學(xué)生觀察管道和噴頭的運(yùn)動(dòng)情況。由于混凝土材料的性質(zhì)，需實(shí)時(shí)控制打印過(guò)程中機(jī)械臂的移動(dòng)速率和泵機(jī)的混凝土輸送速率（見(jiàn)圖6），以免混凝土中出現(xiàn)空氣導(dǎo)致斷料現(xiàn)象的發(fā)生。圖7展示了“月壺尊”殼體結(jié)構(gòu)3D打印的部分過(guò)程。

此外，為了實(shí)時(shí)監(jiān)控打印過(guò)程，支持后續(xù)對(duì)打印成果進(jìn)行三維重構(gòu)和打印過(guò)程優(yōu)化，在打印區(qū)域的四周布設(shè)了四個(gè)球型攝像頭，構(gòu)成360°監(jiān)控系統(tǒng)（見(jiàn)圖8）。在“月壺尊”殼體結(jié)構(gòu)混凝土3D打印過(guò)程中，啟動(dòng)攝像頭并開(kāi)啟錄屏裝置，可以實(shí)現(xiàn)全方位的視覺(jué)檢測(cè)。學(xué)生在教師的引導(dǎo)下，分析3D打印過(guò)程中的影像，并與3D打印的虛擬仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析導(dǎo)致虛擬和實(shí)體打印差異的原因與對(duì)策，例如材料配比、工藝流程和人員操作等。本部分內(nèi)容共計(jì)6課時(shí)。

在收尾環(huán)節(jié)，學(xué)生在教師指導(dǎo)下對(duì)設(shè)備進(jìn)行清洗、歸位。學(xué)生需要掌握如下操作流程：將噴頭移開(kāi)打印區(qū)域，清除管道和噴頭中剩余的混凝土，并在泵機(jī)排空混凝土后加水，防止泵機(jī)空轉(zhuǎn)損壞；在各機(jī)械設(shè)備清洗干凈后，使用高壓水槍清洗地面，將各個(gè)工具擺放至規(guī)定位置。教師在收尾工作完成后進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生分析虛擬仿真打印對(duì)實(shí)際3D打印的支持作用。本部分內(nèi)容共計(jì)3課時(shí)，至此整個(gè)建筑3D打印課程結(jié)束。

四、學(xué)生反饋與教學(xué)創(chuàng)新點(diǎn)

針對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)方式在開(kāi)展建筑3D打印等智能建造技術(shù)教學(xué)中存在的不足，線上線下混合教學(xué)模式對(duì)教學(xué)方式及內(nèi)容進(jìn)行了優(yōu)化，獲得了學(xué)生的積極反饋。超過(guò)80%的學(xué)生認(rèn)為，虛擬打印仿真環(huán)節(jié)為其提供了充足的學(xué)習(xí)和探索空間，而線下真實(shí)打印環(huán)節(jié)在標(biāo)準(zhǔn)化流程和電子版指導(dǎo)手冊(cè)的引導(dǎo)下，使其能夠全面掌握科學(xué)的操作流程。此外，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中還接觸了機(jī)器人控制、視覺(jué)檢測(cè)等相關(guān)知識(shí)，激發(fā)了其創(chuàng)新精神。根據(jù)學(xué)生的反饋，為了更好地總結(jié)實(shí)踐過(guò)程中的操作技巧，可在收尾環(huán)節(jié)結(jié)束后引入課堂討論，讓不同小組分享彼此的操作經(jīng)驗(yàn)，還可考慮將實(shí)驗(yàn)過(guò)程制作成視頻材料，供學(xué)生課后復(fù)習(xí)，以強(qiáng)化認(rèn)知，進(jìn)一步提高其對(duì)建筑3D打印的理解和應(yīng)用能力。本線上線下混合教學(xué)模式的創(chuàng)新點(diǎn)總結(jié)如下。

（一） 多學(xué)科交叉創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

建筑3D打印實(shí)驗(yàn)涉及多種軟硬件的操作，是智能建造專業(yè)與計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、電子信息及機(jī)械設(shè)計(jì)制造等多學(xué)科的交叉拓展。采用虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式能夠有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有助于引導(dǎo)學(xué)生帶著問(wèn)題開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)際操作、觀察和總結(jié)，深入探索答案，從而奠定扎實(shí)的知識(shí)基礎(chǔ)，并培養(yǎng)其科學(xué)探索精神。

（二） 科研成果快速反哺教學(xué)

目前，建筑3D打印技術(shù)尚處于初級(jí)階段，需在打印設(shè)備、材料及工藝等方面進(jìn)一步改進(jìn)［11］。本教學(xué)模式充分利用建筑3D打印虛擬仿真系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科研方面的一致性及其基本相似的構(gòu)成要素，通過(guò)建立虛擬仿真系統(tǒng)迅速整理建筑3D打印構(gòu)件庫(kù)，將科研項(xiàng)目的階段性成果及時(shí)轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源，從而推動(dòng)研學(xué)轉(zhuǎn)化。

（三） 多功能開(kāi)放式教學(xué)平臺(tái)

建筑3D打印線上線下混合教學(xué)模式秉承以學(xué)生為中心的教育理念，普及建筑3D打印、虛擬仿真等智能建造技術(shù)的重要知識(shí)，鼓勵(lì)技術(shù)學(xué)習(xí)與分享交流。相關(guān)軟硬件設(shè)施設(shè)備既支持驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，又可以進(jìn)行更為復(fù)雜的綜合性實(shí)驗(yàn)，匯聚學(xué)生的創(chuàng)新智慧，引導(dǎo)其在材料優(yōu)化、工藝改良、硬軟件性能提升等多方面探索高成形質(zhì)量的3D打印成果。

五、總結(jié)

為滿足智能建造專業(yè)人才的知識(shí)需求，眾多高校相繼開(kāi)設(shè)了建筑3D打印等課程，對(duì)學(xué)生在理論與實(shí)踐方面的學(xué)習(xí)提出了新的要求，因此有必要采用創(chuàng)新的教學(xué)模式。本研究詳細(xì)介紹了華中科技大學(xué)智能建造專業(yè)中建筑3D打印課程所采用的線上線下混合教學(xué)模式。該模式設(shè)計(jì)旨在滿足專業(yè)人才培養(yǎng)的“三個(gè)一”要求，使學(xué)生能夠借助建筑3D打印虛擬仿真系統(tǒng)分析理論打印效果，優(yōu)化參數(shù)配置，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)際的3D打印實(shí)驗(yàn)。通過(guò)線上線下協(xié)同和虛實(shí)結(jié)合的方式，幫助學(xué)生深刻理解打印模型構(gòu)造、混凝土材料配比、打印機(jī)械設(shè)備、混凝土攪拌和運(yùn)輸工藝、打印方法等關(guān)鍵知識(shí)。

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（責(zé)任編輯 梁遠(yuǎn)華）

基金項(xiàng)目：湖北省高等教育學(xué)會(huì)共同體建設(shè)項(xiàng)目重點(diǎn)課題（2022XD83）