融入PDCA循環(huán)模式的3D打印與逆向工程技術(shù)實(shí)踐教學(xué)改革

摘 要 在工程訓(xùn)練實(shí)踐課程體系中新建3D打印與逆向工程技術(shù)課程，將3D打印技術(shù)、三維設(shè)計(jì)技術(shù)、三維掃描技術(shù)、逆向工程技術(shù)相互交叉結(jié)合，在整個(gè)授課過程中不僅融合了創(chuàng)新設(shè)計(jì)的內(nèi)容，還融入PDCA循環(huán)模式，增強(qiáng)學(xué)生的興趣，提升了教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞 逆向工程技術(shù)；PDCA循環(huán)模式；工程訓(xùn)練；實(shí)踐教學(xué)；3D打印技術(shù)

中圖分類號(hào)：G642.44 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2024）19-0157-03

0 引言

在新工科建設(shè)背景下，高等教育人才的培養(yǎng)需要服務(wù)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型和升級(jí)，高校實(shí)踐工程訓(xùn)練相關(guān)課程應(yīng)與時(shí)俱進(jìn)，持續(xù)地改革創(chuàng)新，緊跟當(dāng)前科技發(fā)展的新方向、新理念和新方法，將新技術(shù)引入實(shí)踐課程內(nèi)容。教學(xué)改革的重點(diǎn)是知識(shí)的跨學(xué)科應(yīng)用，同時(shí)需要強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新思維的發(fā)展和培養(yǎng)，提升學(xué)生的工程實(shí)踐能力[1]。

隨著工業(yè)4.0時(shí)代的到來，“互聯(lián)網(wǎng)+”新背景下的3D打印技術(shù)與逆向工程技術(shù)成為新技術(shù)的代表，近年來發(fā)展迅速。隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展及其工業(yè)應(yīng)用的普及，國內(nèi)一些主要大學(xué)已經(jīng)將對(duì)3D打印的學(xué)習(xí)和3D打印實(shí)踐作為工程訓(xùn)練實(shí)踐教學(xué)過程中的教學(xué)內(nèi)容。然而，相關(guān)教學(xué)往往集中在3D打印工藝學(xué)習(xí)方面，缺少對(duì)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)造能力進(jìn)行鍛煉和綜合實(shí)踐運(yùn)用的機(jī)會(huì)。一些高校在3D打印技術(shù)教學(xué)中添加了三維掃描的內(nèi)容，但也只是使用掃描得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行3D打印制造加工，并沒有將掃描數(shù)據(jù)檢測(cè)環(huán)節(jié)和逆向工程技術(shù)添加到3D打印技術(shù)的教學(xué)中，更沒有創(chuàng)建全周期的PDCA循環(huán)學(xué)習(xí)系統(tǒng)[3-5]。

1 PDCA循環(huán)

PDCA循環(huán)理論是質(zhì)量管理專家Watson K等[2]提出的一種科學(xué)的質(zhì)量管理方法，包含設(shè)計(jì)、實(shí)施、驗(yàn)證和操作四個(gè)階段。PDCA循環(huán)以解決問題為導(dǎo)向，控制循環(huán)連續(xù)運(yùn)行，循環(huán)次數(shù)多，且不斷增長。PDCA循環(huán)可以科學(xué)地管理工作流程，提高連續(xù)循環(huán)的工作質(zhì)量。

PDCA循環(huán)模式在美國許多大學(xué)被78d9b14b69cb791f4fe1f0458c70e46e廣泛應(yīng)用于課堂教學(xué)。一些國內(nèi)醫(yī)學(xué)類高校在醫(yī)學(xué)和護(hù)理學(xué)實(shí)踐教學(xué)中也融入了PDCA循環(huán)模式，效果良好。但在工程實(shí)踐教學(xué)中使用PDCA循環(huán)模式的大學(xué)還很少，目前主要是用于實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量管理，較少用于教學(xué)內(nèi)容設(shè)置。將PDCA循環(huán)模式用于工程訓(xùn)練實(shí)踐教學(xué)更寥寥無幾，與3D打印技術(shù)教學(xué)相結(jié)合的幾乎沒有。

2 西安交通大學(xué)在教學(xué)改革前的狀態(tài)和進(jìn)行

教學(xué)改革后解決的主要問題

1）學(xué)校原有的工程訓(xùn)練實(shí)習(xí)各工種中既沒有3D打印工種，也沒有逆向工程技術(shù)工種。進(jìn)行教學(xué)改革后，將3D打印技術(shù)與逆向工程技術(shù)相結(jié)合的這一新工種加入工程訓(xùn)練實(shí)習(xí)，讓學(xué)生可以緊跟新時(shí)代和新技術(shù)的發(fā)展，學(xué)習(xí)并掌握現(xiàn)代加工的相關(guān)知識(shí)和技能。

2）學(xué)校原有工程訓(xùn)練實(shí)習(xí)中的教學(xué)形式和教學(xué)方法相對(duì)來說比較單一，教學(xué)的效果和質(zhì)量都有待提高。學(xué)校原有的工程訓(xùn)練實(shí)習(xí)實(shí)踐性比較強(qiáng)，實(shí)踐的時(shí)間很集中，不僅班級(jí)多，而且學(xué)生人數(shù)也多，以教師的講授、示范以及學(xué)生的模仿和操作實(shí)踐學(xué)習(xí)為主。在整個(gè)教學(xué)過程中，學(xué)生的興趣、實(shí)踐的效果和最終的實(shí)踐質(zhì)量均有待提高。經(jīng)過教學(xué)改革，在整個(gè)授課過程中首先融合創(chuàng)新設(shè)計(jì)的內(nèi)容，其次是逐層地建設(shè)融入PDCA循環(huán)模式的教學(xué)模式，在教學(xué)中通過循環(huán)反饋不斷優(yōu)化教學(xué)方法，以激發(fā)學(xué)生的興趣，同時(shí)進(jìn)一步提高實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量。

3）在學(xué)校原有的工程訓(xùn)練實(shí)踐中，學(xué)生難以理解質(zhì)量和優(yōu)化的概念。通過教學(xué)改革，在工程訓(xùn)練實(shí)踐過程中融入質(zhì)量管理學(xué)的PDCA循環(huán)模式，主要通過增加三維掃描測(cè)量和逆向工程方面的優(yōu)化內(nèi)容，幫助學(xué)生在學(xué)習(xí)新技術(shù)的同時(shí)理解質(zhì)量和優(yōu)化的概念。

4）學(xué)校原有的工程訓(xùn)練實(shí)習(xí)較少體現(xiàn)學(xué)科交叉。以多個(gè)工種的操作技能訓(xùn)練為主，各個(gè)工藝技術(shù)之間相對(duì)獨(dú)立且缺少交叉，學(xué)生所學(xué)的知識(shí)與技能存在孤立的現(xiàn)象。通過教學(xué)改革，將3D打印技術(shù)、三維設(shè)計(jì)技術(shù)、三維掃描技術(shù)和逆向工程技術(shù)相互交叉結(jié)合，融入PDCA循環(huán)模式，并將這些知識(shí)和技術(shù)交叉串聯(lián)到一起，探索并構(gòu)建出具有實(shí)用性、創(chuàng)新性和有效性的教學(xué)體系。

3 教學(xué)改革的內(nèi)容

為了適應(yīng)新工科建設(shè)的發(fā)展需求，緊跟新時(shí)代、新技術(shù)、新方法，學(xué)校在工程訓(xùn)練實(shí)習(xí)的課程體系中開設(shè)3D打印與逆向工程技術(shù)課程。

在課程建設(shè)中，從新工科人才培養(yǎng)的角度出發(fā)，注重學(xué)科知識(shí)的交叉，側(cè)重工程素養(yǎng)的培養(yǎng)，將PDCA循環(huán)模式引入工程訓(xùn)練實(shí)踐教學(xué)，分別從教學(xué)模式、教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容等方面進(jìn)行改革探索，不僅可以增強(qiáng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力，還可以提高學(xué)生的創(chuàng)新能力、質(zhì)量管理意識(shí)和工程素養(yǎng)。

具體實(shí)施內(nèi)容如下。

1）在工程訓(xùn)練的課程體系中開設(shè)3D打印與逆向工程技術(shù)課程；將3D建模設(shè)計(jì)、3D打印技術(shù)、三維掃描技術(shù)、三維測(cè)量技術(shù)、逆向工程技術(shù)相互交叉融合，培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力，如圖1所示。

2）在課程的教學(xué)準(zhǔn)備和教學(xué)實(shí)施過程中融入PDCA循環(huán)模式，包含四個(gè)階段：即教師設(shè)計(jì)實(shí)踐項(xiàng)目（Plan）—指導(dǎo)學(xué)生完成實(shí)踐內(nèi)容（Do）—考評(píng)學(xué)生實(shí)踐情況（Check）—總結(jié)經(jīng)驗(yàn)并改進(jìn)（Action）。在整個(gè)教學(xué)過程中，通過教師與學(xué)生之間的講授指導(dǎo)和反饋溝通形成閉環(huán)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)和探索，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。將這四個(gè)階段循環(huán)往復(fù)進(jìn)行，不斷建設(shè)并完善課程，不斷提高教學(xué)質(zhì)量，從而實(shí)現(xiàn)螺旋式上升。

3）在課程的實(shí)踐內(nèi)容設(shè)置中融入PDCA循環(huán)模式的教學(xué)內(nèi)容。實(shí)踐過程中，以學(xué)生為核心，學(xué)生設(shè)計(jì)作品（Plan）—打印作品（Do）—檢驗(yàn)評(píng)價(jià)作品（Check）—優(yōu)化改進(jìn)（Action）四個(gè)階段不斷循環(huán)，完善作品整體性能質(zhì)量，從而在提升學(xué)生設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力、解決工程問題能力的同時(shí)，讓學(xué)生熟悉PDCA循環(huán)的概念、模式和流程，同時(shí)從創(chuàng)新設(shè)計(jì)出發(fā)，增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力，讓學(xué)生理解質(zhì)量的概念，提升質(zhì)量管理意識(shí)。

4）在教學(xué)內(nèi)容PDCA大循環(huán)中的小環(huán)節(jié)也融合PDCA循環(huán)。以打印作品（Do）和優(yōu)化改進(jìn)（Action）階段為例。在學(xué)生實(shí)踐打印作品（Do）階段中，建立并完善該模塊的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，在實(shí)踐內(nèi)容中設(shè)置融入PDCA循環(huán)模式的教學(xué)內(nèi)容，要求學(xué)生完成設(shè)計(jì)工藝過程（Plan）—打印零件（Do）—用三維掃描儀檢測(cè)加工質(zhì)量（Check）—再設(shè)計(jì)工藝參數(shù)優(yōu)化改進(jìn)（Action）四個(gè)階段，并通過PDCA循環(huán)提高零件的加工質(zhì)量，通過不同的工藝設(shè)計(jì)（3D打印設(shè)備選擇、零件不同的擺放位置、不同擺放方向、不同的打印參數(shù)設(shè)置），進(jìn)行加工后的對(duì)比，提升學(xué)生對(duì)3D打印工藝的理解和學(xué)習(xí)。融入PDCA循環(huán)模式的打印作品（Do）階段工程訓(xùn)練流程如圖2所示。

在學(xué)生實(shí)踐優(yōu)化改進(jìn)（Action）階段中，將逆向工程技術(shù)融入該環(huán)節(jié)，要求學(xué)生完成選擇參照物及確定改進(jìn)目標(biāo)（Plan）—用三維掃描儀和逆向設(shè)計(jì)軟件對(duì)參照物進(jìn)行數(shù)模建立（Do）—檢查數(shù)模與改進(jìn)后的目標(biāo)差距（Check）—用逆向軟件改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)（Action）四個(gè)階段，在優(yōu)化產(chǎn)品的同時(shí)，完成完整的逆向工程實(shí)踐流程，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)逆向工程技術(shù)的理解和學(xué)習(xí)，如圖3所示。

5）在3D打印與逆向工程技術(shù)創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)軟硬件建設(shè)中，將教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容相結(jié)合，構(gòu)建包含創(chuàng)新設(shè)計(jì)分模塊、3D打印加工制造分模塊、三維表面掃描測(cè)量分模塊、逆向工程分模塊在內(nèi)的綜合性3D打印與逆向工程技術(shù)創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)。該平臺(tái)面向全校各專業(yè)學(xué)生開放，兼顧人才培養(yǎng)、學(xué)科建設(shè)等多元目標(biāo)，用于探索創(chuàng)新型教學(xué)機(jī)制，為學(xué)生提供更為優(yōu)良的工業(yè)實(shí)踐和創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)環(huán)境。

6）在教學(xué)內(nèi)容的建設(shè)上，讓學(xué)生獲取面向新工科的核心知識(shí)點(diǎn)：①3D打印方法分類及其工作原理、應(yīng)用特點(diǎn)；②3D打印原型設(shè)計(jì)和工藝參數(shù)影響；③3D打印材料的發(fā)展?fàn)顩r和各種材料成形技術(shù)。同時(shí)讓學(xué)生獲取其他知識(shí)點(diǎn)：①三維掃描建模過程；②三維掃描檢測(cè)不同3D打印工藝參數(shù)對(duì)成品精度的影響；③逆向工程的流程和關(guān)鍵技術(shù)、產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的方法等。

7）在面向目標(biāo)學(xué)生群體的定制化菜單中設(shè)計(jì)系列化的3D打印課程與培訓(xùn)內(nèi)容。

①針對(duì)不同學(xué)科不同專業(yè)的學(xué)生，設(shè)置不同的教學(xué)方案和課程內(nèi)容，學(xué)生可以根據(jù)專業(yè)需求選擇。例如：針對(duì)非理工科學(xué)生，進(jìn)行8學(xué)時(shí)的3D打印初階實(shí)訓(xùn)教學(xué)；針對(duì)工科學(xué)生，進(jìn)行16學(xué)時(shí)的進(jìn)階實(shí)訓(xùn)教學(xué)；針對(duì)醫(yī)學(xué)院學(xué)生，進(jìn)行與醫(yī)學(xué)交叉的3D打印實(shí)訓(xùn)教學(xué)；針對(duì)工業(yè)設(shè)計(jì)、藝術(shù)類學(xué)生，進(jìn)行8學(xué)時(shí)的藝術(shù)相關(guān)3D打印實(shí)訓(xùn)教學(xué)等。

②根據(jù)不同學(xué)習(xí)需求的學(xué)生，設(shè)置不同的教學(xué)方案和培訓(xùn)內(nèi)容供學(xué)生選擇。例如：對(duì)參加科技競賽的學(xué)生進(jìn)行針對(duì)性的3D打印加工課程訓(xùn)練；對(duì)自主實(shí)踐的學(xué)生進(jìn)行基礎(chǔ)化、細(xì)致化的3D打印加工指導(dǎo)。

4 教學(xué)改革的成效

教學(xué)改革的成效：1）顯著提高了本科生對(duì)現(xiàn)代增材制造加工技術(shù)的理解和掌握；2）顯著增強(qiáng)了學(xué)生的工程設(shè)計(jì)能力；3）有效培養(yǎng)了學(xué)生的逆向工程思維和逆向工程設(shè)計(jì)能力；4）激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新性思維和創(chuàng)新能力；5）強(qiáng)化了學(xué)生的質(zhì)量意識(shí)和質(zhì)量觀念；6）增強(qiáng)了學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐和團(tuán)隊(duì)合作能力。

從項(xiàng)目組教師在教學(xué)過程中的感受、對(duì)學(xué)生的問卷調(diào)查和學(xué)生的反映來看，該教學(xué)改革所采用的教學(xué)模式和教學(xué)內(nèi)容都取得了顯著的效果，達(dá)到了預(yù)設(shè)的教學(xué)目的，學(xué)生對(duì)教學(xué)效果滿意度高。

5 參考文獻(xiàn)

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DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2024.19.157

*項(xiàng)目來源：教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目“新工科背景下3D打印與逆向工程技術(shù)課程改革”（項(xiàng)目編號(hào)：2209044692204

23）；西安交通大學(xué)2022年本科教學(xué)改革研究項(xiàng)目“面向前沿探究的工程訓(xùn)練實(shí)踐課程知識(shí)圖譜構(gòu)建及應(yīng)用”（項(xiàng)目編號(hào)：22WL09Y）。

作者簡介：邵敏、沈瑤，工程師；武通海，博士，教授；栗茂林，博士，高級(jí)工程師。