朱妍妍, 李忠新, 呂唯唯

(北京理工大學(xué) 機械與車輛學(xué)院, 北京 100081)

基于3D打印技術(shù)的開放實驗教學(xué)模式探索與實踐

朱妍妍, 李忠新, 呂唯唯

(北京理工大學(xué) 機械與車輛學(xué)院, 北京 100081)

探索了基于3D打印技術(shù)開放實驗教學(xué)模式,規(guī)劃了課程體系、運行機制,分別從課程實驗、實驗選修課、科技創(chuàng)新幾類開放模式下實踐,反響良好。以3D打印教學(xué)資源為基礎(chǔ),開展開放實驗教學(xué)建設(shè),有效地推動實驗室建設(shè)與實驗教學(xué)改革,對實驗中心后續(xù)全面開展開放實驗教學(xué)具有一定的借鑒作用。

3D打印技術(shù)； 開放實驗； 教學(xué)模式

開放式實驗教學(xué)是高校實驗教學(xué)改革創(chuàng)新的重要途徑,也是傳統(tǒng)授課和自主學(xué)習(xí)的巧妙結(jié)合。隨著個體行為的增加和流動性的增強,學(xué)生想自由地安排學(xué)習(xí)方式的意愿愈發(fā)強烈,開放式實驗教學(xué)應(yīng)運而生[1-3]。依托學(xué)生天馬行空的思維與新鮮奇特的想法,充分發(fā)揮其主觀能動性,聚焦于想嘗試的實驗內(nèi)容,按需選擇儀器設(shè)備,獨立思考設(shè)計實驗方案,自由展開實驗,在這個過程中,主動權(quán)交付于學(xué)生之手,教師只起到從旁指導(dǎo)的作用[4-5]。與傳統(tǒng)模式下固定時間、固定實驗內(nèi)容的實驗教學(xué)相比,開放式實驗教學(xué)更能突出學(xué)生的個性發(fā)展,有利于充分地激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)造的熱情。我校地面機動裝備實驗教學(xué)中心發(fā)揮國家級實驗教學(xué)示范中心的輻射作用,以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計能力為出發(fā)點,整合實驗室現(xiàn)有教學(xué)資源創(chuàng)造開放實驗條件,構(gòu)建出柔性開放的實驗環(huán)境。以3D打印技術(shù)實驗教學(xué)為例,探索開放課程體系及運行機制,在教學(xué)大綱內(nèi)課程實驗、課外實驗選修課、科技創(chuàng)新活動幾類模式下展開實踐,卓有成效。

1 開放課程體系

課程體系是實現(xiàn)培養(yǎng)目標的載體,是保障和提高教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵[6]。3D打印技術(shù)實驗開放的對象是全校本科生,覆蓋機類、近機類、非機類學(xué)生,各學(xué)生群體專業(yè)不同、興趣不同,教師須因材施教。3D打印開放課程體系建立在3D打印技術(shù)創(chuàng)新訓(xùn)練教學(xué)資源庫基礎(chǔ)之上,資源庫儲備一系列典型、實用、難度階梯化的3D打印教學(xué)案例。教學(xué)案例適當?shù)囟鄬W(xué)科交叉、多層次實驗項目結(jié)合,明確設(shè)計方案、技術(shù)要點、創(chuàng)新點等,落實到具體實驗項目上,綜合考慮不同年級、不同專業(yè)實驗對象的特點,設(shè)計模塊化、梯度化內(nèi)容,滿足不同層次或要求的教學(xué)環(huán)節(jié),并編制實驗大綱、實驗指導(dǎo)書、實驗報告等教學(xué)文檔。

目前3D打印的實驗項目類型分為：

(1) 演示型實驗。此類實驗依賴教師課前準備,將已建好的模型導(dǎo)入切片軟件中,為學(xué)生講解切片原理,介紹切片相關(guān)參數(shù),實驗過程中學(xué)生直觀觀察打印制作過程,獲得基本認知。

(2) 綜合型實驗。此類實驗要求學(xué)生學(xué)習(xí)三維造型,在熟悉切片基礎(chǔ)上,需要分析高/標準/低精度的切片參數(shù)設(shè)置對于打印效果的影響,探索優(yōu)化打印質(zhì)量的技巧,完成實物制作并進行誤差分析，進而反饋改進建模。從實驗內(nèi)容上,分為一體件和組合件。一體件通常指單一零件的作品,覆蓋范圍較廣,如卡通玩偶、指環(huán)等。組合件由2個或2個以上零件裝配而成,如工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)動機、減速器、軸承等,個性化玩具禮品中鑰匙鏈、眼鏡等。組合件要求在三維造型軟件中仿真運動,分析結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性。多數(shù)組合件是零件分開制作,再經(jīng)后處理手工裝配完成,而3D打印在制作工藝方面有其獨特的優(yōu)越性,某些裝配體由于結(jié)構(gòu)上的特點,3D打印技術(shù)可整體實現(xiàn)一次成型,因此三維模型須針對性地制訂合理的實驗方案。

(3) 創(chuàng)新型實驗。此類實驗注重綜合能力的提升,要求學(xué)生圍繞趣味主題展開設(shè)計與制作。經(jīng)過前幾個階段的訓(xùn)練,學(xué)生理解增材制造理念,對3D打印工藝特點有了深入認識,結(jié)合三維造型將天馬行空的想法變成真實的實物。

考核環(huán)節(jié)是課程體系的重要一項,貫穿于整個教學(xué)活動中,調(diào)控著教學(xué)活動。3D打印開放實驗考核采取三合一模式,實驗設(shè)計方案占25%,實驗過程表現(xiàn)占35%,實驗總結(jié)報告占40%。根據(jù)開放模式比例略有調(diào)整,兼顧作品難度系數(shù)、個人或團隊完成情況,以學(xué)生自評、互評、教師評價多形式結(jié)合,納入實驗過程表現(xiàn)考核中,使課程體系更具系統(tǒng)性、互動性。

一門實驗課程的結(jié)束并不意味著學(xué)習(xí)行為的終止,開放模式培養(yǎng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的習(xí)慣,后續(xù)在交流平臺中繼續(xù)分享經(jīng)驗和資源。3D開放課程體系突出以學(xué)生為中心培養(yǎng)創(chuàng)新人才的理念,采取多樣化教學(xué)方法和手段,靈活建構(gòu)、動態(tài)生成知識,使學(xué)生融會貫通所學(xué),激發(fā)出潛力和創(chuàng)造性。

2 開放運行機制

3D打印實驗實現(xiàn)時間、場地、實驗內(nèi)容3個維度的開放：時間上,工作日固定課程定時開放,周末提前預(yù)約,靈活開放；場地上,各類型實驗室及儀器設(shè)備整體開放,最大限度受益于學(xué)生；內(nèi)容上,以教學(xué)實驗個性化定制為主,不局限于教學(xué)大綱[7-8]。開放架構(gòu)見圖1。

圖1 3D打印開放實驗架構(gòu)圖

實驗對象可以是班級集體、感興趣的個人或志趣相投的小團隊。對感興趣的個人注重個性化培養(yǎng),強調(diào)主動參與及自我啟發(fā)、多元化理解；對團體參與的學(xué)生則鼓勵交流合作,促進互動,能力全面提升。

目前的開放模式有課程實驗、實驗選修課、科技創(chuàng)新活動幾類,實現(xiàn)了理論課程結(jié)合實驗課程、課內(nèi)課外的聯(lián)動。課程實驗定位于教學(xué)大綱要求的實驗,班級集中參與實驗,注重培養(yǎng)觀察能力,建立專業(yè)認知關(guān)注學(xué)習(xí)感受；實驗選修課鼓勵探究知識,激發(fā)學(xué)生的興趣,適合學(xué)生的需求,一般課內(nèi)要求完成32學(xué)時的課程,個人或團隊提交實物作業(yè)及總結(jié)報告[9]；科技創(chuàng)新活動則更關(guān)注應(yīng)用,面向備戰(zhàn)競賽或創(chuàng)新活動的團隊,開展定制化的課程訓(xùn)練,激發(fā)個性特長,體現(xiàn)學(xué)生參與實驗教學(xué)的主體性[10-11]。幾類開放模式有著交叉融合的學(xué)習(xí)目標,從認知感知、綜合應(yīng)用到創(chuàng)新提高,內(nèi)容、層次逐步上升,培養(yǎng)學(xué)生對知識的靈活駕馭能力。

實驗中心按需開發(fā)了網(wǎng)上預(yù)約管理平臺,將實驗項目介紹、約課方式、考核評價等功能全方位納入,使開展實驗的對象、時間、場地等要素線上線下有機統(tǒng)一。然而面對實驗要素的不確定、學(xué)生個性化的教學(xué)要求,教師管理難度加大,重復(fù)勞動增多,引起教學(xué)工作量大增,因而還需要進一步探索更有效的開放實驗長效運行機制。

3 開放實驗教學(xué)成效

3.1 課程實驗

機械與車輛學(xué)院將3D打印實驗推廣到機械類專業(yè)學(xué)生中,例如“精密制造工學(xué)基礎(chǔ)”課程實驗以制造工藝為主線,介紹機械領(lǐng)域前沿發(fā)展趨勢,拓寬學(xué)生對物體成型方式的認知,系統(tǒng)地了解減材、受壓、增材等成型方式,熟悉制造工藝特點,拓寬眼界。

學(xué)期中,機械類專業(yè)各班級理論授課進度不盡相同,加之學(xué)生個性化的學(xué)習(xí)需求,剛剛接觸了專業(yè)課的學(xué)生處于摩拳擦掌卻又相對懵懂的階段,實驗熱情較高。過去,一般教師會在實驗前把實驗細節(jié)以實驗指導(dǎo)書、課件等形式直接塞給學(xué)生,客觀上使很多學(xué)生做實驗時會習(xí)慣性地依賴教師。而開放模式下,實驗指導(dǎo)教師改變傳統(tǒng)的“教師說學(xué)生做”的形式,采用激發(fā)學(xué)生興趣的實驗項目,實驗過程互動交流,更容易獲得良好的實驗教學(xué)效果。

在3D打印實驗中,三維模型切片處理是一個很重要的環(huán)節(jié),造型軟件創(chuàng)建的模型經(jīng)過切片處理,才能將數(shù)據(jù)輸入到打印機中。指導(dǎo)教師針對多樣化的模型,指導(dǎo)學(xué)生自主調(diào)節(jié)如切片的層高、熔融溫度、放置角度、噴嘴移動速度等參數(shù),在虛擬環(huán)境下預(yù)覽輸出結(jié)果,對噴嘴的行走軌跡、模型結(jié)構(gòu)特點一目了然,從而綜合評價設(shè)計,及時反饋改進建模方案。實驗過程更多地以學(xué)生為中心開展,操作主動權(quán)回歸學(xué)生手中,潛移默化下促進其主動探索,優(yōu)化模型,實現(xiàn)有效學(xué)習(xí),為其在專業(yè)領(lǐng)域的產(chǎn)品設(shè)計奠定基礎(chǔ)。

3.2 實驗選修課

為了拓寬開放領(lǐng)域,利用3D打印技術(shù)開設(shè)了“實用藝術(shù)品創(chuàng)意設(shè)計與制作”校級選修課,進行開放式學(xué)習(xí)。本課程涵蓋了藝術(shù)品創(chuàng)新設(shè)計基礎(chǔ)理論及加工手段簡述、基礎(chǔ)三維造型設(shè)計實驗、加工工藝分析、實用藝術(shù)品創(chuàng)意設(shè)計綜合實驗等階段。在第一節(jié)課中,教師集中講授理論內(nèi)容及相關(guān)事項,之后的每次實驗采取預(yù)約機制,學(xué)生可以充分利用零散的課后時間走進實驗室,充分調(diào)動其自主性和積極性。

終極考核階段,教師設(shè)定多實驗課題發(fā)布給學(xué)生,學(xué)生可就其感興趣的內(nèi)容選擇,完成方案設(shè)計、實驗實施、結(jié)果分析、撰寫報告等環(huán)節(jié),教師就方案可行性與學(xué)生探討并從旁引導(dǎo),通過階段性的信息反饋,了解不同環(huán)節(jié)學(xué)生工作進展、工作方法及存在問題,呈現(xiàn)出開放實驗所帶來的“另類”課堂效果,切實獲得高品質(zhì)的學(xué)習(xí)效果,謀求創(chuàng)新思想、方法教育與動手實踐相結(jié)合,學(xué)生不光有知識層面的收獲,執(zhí)行力及交流合作能力也提高不少。

圖2 實驗選修課學(xué)生作品

基于實驗選修課的開放模式突出個性化教學(xué),以興趣為導(dǎo)向,學(xué)生利用可視化三維軟件進行造型設(shè)計、3D打印機實現(xiàn)加工制作,有效地解決產(chǎn)品制作過程出現(xiàn)的問題,在不斷地優(yōu)化成品的摸索中也提高了分析問題及解決問題的能力,最大限度地發(fā)揮學(xué)生實踐主體作用和自主學(xué)習(xí)性。

3.3 科技創(chuàng)新

科技創(chuàng)新能力的訓(xùn)練是對學(xué)生綜合能力的鍛煉?？萍紕?chuàng)新活動多以競賽形式開展,以學(xué)生所在學(xué)科為背景,通過開展自主式學(xué)習(xí)與頭腦風暴,使其完成作品設(shè)計制作的任務(wù)。結(jié)合國際大學(xué)生3D打印機設(shè)計大賽、機械產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計大賽、北京市“實培計劃”暑期集訓(xùn)等科技創(chuàng)新活動,實踐開放模式。

3D打印技術(shù)有按需定制的優(yōu)點,使復(fù)雜結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品快速成型成為可能,使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計制造的一體化趨勢顯現(xiàn)[12-13]。將3D打印技術(shù)引入科技創(chuàng)新訓(xùn)練實戰(zhàn)中,針對科技創(chuàng)新多樣化特點,整合實驗教學(xué)內(nèi)容,為學(xué)生定制模塊化訓(xùn)練項目,階段性考核合格后,再完成科技作品的方案設(shè)計、制作與調(diào)試。實驗室開放加大力度,集中備賽期間全天候開放,學(xué)生在開放環(huán)境中有更大的自由度,跳躍的思維更容易迸發(fā)出創(chuàng)造性的想法。以項目訓(xùn)練為基石、科技創(chuàng)新活動為導(dǎo)向的開放模式培養(yǎng)了大學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計思維及實踐動手能力,順應(yīng)了產(chǎn)業(yè)界對人才培養(yǎng)的要求。

圖3(a)是國際大學(xué)生3D打印機設(shè)計大賽的作品,學(xué)生通過查閱大量資料,設(shè)計3D打印機結(jié)構(gòu)方案,確定各零件的選材及功用。鋁合金型材連接件是一個難點,學(xué)生在詳細了解傳統(tǒng)機加工、鑄造等工藝與增材制造的特點后,制訂了3D打印的制作方案。連接件結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,在制作過程中一旦發(fā)現(xiàn)問題及時調(diào)理設(shè)計方案,幾經(jīng)改進后,最后的實物成品既滿足了功能性需求,也保證了強度要求。3D打印技術(shù)大大縮短了參賽作品整體的研制周期及制作成本。

圖3(b)是2016年北京市 “雙培計劃”中“大學(xué)生機電綜合實踐與創(chuàng)新項目——北京學(xué)院”暑期集訓(xùn)活動作品，來自北京工業(yè)大學(xué)和北方工業(yè)大學(xué)的學(xué)生在我實驗教學(xué)中心,根據(jù)柔性制造系統(tǒng)的理念設(shè)計并制作物料裝箱與運載系統(tǒng),包含物料傳送、裝車、轉(zhuǎn)運等過程。學(xué)生運用3D打印技術(shù)制作傳動齒輪、伺服電機輸出頭、機械手爪等,組裝好的機械臂轉(zhuǎn)動一定角度夾取物料送至運貨小車,完成拾取和轉(zhuǎn)運動作。

圖3 科技創(chuàng)新中的應(yīng)用

4 結(jié)語

以3D打印技術(shù)作為基石,構(gòu)建了開放式實驗課程體系、運行機制,試點個性化教育,針對不同對象探索了基于課程實驗、選修課、科技創(chuàng)新活動的開放模式,鼓勵學(xué)生體驗并融入到實驗教學(xué)活動中,激發(fā)了學(xué)生主動學(xué)習(xí)的意識,培養(yǎng)了創(chuàng)新精神,提高了實踐能力,同時也推動了實驗教學(xué)的改革與創(chuàng)新。

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Exploration and practice of open experimental teaching mode based on 3D printing technology

Zhu Yanyan, Li Zhongxin, Lü Weiwei

(School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China)

The open experimental teaching mode based on 3D printing technology is explored,and the curriculum system and the operational mechanism are designed. The practice runs well under the open mode for the course experiment,the experimental elective course,and the science and technology innovation,and the good response is received. Based on 3D printing teaching resources,the construction of open experimental teaching is carried out,which effectively promotes the laboratory construction and the experimental teaching reform,having certain references for the experimental center to carry out the future open experimental teaching in an all-round way.

3D printing technology； open experiment； teaching mode

10.16791/j.cnki.sjg.2017.07.050

2016-12-30

教育部2016年第二批產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目(201602032001)；北京理工大學(xué)實驗室研究項目(2014BITSYC01)

朱妍妍(1991—),女,江蘇徐州,碩士,助理實驗師,主要從事實驗教學(xué).

E-mail：zhyy2913@bit.edu.cn

TP399；G642.0

B

1002-4956(2017)07-0192-04