吳文征 孫慧超 郭金雨

（吉林大學(xué)機械與航空航天工程學(xué)院 吉林·長春 130022）

0 引言

目前，國家實施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展、“中國制造2025”、“互聯(lián)網(wǎng)+”、“一帶一路”等重大戰(zhàn)略，以新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新產(chǎn)業(yè)為特點的新經(jīng)濟蓬勃發(fā)展，要求工程科技人才具備更高的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力和跨界整合能力，從而加快新工科建設(shè)，助力經(jīng)濟轉(zhuǎn)型升級。[1]而3D 打印技術(shù)作為新一代工業(yè)革命下新興的革新性技術(shù)，對學(xué)生的創(chuàng)新思維激發(fā)和培養(yǎng)，以及知識跨界整合能力都提出了新的要求，符合新工科背景下工程技術(shù)人才的培養(yǎng)目標。因此，開展“3D 打印技術(shù)”課程教學(xué)改革具有重要意義。

1 理論課程教學(xué)模式改革

現(xiàn)階段，根據(jù)傳統(tǒng)的人才培養(yǎng)目標所設(shè)計的高等教育人才培養(yǎng)模式，尤其是在工程教育領(lǐng)域，多以課堂大班教學(xué)模式為載體，以教師知識講解為主體，進行學(xué)生自由吸收-課后作業(yè)鞏固-結(jié)課理論知識考核這一培養(yǎng)路線。[2]這樣的傳統(tǒng)模式導(dǎo)致的問題首先在于學(xué)生知識的理解吸收淺顯的存在于理論認知層面，與實際結(jié)合乃至創(chuàng)新創(chuàng)造方面的知識運用缺乏培養(yǎng)與開發(fā)；其次，盡管有些教學(xué)課程設(shè)置有實驗課程，但是對于一些新知識體系，這種課堂教學(xué)與實踐分開進行的培養(yǎng)模式不能達到很好的培養(yǎng)效果，學(xué)生在這種培養(yǎng)模式下會出現(xiàn)知識接收運用的斷層現(xiàn)象，不能達到提高學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)造能力的培養(yǎng)目標。而在新工科背景下，特別是新興技術(shù)-智能制造時代的到來，要求工程技術(shù)人才具有較高的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，同時具有良好的學(xué)科交叉能力，并具備主動創(chuàng)新的動力與積極性。而傳統(tǒng)的工程教育培養(yǎng)模式則明顯不能實現(xiàn)新的人才培養(yǎng)目標。

本文以新一代工業(yè)革命的核心技術(shù)——3D打印技術(shù)為課程設(shè)置，以實施科-教結(jié)合的形式對傳統(tǒng)教學(xué)模式進行改革。3D打印技術(shù)作為一項新興技術(shù)，其在智能精密制造、先進制造、生物醫(yī)學(xué)、航空航天等相關(guān)領(lǐng)域的研究與應(yīng)用具有廣闊的前景，進行該項課程的教學(xué)與指導(dǎo)，可以提升工程技術(shù)領(lǐng)域相關(guān)人才的創(chuàng)新能力，實踐動手能力，學(xué)科交叉貫通能力，因此，實現(xiàn)“3D打印技術(shù)”課程的高效教學(xué)具有重要意義。[3]

首先，作為一門新興課程，3D 打印本身所具有的新知識、新工藝、新特性，需要學(xué)生有一定的了解，可以制定課前理論知識預(yù)習(xí)任務(wù)，讓學(xué)生在課前對于該技術(shù)有初步的背景了解與認知；其次，不同于傳統(tǒng)的教師知識灌輸，學(xué)生被動接受的模式，科-教結(jié)合的教學(xué)模式下，在學(xué)生課前預(yù)習(xí)理論知識介紹部分的基礎(chǔ)上，教師可以直接進行難點疑點答疑式的指導(dǎo)，從而讓學(xué)生在理論課堂上占據(jù)主動，提高教學(xué)質(zhì)量與效率；在課堂中，為了充分利用學(xué)生的感官，調(diào)動其學(xué)習(xí)興趣，提高專注度，應(yīng)該進行多元化知識傳遞模式，以文字簡介為基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)及其可視化圖表為理論依據(jù)，音視頻多媒體教案為知識形象化展示，充分調(diào)動學(xué)生積極性，減少乃至消除課堂的低效時間；在理論知識講解課堂的最后5 分鐘，設(shè)置問題問答環(huán)節(jié)，對有問題、有想法的學(xué)生進行針對性的指導(dǎo)，為鼓勵學(xué)生發(fā)言，可按問題的創(chuàng)新性將學(xué)生的提問計入本課程總成績；理論課課后作業(yè)的布置以開放式作業(yè)為宗旨，針對3D 打印技術(shù)的工藝、材料、原理、應(yīng)用等各個方面進行拓展，讓學(xué)生自選角度提出自己的想法或觀點，同時預(yù)習(xí)下一節(jié)課的理論背景，為新課程的理論教學(xué)環(huán)節(jié)做好鋪墊，循序漸進。

以上科-教結(jié)合的教學(xué)方法改革，改革措施均是以契合新工科背景下對人才能力的需求為目標進行設(shè)置的。通過理論教學(xué)課程改革之后，能明顯提高學(xué)生的上課積極性與課程參與度，極大減少課堂的低效時間，教學(xué)課程環(huán)節(jié)環(huán)環(huán)相扣，始終保持學(xué)生的主動性與學(xué)習(xí)熱情，保證培養(yǎng)質(zhì)量，使得學(xué)生自覺學(xué)習(xí)，主動求知，在此過程中，使學(xué)生的信息檢索能力，新事物學(xué)習(xí)掌握能力與自主思考能力得到良好的培養(yǎng)。

2 實驗實踐課程設(shè)置

3D打印技術(shù)是一門集機械、材料、自動化控制為一體的學(xué)科交叉型新興技術(shù)，是新工科形勢下的技術(shù)大趨勢，要求工程技術(shù)人才具有良好的實踐創(chuàng)新能力和學(xué)科交叉整合能力，這對傳統(tǒng)的工程教育模式提出了新要求。為此，針對原有的理論教學(xué)課程模式，實驗課實踐教學(xué)模式，提出了科-教結(jié)合的教學(xué)模式與方法的改革措施。[4]在理論教學(xué)課程進行的同時，穿插進行實驗實踐課程，并且理論教學(xué)課程在需要的時候，可以轉(zhuǎn)移到實驗室進行，讓學(xué)生現(xiàn)學(xué)現(xiàn)用，從抽象知識概念到形象設(shè)備結(jié)構(gòu)有一個全方位的認知與思考。

隨著理論課程的深入，為開拓學(xué)生的自主思考能力與創(chuàng)新能力，及時設(shè)置設(shè)備改進優(yōu)化實踐課程，跟進理論教學(xué)的進度，學(xué)生通過學(xué)習(xí)理論課堂上抽象的理論知識，進行自主思考、自主創(chuàng)新，在指導(dǎo)教師的指引下進行設(shè)備的改進優(yōu)化。結(jié)合現(xiàn)階段3D 打印技術(shù)所存在的問題，從打印材料、打印工藝、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、打印精度提升、打印速度控制、打印成本控制等多角度進行設(shè)備的改進優(yōu)化。在此過程中，讓學(xué)生理論聯(lián)系實踐，進一步培養(yǎng)其知識的運用能力與思考拓展能力。這種科-教結(jié)合模式的教學(xué)模式改革，摒棄掉本科教學(xué)培養(yǎng)模式與研究生教學(xué)培養(yǎng)的界限，解決了教育斷層的問題，從本科階段開始對學(xué)生進行科研思考與科研實踐的培養(yǎng)。

在進行3D 打印技術(shù)的原理背景介紹學(xué)習(xí)及深入設(shè)備工藝優(yōu)化課程之后，為達到學(xué)以致用、快速學(xué)習(xí)新事物并加以運用的培養(yǎng)目標，針對不同工藝的3D 打印技術(shù)，開設(shè)應(yīng)用實踐課程。本課程要求學(xué)生自主思考，自主檢索信息，在老師的指引下思考各種工藝3D 打印技術(shù)在各個領(lǐng)域的應(yīng)用，并指出應(yīng)用在現(xiàn)階段存在的問題以及未來的可行性分析。以學(xué)生設(shè)計方案、進行方案分析為主，導(dǎo)師評審與答疑為輔。讓學(xué)生活學(xué)活用，認知熟悉從知識背景到設(shè)備組裝，再到設(shè)計優(yōu)化乃至應(yīng)用實踐的整個環(huán)節(jié)。

通過實踐課程的設(shè)置，實現(xiàn)科-教結(jié)合的科學(xué)指導(dǎo)環(huán)節(jié)，結(jié)合穿插進行的理論教學(xué)環(huán)節(jié)，實現(xiàn)從理論知識講解到科學(xué)優(yōu)化探究，再到實踐應(yīng)用的全方位、全周期培養(yǎng)，通過改革之后的科-教結(jié)合培養(yǎng)模式，使得對學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。信息檢索能力、科學(xué)探究能力、自主創(chuàng)新能力等諸多方面有了全方位的培養(yǎng)。通過對學(xué)生的設(shè)計方案，方案分析與問題闡述等過程的分析，能明顯反映出學(xué)生自主研究、自主學(xué)習(xí)能力的提升，方案創(chuàng)新多樣且可行，該種科-教結(jié)合模式的教學(xué)模式改革具有良好的培養(yǎng)效果。

3 課后方案設(shè)計任務(wù)設(shè)置

在課堂教學(xué)的同時，應(yīng)當注重學(xué)生課余時間的利用，從而進一步培養(yǎng)其自主創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、自主思考的能力。要以興趣激發(fā)為導(dǎo)向，動力激發(fā)為手段，布置開放性的設(shè)計任務(wù)，鞏固學(xué)生課堂上所學(xué)所思，并在整個過程中讓學(xué)生獨立思考，運用所學(xué)所思進行對任務(wù)進行分析、設(shè)計和完善，達到知識的融會貫通、學(xué)以致用，以符合新工科背景下的工程技術(shù)人才的能力需求。

新工科背景下，要求工程技術(shù)人才能快速學(xué)習(xí)新事物并學(xué)以致用，并具備解決問題、自主創(chuàng)新的能力。因此，工程技術(shù)人才的培養(yǎng)模式必須具備科-教結(jié)合的特征。結(jié)合之前的培養(yǎng)模式改革方案，設(shè)置針對性的課后設(shè)計任務(wù)，以充分發(fā)揮學(xué)生的自主能動性，從3D 打印技術(shù)課程出發(fā)，設(shè)置機構(gòu)、工藝、材料、原理四個方向，結(jié)合高效性、低成本、可靠性、高精度四個要求，布置設(shè)計優(yōu)化任務(wù)，要求學(xué)生提交設(shè)計圖紙，原理說明，優(yōu)化結(jié)果數(shù)據(jù)可視化對比以及原創(chuàng)性說明，以保證設(shè)計任務(wù)的質(zhì)量和培養(yǎng)質(zhì)量。在此過程中，潛移默化地培養(yǎng)學(xué)生的興趣和創(chuàng)新動力，以達到培養(yǎng)目標的需求。

4 結(jié)語

通過科-教結(jié)合下教學(xué)模式與方法改革，針對“3D 打印技術(shù)”課程進行了教學(xué)模式與方法的革新。從理論教學(xué)課堂環(huán)節(jié)進行改革，增設(shè)實踐實驗環(huán)節(jié)，增設(shè)課后方案設(shè)計任務(wù)，從課前、課上到課后，充分調(diào)動學(xué)生的自主學(xué)習(xí)、自主創(chuàng)新積極性，從以往的教師為主體，學(xué)生參與的灌輸式教學(xué)，改革為以學(xué)生自主學(xué)習(xí)，自主創(chuàng)新為主體，教師輔導(dǎo)的科-教結(jié)合式高效培養(yǎng)模式。激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)其信息檢索能力、自主創(chuàng)新能力、跨學(xué)科知識融合整合能力，拓展學(xué)生國際視野，提高學(xué)生思想層次，建立新工科背景與人才需求下的全方位培養(yǎng)模式，實現(xiàn)實踐創(chuàng)新能力強、具備國際競爭力、符合當代國家與社會發(fā)展需求的高素質(zhì)復(fù)合型新工科人才的培養(yǎng)。