閆凱波 陸思思 陳仁祥 余騰偉

(重慶交通大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院 重慶 400074)

3D 打印是相對(duì)傳統(tǒng)制造技術(shù)的一次重大技術(shù)革命，實(shí)現(xiàn)了對(duì)減材制造、等材制造等傳統(tǒng)制造技術(shù)的革新，可為制造業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展注入新鮮動(dòng)力[1]，該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航空航天、生物醫(yī)學(xué)、藝術(shù)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。3D打印技術(shù)正在改變?nèi)祟惖纳罘绞?，并且有效推?dòng)了相關(guān)領(lǐng)域制造技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，其增材制造方式對(duì)早日實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和等目標(biāo)具有重要意義。因此，3D打印技術(shù)已成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)。近日，科技部發(fā)布了“十四五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“增材制造與激光制造”重點(diǎn)專項(xiàng)項(xiàng)目指南，其中功能化活性心肌組織增材制造、激光粉末床熔融增材制造在線監(jiān)控與質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)、增材制造構(gòu)件長(zhǎng)壽命服役行為表征與調(diào)控關(guān)鍵技術(shù)等前沿研究?jī)?nèi)容均包含在項(xiàng)目指南中，上述研究的順利開展需依托3D 打印技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，為此，需培養(yǎng)大量具備3D 打印基礎(chǔ)知識(shí)的高素質(zhì)專業(yè)人才。然而，目前國(guó)內(nèi)3D 打印技術(shù)方面的人才匱乏，人才培養(yǎng)機(jī)制落后，嚴(yán)重阻礙了該項(xiàng)技術(shù)的推廣應(yīng)用及持續(xù)進(jìn)步[2]。為推動(dòng)3D 打印技術(shù)的快速發(fā)展，適應(yīng)制造技術(shù)的不斷革新，各大高校相繼開設(shè)了3D打印技術(shù)方面的課程，其內(nèi)容通常涵蓋3D打印技術(shù)基礎(chǔ)、3D打印技術(shù)分類與原理、3D打印與3D建模、3D打印后處理技術(shù)等基本知識(shí)。此外，為支撐“中國(guó)制造2025”“互聯(lián)網(wǎng)+”“一帶一路”等重大國(guó)家戰(zhàn)略，教育部積極推進(jìn)“新工科”建設(shè)，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(jì)轉(zhuǎn)型升級(jí)，培養(yǎng)實(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)、具備國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的高素質(zhì)復(fù)合型“新工科”人才。3D 打印技術(shù)作為機(jī)械、材料、計(jì)算機(jī)科學(xué)等多學(xué)科交叉融合的技術(shù)，與新工科理念不謀而合，成為新工科背景下高校智能制造相關(guān)專業(yè)的教學(xué)熱點(diǎn)[3]。在3D打印技術(shù)類課程教學(xué)過(guò)程中，應(yīng)注重完善3D打印教育、科研創(chuàng)新，培養(yǎng)滿足市場(chǎng)和科研需求的專業(yè)技術(shù)人才，使學(xué)生在未來(lái)升學(xué)、就業(yè)、創(chuàng)業(yè)和發(fā)展過(guò)程中具備更全面的素質(zhì)和能力[4]。如何把3D 打印技術(shù)與復(fù)合型“新工科”人才培養(yǎng)有機(jī)融合，促進(jìn)課堂教學(xué)與課外實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新能力，是目前亟待解決的問(wèn)題。該文針對(duì)3D 打印技術(shù)與應(yīng)用課程的教學(xué)形式及教學(xué)內(nèi)容所面臨的問(wèn)題，探討更為有效的教學(xué)手段和應(yīng)對(duì)策略，為培養(yǎng)智能制造領(lǐng)域高素質(zhì)應(yīng)用型人才拓寬思路。

1 當(dāng)前存在的問(wèn)題分析

1.1 教學(xué)方式單一

3D 打印技術(shù)與應(yīng)用課程屬于理論和實(shí)踐性兼具的教學(xué)課程。理論教學(xué)中，由于缺乏零件實(shí)物，教師無(wú)法進(jìn)行全過(guò)程示范演示，學(xué)生無(wú)法對(duì)零件的結(jié)構(gòu)和組成產(chǎn)生直觀認(rèn)知，難以掌握3D打印具體操作方法及流程，間接導(dǎo)致學(xué)生在后續(xù)的課程實(shí)踐中動(dòng)手能力較差。在進(jìn)行不同3D打印技術(shù)和原理講解時(shí)，單純依靠設(shè)備圖，學(xué)生缺少對(duì)設(shè)備細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)、成型動(dòng)作過(guò)程的直觀認(rèn)知，難以掌握不同3D 打印方法的基本原理，導(dǎo)致學(xué)習(xí)效果大打折扣。雖然教學(xué)過(guò)程中借助多媒體設(shè)備，但教學(xué)形式通常是以教師為中心的灌輸式、填鴨式教學(xué)，學(xué)生參與度較低，課堂效率低下，學(xué)生和教師之間難以建立有效的溝通模式。

實(shí)踐教學(xué)中，受實(shí)驗(yàn)條件限制，往往只能開展成本相對(duì)較低的熔融堆積成型實(shí)踐，且學(xué)生以小組形式開展實(shí)踐學(xué)習(xí)，難以確保學(xué)生能夠掌握多種3D打印成型方法及原理，無(wú)法調(diào)動(dòng)所有同學(xué)的主觀能動(dòng)性，部分小組僅有極少一部分成員真正參與到實(shí)踐中來(lái)，大多成員只是機(jī)械式地參觀記錄，全程無(wú)主動(dòng)式的提問(wèn)和交流，實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)報(bào)告質(zhì)量較低，沒有過(guò)多地自主設(shè)計(jì)、研究創(chuàng)新過(guò)程，不利于學(xué)生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)?？傊?dāng)前教學(xué)形式單一，難以滿足“新工科”人才培養(yǎng)需求，教學(xué)手段亟待更新[5]。

1.2 教學(xué)內(nèi)容滯后

3D 打印技術(shù)與應(yīng)用課程講授內(nèi)容主要依賴于教材編寫情況，然而，市面上的普通書籍大多是簡(jiǎn)單科普型，專業(yè)書籍更多的是面向研究生的培養(yǎng)，其理論深度和實(shí)踐操作復(fù)雜度更強(qiáng)。能詳細(xì)涵蓋3D打印材料、成型原理、成型技術(shù)及成型設(shè)備，適合本科生教學(xué)的書籍較少。此外，隨著3D 打印技術(shù)的快速發(fā)展，該技術(shù)已經(jīng)被廣泛用于人們的生產(chǎn)生活領(lǐng)域，技術(shù)革新速度較快，現(xiàn)有書籍對(duì)相關(guān)領(lǐng)域的前沿技術(shù)未能及時(shí)補(bǔ)充，特別是部分教材仍停留在快速成型技術(shù)介紹階段，與當(dāng)前的3D打印技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀嚴(yán)重脫節(jié)，從而導(dǎo)致講授內(nèi)容很大程度上滯后于時(shí)代科技發(fā)展，學(xué)生創(chuàng)新思維的形成缺乏寬廣視野的支撐，難以達(dá)到理想的教學(xué)效果，不利于“新工科”人才的培養(yǎng)。如果3D 打印技術(shù)與應(yīng)用的教學(xué)不隨著3D 打印技術(shù)的發(fā)展而不斷“升級(jí)、革新”，那么培養(yǎng)出來(lái)的相關(guān)人才，在知識(shí)儲(chǔ)備和技能運(yùn)用環(huán)節(jié)會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于從業(yè)人員，剛畢業(yè)就會(huì)面臨技術(shù)淘汰，被迫重新?lián)駱I(yè)的窘境。

1.3 學(xué)生缺乏動(dòng)力

部分學(xué)生對(duì)智能制造領(lǐng)域相關(guān)知識(shí)缺乏興趣，認(rèn)為自己日后升學(xué)、就業(yè)、創(chuàng)業(yè)過(guò)程中不會(huì)涉及3D 打印技術(shù)，故缺乏對(duì)該課程的重視程度，認(rèn)為這門課程對(duì)自己日后的發(fā)展無(wú)任何幫助，缺乏學(xué)習(xí)熱情。同時(shí)，3D打印技術(shù)與應(yīng)用課程知識(shí)體系結(jié)構(gòu)與金屬工藝學(xué)等課程關(guān)聯(lián)度較高，部分學(xué)生對(duì)舊知識(shí)掌握程度較差、知識(shí)體系不扎實(shí)會(huì)嚴(yán)重影響新知識(shí)的理解學(xué)習(xí)，會(huì)進(jìn)一步增加學(xué)習(xí)的難度，進(jìn)而信心受挫，嚴(yán)重影響學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)力，形成惡性循環(huán)。此外，3D 打印受材料問(wèn)題影響較大，并非所有材料都可用于3D打印，部分3D打印材料不僅在加工過(guò)程中價(jià)格昂貴，而且所生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量和強(qiáng)度通常也不能滿足技術(shù)要求。因此，日常生活中3D 打印制品沒有普及開來(lái)，學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)興趣，創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)思路受限，致使教學(xué)質(zhì)量不高，對(duì)“新工科”人才的培養(yǎng)提出了更大挑戰(zhàn)。

2 教學(xué)改革措施

針對(duì)當(dāng)前3D 打印技術(shù)與應(yīng)用課程教學(xué)中存在的若干問(wèn)題，從教學(xué)方式、考核方式改革，教學(xué)內(nèi)容更新，建立校企合作等方面入手（如圖1 所示），提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果，保障“新工科”人才培養(yǎng)質(zhì)量。

圖1 3D打印技術(shù)與應(yīng)用課程教學(xué)改革體系

2.1 教學(xué)方式改革

理論教學(xué)中，通過(guò)制定課前理論知識(shí)預(yù)習(xí)和學(xué)習(xí)視頻觀看任務(wù)，讓學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)有初步了解，并喚醒學(xué)生對(duì)于以前知識(shí)的記憶，為新課程的正常引入與講授奠定良好的基礎(chǔ)，教師在此過(guò)程中進(jìn)行答疑式的指導(dǎo)，并評(píng)估學(xué)生對(duì)知識(shí)體系的了解程度，從而動(dòng)態(tài)調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，有效提高教學(xué)質(zhì)量與效率；在課堂中，對(duì)于比較抽象的知識(shí)體系，加入思維導(dǎo)圖等可視化圖表，將知識(shí)體系架構(gòu)清晰地呈現(xiàn)在學(xué)生眼前，并基于音視頻多媒體授課，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，減少課堂低效時(shí)間；課后作業(yè)的布置以開放式作業(yè)為主，針對(duì)3D 打印技術(shù)的工藝、材料、原理、應(yīng)用等各個(gè)方面進(jìn)行拓展，讓學(xué)生自選角度提出想法或觀點(diǎn)，同時(shí)作為預(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)提前做好鋪墊，循序漸進(jìn)。

實(shí)踐教學(xué)中，應(yīng)著重介紹相關(guān)3D打印軟件的使用方法，采取小班化教學(xué)，增加分組數(shù)量；學(xué)生從三維模型建模開始，自主設(shè)計(jì)個(gè)性化三維模型，根據(jù)產(chǎn)品類型和擬實(shí)現(xiàn)的功能，選擇合適的3D 打印技術(shù)和設(shè)備，正確選擇原材料并制定成型工藝方案，最終獲得成品；教師應(yīng)當(dāng)全程參與設(shè)計(jì)實(shí)踐過(guò)程，在必要的環(huán)節(jié)為學(xué)生梳理理論知識(shí)體系，為相關(guān)設(shè)備和材料的選擇提供引導(dǎo)[6]。通過(guò)實(shí)踐鍛煉，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)3D 打印技術(shù)的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生初步掌握將3D打印技術(shù)運(yùn)用于該專業(yè)方向進(jìn)行設(shè)計(jì)和開發(fā)的能力，為日后從事3D打印技術(shù)方面的工作奠定良好的基礎(chǔ)。

2.2 考核方式改革

傳統(tǒng)考核方式一般以期末筆試為主，然而，該課程教學(xué)內(nèi)容包含理論與實(shí)踐教學(xué)，且前沿性的新知識(shí)、新體系較多，傳統(tǒng)考核方式難以全面反映學(xué)生對(duì)知識(shí)體系的掌握情況?；诟咚刭|(zhì)應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)，對(duì)課程考核方式進(jìn)行改革，將學(xué)生預(yù)習(xí)情況、課堂表現(xiàn)、作業(yè)情況及實(shí)驗(yàn)成績(jī)納入綜合考核范圍，其中：預(yù)習(xí)情況主要以學(xué)生對(duì)課前理論知識(shí)的掌握程度和學(xué)習(xí)視頻觀看的互動(dòng)情況評(píng)價(jià)；課堂表現(xiàn)以回答問(wèn)題、參與討論等課堂活動(dòng)參與度進(jìn)行評(píng)價(jià)。

課程作業(yè)不再局限于3D 打印原理、技術(shù)等方向，通過(guò)設(shè)置不同的選題方向，例如：面向就業(yè)學(xué)生，可以談?wù)剬?duì)于3D打印技術(shù)與“中國(guó)制造2025”關(guān)系的理解，加強(qiáng)對(duì)擬就業(yè)學(xué)生民族使命感的培養(yǎng)；面向升學(xué)學(xué)生，可以檢索3D打印技術(shù)方面的前沿英文文獻(xiàn)進(jìn)行翻譯，提升其英語(yǔ)讀寫譯能力，培養(yǎng)其日后從事科學(xué)研究中需具備的檢索文獻(xiàn)、閱讀文獻(xiàn)的基本能力素養(yǎng)；面向自主創(chuàng)業(yè)學(xué)生，可以談?wù)劜捎?D打印技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)業(yè)的一些設(shè)想，有效拓寬擬創(chuàng)業(yè)學(xué)生的思路，激發(fā)其創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)思維。最終在課程考核環(huán)節(jié)圍繞“培養(yǎng)實(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)、具備國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的高素質(zhì)復(fù)合型‘新工科’人才”這一目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)升學(xué)、就業(yè)、創(chuàng)業(yè)學(xué)生的全覆蓋，學(xué)生按照自己的職業(yè)生涯規(guī)劃自主選擇課題方向，并完成課程作業(yè)，課程作業(yè)突出對(duì)不同學(xué)生相關(guān)能力的培養(yǎng)。

實(shí)驗(yàn)成績(jī)以實(shí)驗(yàn)報(bào)告質(zhì)量和現(xiàn)場(chǎng)表現(xiàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，為了培養(yǎng)實(shí)踐能力強(qiáng)、動(dòng)手能力強(qiáng)、更容易勝任實(shí)際工作的高素質(zhì)應(yīng)用型人才，現(xiàn)場(chǎng)表現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)成績(jī)中占比更高。相比于傳統(tǒng)考核方式，新的考核方式著眼于學(xué)習(xí)過(guò)程，對(duì)學(xué)生的能力評(píng)價(jià)更為全面，更符合“新工科”人才培養(yǎng)目標(biāo)和要求。

2.3 教學(xué)內(nèi)容更新

3D打印技術(shù)與應(yīng)用教學(xué)內(nèi)容長(zhǎng)時(shí)間不更新，會(huì)導(dǎo)致學(xué)生不能及時(shí)接觸到新的3D 打印技術(shù)及其應(yīng)用領(lǐng)域，嚴(yán)重影響對(duì)學(xué)生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

針對(duì)此問(wèn)題，采用以科研促教學(xué)的方式。一方面，通過(guò)文獻(xiàn)檢索的方式，讓學(xué)生們了解3D打印技術(shù)的最新研究現(xiàn)狀，學(xué)生以思維導(dǎo)圖或PPT 的形式對(duì)檢索到的新知識(shí)和新技術(shù)進(jìn)行全面介紹，包括教師在內(nèi)的課堂人員可與主講者進(jìn)行充分的交流和探討，迸發(fā)思維的火花，不僅可以促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，還可以顛覆傳統(tǒng)的課堂教學(xué)模式，為學(xué)生提供翻轉(zhuǎn)式課堂，達(dá)到更好的教育效果；另一方面，基于教師承擔(dān)的科研項(xiàng)目，學(xué)生可根據(jù)自身興趣加入相應(yīng)的研究團(tuán)隊(duì)，在教師及研究生的指導(dǎo)下，學(xué)生首先對(duì)3D 打印技術(shù)的知識(shí)體系加深理解，其次對(duì)3D打印設(shè)備的操作技能顯著提升，最終在項(xiàng)目的研究過(guò)程中，通過(guò)與教師和師兄師姐的交流，產(chǎn)生新的思路和想法，并付諸于實(shí)踐。能夠培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、思考問(wèn)題和獨(dú)立解決問(wèn)題的能力，最大程度地激發(fā)學(xué)生的好奇心和求知欲，能夠?yàn)椤靶鹿た啤比瞬藕透咚刭|(zhì)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)提供一種借鑒模式。

2.4 加強(qiáng)校企合作

校企合作是指為了培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型人才，高校采取與企業(yè)合作的方式，注重人才的實(shí)用性與實(shí)效性培養(yǎng)[7]。學(xué)校應(yīng)組織專業(yè)教師前往相關(guān)企業(yè)或研究所考察交流，了解市場(chǎng)需求，開展與企業(yè)的3D 打印技術(shù)合作，深化產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新機(jī)制。結(jié)合企業(yè)需求和當(dāng)前發(fā)展趨勢(shì)，在3D 打印技術(shù)與應(yīng)用課程教學(xué)方式、教學(xué)目標(biāo)方面積極嘗試新方法，積極引導(dǎo)學(xué)生采用所學(xué)知識(shí)解決企業(yè)當(dāng)前面臨的技術(shù)瓶頸。此外，可邀請(qǐng)企業(yè)專家走進(jìn)大學(xué)校園，開設(shè)專題講座，內(nèi)容涉及安全規(guī)范、設(shè)備操作、車間管理等模塊，學(xué)生根據(jù)自身發(fā)展方向，選擇相應(yīng)的模塊學(xué)習(xí)，全方位提升學(xué)生的綜合素質(zhì)。同時(shí)，在專業(yè)培養(yǎng)方案和課程教學(xué)大綱修訂過(guò)程中，學(xué)院可邀請(qǐng)企業(yè)專家參與教學(xué)改革，共同商討、明確專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)，確定專業(yè)教學(xué)計(jì)劃和教學(xué)內(nèi)容，構(gòu)建高素質(zhì)應(yīng)用型“新工科”人才培養(yǎng)體系。學(xué)院每年可選派部分新進(jìn)教師到企業(yè)一線參加6個(gè)月以上的實(shí)踐鍛煉，重點(diǎn)提升專業(yè)教師的專業(yè)能力和實(shí)踐教學(xué)能力。專業(yè)教師在教學(xué)過(guò)程中將學(xué)生的培養(yǎng)與企業(yè)的實(shí)際需求緊密對(duì)接，畢業(yè)生在日后的工作中才能更好地適應(yīng)崗位要求，成為符合市場(chǎng)實(shí)際需要的高素質(zhì)復(fù)合型“新工科”人才。通過(guò)在相關(guān)企業(yè)的實(shí)習(xí)、實(shí)踐經(jīng)歷強(qiáng)化理論與實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合，重構(gòu)3D打印技術(shù)理論知識(shí)體系，培養(yǎng)具備應(yīng)用3D打印技術(shù)解決行業(yè)實(shí)際問(wèn)題能力的優(yōu)秀學(xué)生。

3 結(jié)語(yǔ)

為穩(wěn)步推進(jìn)我國(guó)第四次工業(yè)革命，助力我國(guó)由制造業(yè)大國(guó)發(fā)展為制造業(yè)強(qiáng)國(guó)，教育部積極推進(jìn)“新工科”建設(shè)。3D打印技術(shù)可為傳統(tǒng)制造業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展注入新鮮動(dòng)力，對(duì)早日實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和等目標(biāo)具有重要意義，因此，該類課程在高校專業(yè)教學(xué)和人才培養(yǎng)過(guò)程中應(yīng)引起足夠的重視。通過(guò)改革教學(xué)方式、考核方式，及時(shí)更新教學(xué)內(nèi)容，加強(qiáng)校企合作交流解決當(dāng)前3D打印技術(shù)與應(yīng)用課程教學(xué)中存在的若干問(wèn)題，有效提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果，切實(shí)保障學(xué)生培養(yǎng)質(zhì)量，對(duì)提高機(jī)械電子工程專業(yè)學(xué)生的就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力、培養(yǎng)實(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)、具備國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的高素質(zhì)復(fù)合型“新工科”人才具有重要意義。