以微项目为驱动的3D打印工程实训教学改革与实践

朱小明

（广州城市理工学院工程训练中心，广州 510800）

工程训练是理工科高校培养学生工程实践能力和创新能力的重要课程。在新工科背景下，各高校近年来不断改革，设置了先进制造技术的训练模块，如机器人焊接、3D打印以及激光雕刻等[1-2]。3D打印因其个性化、应用广泛和无限可能性等特点，在高校实训课程中受到了越来越多的学生喜爱，促使3D打印实训教学课程设置和教学质量的要求随之提高。为提高实训教学质量，广州城市理工学院工程训练中心进行了以微项目为驱动的3D打印工程实训教学改革。

1 3D打印实训教学现状

工程实训课程面向广州城市理工学院机械类、汽车类、电信类以及计算机类等多个专业的本科生，其中3D打印工程实训课程针对机械类和汽车类专业设置了12学时，经济类和管理类设置了3学时，其他如计算机类和电信类专业设置了6学时。3D打印实训课程内容主要包括基础理论教学、实训操作教学和学生实践操作3部分。根据不同的专业培养目标和学时设置，实训的内容量和难度将会做出不同程度的调整和变化，从而形成2个层次的阶梯型课程，分别为基础认知型和设计制作型[3]。基础认知型课程适用于3个学时的经济类等专业，课程内容主要是了解3D打印工艺原理和工艺流程以及3D打印技术的应用，熟悉三维打印（Fused Deposition Modeling，FDM）工艺成型过程和FDM打印设备的操作，并利用FDM打印机加工出作品模型。设计制作型课程适用于6个学时以上的计算机类和机械类等专业，其课程内容在基础认知型课程内容的基础上增加了利用三维软件进行作品建模设计和FDM打印机调试等。

教学形式包括教师理论讲解、现场操作演示以及学生个人进行实训操作等。课程的考核成绩由实训操作（55%）、平时成绩（10%）、笔试（20%）以及实训报告（15%）组成。其中，实训操作考核主要综合学生的课堂表现和实训作品质量，包括实训操作的积极性、对设备操作的规范性、作品设计创意、建模效果和打印质量等。

2 3D打印实训教学改革分析

2.1 改革的内容

目前，3D打印实训设计制作型课程中的产品设计内容由学生自主决定，学生在产品设计过程中很少能结合和应用到自身的专业知识。为实现3D打印实训教学中培养高质量创新人才和应用技术型人才的目标，课程教学不应仅是学习3D打印知识和设备操作，更应在实训过程中加强自身专业知识的理解和运用，通过产品设计和3D打印制作实践检验专业理论知识，从而提高学生的工程实践能力。

3D打印实训教学应从基础性向引导性和专业性转变，在3D打印设计型课程的基础上进一步深化和延伸，以学生专业能力和专业特点为考量，以与专业课程实践相结合和科研案例化整为微的原则开发和设计微项目，以微项目为驱动进行3D打印实训教学。

在改革中要注重对学生的引导，以学生为主体，综合运用网络教学法、直观教学法、项目教学法和项目（任务）驱动法等多样化的教学方式，充分调动学生学习的主动性，从而提高实训教学的效率和质量。同时，更要注重学生的团队合作和交流，增加学生对作品讨论和考核的参与度。

2.2 改革的意义

与专业知识和科研项目相关的以微项目为驱动的3D打印实训教学，内容更具针对性和实用性，能使学生了解本专业相关学科研究的主要内容和技术方法，对学生在专业领域的学习具有积极的引导作用，提高了学生对专业课程的学习热情。教学更加接近实际的科研项目研究，能够使学生进入项目实践的情景中，从而提高学生的产品设计能力和工程实践能力，对学生参与更多的课外竞赛和大创项目等具有积极的推动作用。通过该实训教学能发掘和培养出更多优秀的具有专业实践能力的学生，为校内工程项目储备人才。实训中学生以“小组讨论，团队协作”的方式完成实训操作，以增进学生间的交流互动，发挥学生学习的主观能动性，提高学生的团队合作意识。

3 微项目的设置

该3D打印实训教学改革目前主要在设置12个实训学时的机械类专业学生中展开，包括机械工程、机械电子、机器人和工业设计等专业。在实训教学的过程中，需要紧密结合专业的核心知识和技能，综合考虑实训时长和学生专业水平等，设计出符合学生操作能力的微项目。

3.1 科研项目化整为微

结合教学内容，对大二机械类专业的一些具有很强的基础性和实践性的主干课程内容和学生的专业水平能力进行深入了解，收集并筛选校内机械类专业的科研项目和竞赛项目，对项目内容进行适当修改，删除部分与专业不符或难度过大的内容，将符合学生专业学习能力的项目化整为微，将其设计改造成微项目或转化为教学案例。

3.2 专业课程知识项目化

与专业课程实践相结合，如机械专业的“机械设计与原理”和工业设计专业的“人机工程学”等主干课程、项目化改造教学中的典型产品与典型机构等，将改良后的产品或机构作为微项目[4]。例如，对机械产品的外形建模、传动机构的设计、家具以及电子类产品的设计开发等，并通过3D打印快速得到产品样机，以提供设计验证与功能验证。

4 教学改革实践

4.1 课程的教学实践

实训课程主要由课前预习、课堂授课、实践操作以及评价考核4部分组成。实训教学过程中，教师为主导，学生为主体，微项目为驱动，学生团队协作，研究和确定设计任务，完成作品设计建模和3D打印，最后进行作品展示和评价考核。

4.1.1 课前预习

广州城市理工学院在网上开放教学平台创建了机械制造基础工程训练（金工实习）课程，建立了3D打印实训教学资源区。学生可在该平台上提前自主学习3D打印实训课程的理论知识、软件建模方法和FDM打印机的操作方法，下载自己感兴趣的三维模型进行学习或修改。教师在该平台上提前发布设计项目内容，同时准备多个设计项目供学生选择。学生可预选择合适的项目，并提前收集产品资料，构思产品设计方案。通过网络平台进行的课前预习，能使学生接触到丰富的教学资源，拓宽视野，为实训课堂教学的开展提供知识储备基础，提高课堂实训教学和实践操作的效率。

4.1.2 课堂授课

课堂授课主要包括3D打印原理、工艺流程等相关理论知识的讲解，以及三维软件建模操作、FDM打印机及其控制软件的使用方法等。在三维软件的教学中，应以项目案例为引导，通过案例讲解让学生了解项目中产品的设计思路和建模设计方法。广州城市理工学院机械类专业大二学生已在大二第一学期进行过三维软件SolidWorks的学习，具有一定的三维软件建模能力，所以在3D打印实训中的SolidWorks软件教学时可便针对项目产品（如机械构件、典型零件和主题类产品）的特点进行相应建模技巧和方法讲解，学生亦能理解和接受。

4.1.3 实践操作

实践操作中，学生以小组讨论和团队协作的方式来完成。实践操作包括项目研究、设计建模以及3D打印3个环节。

（1）项目研究。案例讲解后进行微项目和设计任务的导入，学生分成若干个小组，以小组为团队讨论确定设计项目。各成员对产品的设计构思交流意见，并最终确定产品的设计方案。产品为装配体时，装配体的设计要考虑打印机的精度误差、零件的装配公差等。小组团队的组建可以考验组长的组织协调能力、学生的自我调节和相互协作能力。

（2）设计建模。确定产品的设计方案后，组内进行设计建模任务的分配。在组内学生交流互助下，每人按任务的分配情况，用SolidWorks或自主选择熟知的建模软件完成相应零件建模，将产品设计创意转变为数字模型。模型的设计需要满足实训所用FDM打印机对模型的加工要求。

（3）3D打印。产品建模完成后进行3D打印。设计和打印环节都需组内学生相互协作才能高效、高质完成。例如：建模能力好的学生可承担较多的设计任务；建模能力弱或设计任务较少的学生，可提前练习掌握FDM打印机的使用方法，在打印环节完成更多的工作。最后，将得到的3D打印样品进行设计验证或功能验证，查找不足，并综合考虑课程进度和产品成型效果进行产品设计修改和再打印，最终获得满意的模型。

4.1.4 评价考核

课程的考核保持了原来的评价方式和评价比例，但在实训操作评价环节中加入了学生的考核内容，降低了教师的主观性评估。实训操作评价总成绩由小组自评（30%）、各小组互评（30%）以及教师评价（40%）3部分评分组成。

各组将打印完成后的作品集中在一起进行展示评比，从产品的创意、设计效果和打印质量等方面进行综合评价。教师为引导者，鼓励学生积极参与讨论，让学生处于具体的案例情境中，肯定作品的优点，指出不足并给予改进意见。最后，教师综合3方面的评价意见和得分对学生实训操作进行考核。

4.2 教学改革实践效果

该改革课程在广州城市理工学院机械类专业中进行了近2个学期的教学实践，形成了线上预习、教师主讲、以项目案例为引导、以微项目为驱动以及学生分组协作完成的实训教学模式。改革后的3D打印工程实训课程更受学生的喜爱。机械类专业大二学生具备一定的机械理论知识和三维建模能力，在3D打印实训中具有较强的操作能力。微项目的设置贴合学生的专业知识且符合其专业特点，课程开展顺利。教学具有很好的实效性，学生在学习过程中能保持较高的兴趣和参与度，实训作品完成质量较高。实训中更加突显学生的主体地位，学生以团队协作的方式完成实训操作，活跃了课堂气氛。学生可以相互交流讨论共同解决问题，充分发挥了学生学习的主动性，具有较高的实训操作效率。

5 结语

结合学生专业特点和能力，以微项目为驱动的3D打印工程实训课程在提高实训教学质量和满足新工科人才培养需求的同时，使学生获得了更多3D打印在实际工程项目中的应用体验，提高了学生学习和研究3D打印技术的热情，进一步推动了3D打印技术在产品设计和工程制造领域中的应用。