FDM 3D打印技术在“机械设计基础”探究性教学实践中的应用

孙建芳，陈泽达，唐邕涛，胡广华，张 东

(华南理工大学机械与汽车工程学院，广东 广州 501640)

教育部高等教育司关于开展新工科研究与实践的通知中指出，当前国家推动创新驱动发展，对工程技术人才提出了更高要求，迫切需要加快工程教育改革创新[1]。熔融沉积成型(fused deposition modeling，FDM) 3D打印技术逐渐进入大学教育并广泛应用于骨科临床教学、解剖学教学和服装设计教学改革中，极大地增强了学生学习的乐趣和自主性[2-6]。探究性教学模式是一种在教学过程中对主要知识点进行自主学习、深入探究并进行小组合作交流的教学模式，更有利于充分发挥学生的主体作用，有利于学生创新思维与创新能力的形成与发展[7]。 “机械设计基础”课程作为机械类和近机械类专业的专业基础课程，具有较强的应用性和实践性，是培养学生综合设计能力、创新能力的重要课程，因此对“机械设计基础”的教学实践提出新的需求，而FDM 3D打印技术的引入为“机械设计基础”探究性教学实践提供了新的思路[8-10]。

本文结合“机械设计基础”教学实践的特点，提出了基于FDM 3D打印的“机械设计基础”探究性教学模式的实施方法与步骤，不仅在“机械设计基础”教学实践中补充和深化现有教学内容，而且引导学生运用所学知识进行3D打印示教机的设计、组装和应用。最后，对基于FDM 3D打印技术的“机械设计基础”探究性教学实施效果进行了评价。

1 存在问题

目前，“机械设计基础”教学实践中普遍存在的问题：

1)缺少课外拓展知识。

由于受到学时限制， 课堂教学以传授基础知识和基本原理为首要任务, 如在“机械设计基础”课程的传统教学实践中，主要讲授螺纹静连接和V带传动[11]，而这些知识不能满足现代机械设计的需求，“机械设计基础”的经典教学内容缺乏引入科技前沿知识、研究热点知识以及与机械设计相关的拓展知识。随着3D打印技术在教育领域的广泛应用，需要在“机械设计基础”教学中引入与3D打印技术相关的机械设计课外拓展知识，以满足学生自主学习的需要。

2)缺乏对学生探究问题能力和自主创新能力的培养。

传统的“机械设计基础”教学中金属实物模型不便带入教室，学生只能在实验室观摩实物模型，无法通过问题探究的方式亲自深入地设计和制造教学实物模型，因此需要在“机械设计基础”教学实践中引导学生积极参与教具的设计和3D 打印，培养学生探究问题的能力和自主创新的能力，满足学生主动融入机械设计工程的需求。

2 基于FDM 3D 打印的“机械设计基础”探究性教学模式的设计与实践

为了极大地激发学生主动探索知识的积极性，基于FDM 3D打印的“机械设计基础”探究性教学模式的实施方法与步骤如图1所示。这里以学生为主体、教师为引导、问题为载体，采用课前知识传递-课堂知识内化-课后知识巩固与拓展3个步骤进行“机械设计基础”探究性教学。

图1 基于FDM 3D打印技术的“机械设计基础”探究性教学模式的实施方法与步骤

2.1 基于引入问题和网络资源进行课前教学设计

教师通过设计一些能够让学生产生共鸣或认知冲突的情景，引入可以激发学生学习兴趣的问题，并根据授课的主题和重难点合理安排具有可控性和延伸性的教学内容。本教学团队基于学堂在线平台建设了 “机械设计基础”mooc网站，可以提供章节的授课视频、课件ppt及对应的自测题目 (访问路径：https://next.xuetangx.com/course/SCUT08021000142/1515834)，鼓励学生结合教学目标及任务，通过教材、文献、课程平台、互联网等多个渠道完成课前学习，并通过回答问题和系统自测来检查课前学习效果。例如，在“机械设计基础”课程教学中，引入3D打印与机械设计相关的丝杠传动、同步带传动、送丝机构和喷头挤出设计等拓展知识，具体见表1，并通过学堂在线、QQ 和移动学习平台向学生推送相应的网络学习资源，学生通过观看授课视频等和回答引入的问题，完成课前学习任务，形成解决3D打印工程问题的思维方式。

表1 基于FDM 3D打印示教机的探究性教学实践的拓展知识

2.2 基于合作讨论及问题探究的课堂交互教学

教师根据学生课前学习效果及时发现学生理解或掌握不到位的知识点及存在的问题，在此基础上以小组交流、讨论、协助的形式，教师有针对性地进行答疑解惑，通过师生互动、学生之间互动来深化课前学习的内容，实现学生对知识的深化、拓展和应用。例如，在“机械设计基础”课堂教学中，通过FDM 3D打印桌面型示教机中的丝杠传动、同步带传动、送丝机构和喷头等典型机械结构设计进行分组讨论与问题探究，教师对整个过程中暴露出的难点问题进行解析。另外，鼓励学生采用SolidWorks软件进行FDM 3D打印示教机的三维建模，所建模型如图2所示，主要由机架1、喷头挤出装置2、同步轮3、同步带 4、送丝机构5、热床6和滚珠丝杆装置7组成。最后，学生可以组装3D打印示教机实物(如图3所示)并在课堂上进行成果展示，从而使学生主动地融入到机械设计工程实践中。

1—机架；2—喷头挤出装置；3—同步轮；4—同步带；5—送丝机构；6—热床；7—滚珠丝杆装置

图3 FDM 3D打印示教机实物

2.3 通过总结梳理和实践应用实现课后巩固拓展

采用教师评价和学生互评等多种评价形式完成课后总结反馈环节。具体地，首先对课前知识和课中知识的掌握程度进行学习、评价，然后教师通过学习平台布置课后作业，促进学生对相关知识的梳理和总结，在此基础上，提供一些工程实际应用的拓展资源，指导学生进行实践验证与应用。例如，在“机械设计基础”课程教学中，学生选用自行设计和组装的3D打印示教机，进行四杆机构、凸轮机构、轮系、螺纹连接、轴系等典型教具的三维建模和3D打印，其中3D打印的差动轮系教具如图4所示。在教学实践中，学生亲自设计和3D打印典型教具，且所设计的教具可以方便地融入课堂教学，从而极大地弥补学生对实物想象的不足。

图4 3D打印差动轮系教具

3 FDM 3D打印在“机械设计基础”探究性教学实践的评价方式和效果

以2017 级过程装备与控制工程专业2个班(共60 名学生)为例，将其分为实验组(30名) 和对照组(30名)，实验组采用FDM 3D打印技术结合探究式教学模式完成“机械设计基础”课程的教学任务，对照组采取传统教学法完成教学任务。通过成绩统计和问卷调查，详细分析FDM 3D打印在“机械设计基础”探究性教学实践的实施效果。使用 SPSS 22.0软件分析采集数据，两组数据对比采用两个独立样本对比t 检验，P<0.05表示差异有统计学意义。

3.1 学生成绩分析

总评成绩采用百分制，由平时实践成绩(30%)和期末成绩(70%)组成，成绩采用平均值x±标准差s的方式表示，两组学生总评成绩统计见表2。由表2可知，实验组的平时实践成绩、期末成绩和总评成绩的平均值比对照组分别提高了5.57%、7.22%和6.70%，表明FDM 3D打印在“机械设计基础”探究性教学实践取得了较好的效果。

表2 两组学生总评成绩统计

3.2 问卷调查分析

通过问卷调查进行教学实践效果的评价，并采用探索性因子分方法对结构效度进行检验，经过对问卷进行信度分析，问卷的内部一致性系数为0.962，说明问卷有较好的信度和效度。在教学实践效果的评价中，以n(%)表示计数的两级评价指标，如表3所示。由表3可知，实验组和对照组在信息技术应用感知方面没有太大的差异，但实验组的情感投入、教学互动、主动合作、探究式教学、研讨教学、应用实践和创新创造等二级指标的评价结果明显优于对照组。评价结果表明，基于FDM 3D打印技术的“机械设计基础”探究性教学实践更有利于调动学生学习的积极性和主动性，且对学生提高交流表达能力、团队协作能力和探究能力具有重要意义。

表3 教学实践效果评价[n=30, n(%)]

4 结束语

在“机械设计基础”课程教学中采用FDM 3D打印技术结合探究式教学模式完成教学任务，促进了问题导向探究性教育和现代教育技术的融合，使学生变被动学习为自主探究式的主动学习，在加强学生基础知识掌握和提升工程能力等方面取得了显著成效。 “机械设计基础”课程是2018年华南理工大学探究式本科教学示范课程，新的教学模式取得了良好的教学效果，且为建设教学内容和优化教学方法及考核方式提供了有效思路。