新工科背景下智能制造专业3D打印技术课程教学改革探索

王广原 吴王平 江 鹏 潘海军 王 琦

常州大学机械与轨道交通学院智能制造产业学院 江苏常州 213164

一、概述

近年来,教育部积极推动新工科建设,探索形成中国特色、世界水平的新工科教育体系,打造世界工程创新中心和人才高地,从而应对新一轮科技革命和产业变革[1]。新工科建设理念的内涵是以立德树人为引领,以应对变化、塑造未来为建设理念,以继承与创新、交叉与融合、协调与共享为主要途径,为未来培养多元化、创新型卓越工程技术人才[2]。新工科建设的推进促进了高校人才培养方式从传统的单一学科和行业向跨学科、跨行业的转变,以达到培养未来多元化、创新型卓越工程人才的目的,使培养的人才更能适应社会和科技的飞速发展需求。

3D打印技术又称增材制造技术,它是以零件的三维CAD模型为蓝本,通过切片分层软件得到零件每一层的二维轮廓信息,然后利用激光束、电子束、热熔喷嘴等热源将金属、陶瓷、塑料、生物组织等材料沿零件的二维轮廓进行逐层堆积,制造出完整零件,从而实现近净成形。与传统制造业通过等材和减材的机械加工方式不同,3D打印技术使用逐层叠加的成型方式,使生产制造更加简易化、快速化、低成本化。目前,3D打印技术已经在航空航天、生物医疗、模具与汽车制造、艺术创作等领域得到了广泛应用。在《中国制造2025》战略规划中,3D打印被列为关键技术之一,将推动中国制造业产业升级和高质量发展。

3D打印作为一个新兴的制造领域,迫切需要大量高素质应用型专业人才从事相关工作。但是,由于目前国内3D打印技术方面的人才匮乏,存在巨大的人才缺口,使得3D打印技术得不到有效推广应用[3]。而另一方面我国3D打印方面的教学尚处起步阶段,教学经验较为匮乏,人才培养方式亟待完善。本文以我校智能制造专业3D打印技术教学为例,分析教学过程中存在的主要问题,并从教学内容、教学方式、课程思政、考核方式等方面探索如何在新工科背景下进行智能制造专业3D打印技术的教学改革。

二、3D打印技术教学特点及存在的主要问题

3D打印技术为智能制造工程专业的一门专业基础选修课程,主要讲授3D打印的基本概念、主流3D打印设备的工作原理、核心技术及应用领域,使学生理解并掌握包括喷射式3D打印、熔融沉积、光固化立体成型、选择性激光烧结和熔化、激光熔化沉积等技术原理及其在工程、生物等领域的应用,了解3D打印最新技术及其发展趋势,为后期从事相关领域的研究或工作打下基础。

尽管目前3D打印在人们日常生活与工业生产中的需求日益增加,但是我国很多高校的理工类专业中3D打印技术教学的重视程度仍较低,给予的教学资源及课程设置等较少,并且教学过程中存在许多不足之处,可以总结为以下几点。

(一)教学内容浅显

目前,大多数高校对3D打印技术课程的教学重视程度较低,在课程设置中一般作为专业基础选修课,分配的学分和课时较少,设置的教学目标要求较低。但是由于3D打印涉及的技术门类较多,目前缺乏全面深入系统介绍3D打印技术的教材,对于每一种3D打印技术的教学内容主要围绕其基本原理和应用领域进行讲解,涉及的教学内容较为浅显枯燥,缺少实际案例,无法使学生深入理解每一种3D打印技术的内涵,难以将学到的知识应用于实践,也就无法激发学生学习的兴趣,学生对课程学习的重视程度较低,最终导致该课程的教学效果较差。

(二)教学方式落后

目前3D打印技术的教学是以教师讲授为主,学生被动接受知识,学生的参与程度较低,师生之间的互动也较少,也就导致了课堂效率较为低下[5]。教师在讲授时,主要通过PPT的形式展示每一类3D打印技术的原理、设备、制造过程,无法使学生形成直观的印象,只能短时机械记忆,随着时间延长容易遗忘。另一方面,由于学校教学条件有限,无法提供各类3D打印设备供教师演示和让学生进行动手操作,缺少实验环节,导致学生不能很好地理解教学内容,又无法锻炼动手和实践能力。因此在目前的教学方式下,学生未来在踏入社会后不能很好地胜任3D打印的工作。

(三)考核方式单一

目前,3D打印技术作为一门专业基础选修课程,考核方式比较单一,主要通过考查的形式进行考核。考查的内容为围绕某一种3D打印技术的原理国内外研究现状、存在问题和解决方法撰写综述性论文进行阐述。尽管教师在布置论文前已要求学生进行原创,但很多学生仍通过复制大段文献内容进行拼凑,且不同学生之间的重复率较高,论文总体质量较差。因此该考核方式无法真实反映学生的学习效果,也难以使学生真正掌握3D打印知识,无法达到理想的教学效果。

三、智能制造专业3D打印技术课程教学改革探索

为了解决目前3D打印技术教学存在的问题,同时为了积极响应新工科建设的号召,培养出多元化、创新型卓越工程人才,本文将从3D打印技术课程的教学内容、教学方式、课程思政和考核方式等方面提出改革的思路。

(一)丰富教学内容,增加案例教学

相比于智能制造的其他专业课,3D打印技术融合了机械、材料、计算机、激光等多学科的知识,涉及的知识点较多较杂。为便于学生理解,教师在讲授3D打印技术时,可以按照原材料-打印设备-打印过程-产品质量检测的顺序进行阐述,对所涉及各方面的基础知识适当讲解,这样既能体现知识的系统性、完整性和一贯性,又能避免泛泛讲授的枯燥性。例如,当讲解选区激光熔化技术时,可以首先介绍原材料金属粉末的制备工艺与粉末的质量评价标准。接着介绍选区激光熔化设备中激光是如何产生的、激光在设备中的光路控制、激光与材料的作用机理、成型后材料的显微组织表征与相关性能测试方法。为引起学生未来从事3D打印相关行业的兴趣,教师可以介绍国内外先进的3D打印设备公司及其最新的代表产品、3D打印行业所需的各种职业岗位和担任的主要工作任务。另外,可为打算继续深造的学生介绍国际上从事3D打印研究知名的科研团队及其最新的研究成果,激发其科研创新的动力。

另一方面,通过增加案例教学并以问题为导向来锻炼学生的独立思考和学习的能力,并学会如何处理工程问题。例如,以熔融沉积成型某一人物和动物模型为例,教授三维数据建模、零件摆放方式和支撑结构的设计、零件后期的打磨抛光上色等后处理过程。对具体的工艺设计部分通过设置提问环节让学生在解决案例问题的过程中提高科学的逻辑思维,并结合教师指导和实践教学,帮助学生掌握课程知识。

(二)创新教学方法,塑造学生主体意识

在新工科建设的背景下,为培养出符合我国经济转型发展需求的卓越工程科技人才,有必要塑造学生主体意识以锻炼创新思维与实践应用能力[6]。在传统的以教师为主体的单向灌输教学方式下,学生只能被动接受教育,容易对教师形成依赖并形成思维定式,也就无法在未来的工作中创新创造。而为了塑造学生的主体意识,教师应多扮演“主持人”的角色,在讲授完基本知识点后,引导学生主动对拓展的知识点进行学习。例如,当课上讲解完激光选区熔化的原理和打印过程后,指出目前激光选区熔化的金属成形件仍存在一些质量问题,尤其是变形和开裂问题,然后让学生课后主动查找资料,总结激光选区熔化金属材料发生变形和开裂的原因和解决方法,并以研究报告的形式上交。另一方面,也可以组织学生进行分组学习和讨论,选题包括3D打印在航空航天、生物医疗、汽车制造、模具制造及修复领域中的应用,探讨每一方面的研究现状、存在问题及展望,最后以PPT的形式在课堂上进行汇报演讲。当每组汇报结束后,组织其他组的学生进行提问,汇报的学生进行相应的回答,最后教师进行点评。在讨论过程中,教师引导学生积极发言,对学生的汇报成果充分尊重和鼓励,激发学生的学习热情,同时指出一些不足,针对性地提出改进方法。

(三)增加仿真教学,提高实践能力

由于在实际的3D打印生产中涉及工艺参数、结构优化、后处理等多种因素,因此为打印出符合质量要求的产品往往在前期需要进行多次试验。但是打印设备和材料往往较为昂贵,造成打印试验的成本较高,所以如何减少试验次数又能保证打印质量就非常重要。而通过仿真技术对打印过程进行模拟,便可以分析各因素对打印质量的影响,从而能够以尽量少的试验次数得出最优化的打印工艺,在实际生产中的地位变得愈加重要。另一方面,在3D打印技术课程中引入仿真的教学也可以一定程度解决实验条件欠缺所带来的学生实践能力锻炼不足的问题。由于学生能自主设计实验,也能调动学生参与实践活动的积极性。以激光选区熔化技术为例,仿真教学内容包括:(1)利用有限元模拟软件研究激光功率、扫描速度等工艺参数对于打印过程中的温度及应力场的影响,以此为依据减少打印过程中的应力,确定最佳的工艺参数组合;(2)分析零件摆放角度、扫描路径、支撑结构对零件残余应力和变形分布的影响规律,并进行优化。未来可以进一步构建3D打印虚拟仿真实验平台,对各类3D打印技术进行仿真教学,提高其教学比重,让学生能够全程参与零件前处理、打印过程、后处理的实验阶段。

(四)融入课程思政,激发家国情怀

新工科建设作为服务于国家战略的智力支撑和人才支持,需要在实施人才培养的全过程中融入家国情怀的培育,使新工科人才能够服务国家的发展需求[7]。教师在3D打印技术课程中融入课程思政元素一方面可以激发学生投身于我国先进制造业的热情,另一方面能帮助学生塑造正确的世界观、人生观、价值观。例如,在讲授光固化快速成型的发展历程时,介绍卢秉恒院士在20世纪90年代面对国外技术壁垒和国内资金缺乏的困难,通过另辟蹊径开发出具有国际首创的紫外光快速成型机,迅速实现国产化,极大地推动了我国光固化快速成型的发展进步。在讲授激光熔化沉积在航空航天领域的应用时,介绍王华明院士团队经多年钻研制造出飞机大型整体钛合金结构件,使我国成为世界上唯一掌握高性能大型金属零件激光制造技术的国家。通过以上内容的讲解,学生能够领会到大国工匠除了要有丰富的专业知识,也要有独立自主、不怕艰难、敢于拼搏的精神,为实现中华民族伟大复兴贡献自己的力量。

(五)考核多样化,调动学习能动性

3D打印技术课程改变过去单一以提交论文为主的考核形式,通过将过程性考核(占比40%)和终结性考核(占比60%)相结合的方式对学生所学3D打印知识掌握情况进行考核。过程性考核比重相较过去有所增加,考核形式多样,包括出勤(占比10%)、课堂互动(占比5%)、PPT汇报(占比15%)、平时作业(占比10%)的形式。其中,PPT汇报分为三次,由三名学生一组,每次由不同学生轮流汇报,保证每名学生均有上台汇报的机会,锻炼其语言组织和表达能力,其余学生负责整理资料,汇报时间为10分钟,汇报成绩由指导教师和非本组成员的同学综合评分给出。平时作业除了对课上的知识点进行抽查以外,还包括一些开放性题目,例如如何通过选区激光熔化技术打印异质结构材料,如何在打印的过程中实现金属的晶粒细化,如何在太空失重条件下实现3D打印等。终结性考核改变过去提交综述性论文的形式,要求学生以自己的姓名为蓝本,利用仿真软件自己设计支撑结构和扫描路径,模拟打印过程中的温度、应力应变场,最后将模拟结果总结在报告上,并附上选用的3D打印工艺种类、工艺参数、材料属性等信息,在引言中也要对该3D打印工艺进行基本介绍。新的考核方式相比于传统考核方式更能锻炼学生的实践能力,也能反映学生的知识掌握情况。

结语

3D打印技术是推动我国制造业产业升级和高质量发展的重要领域,但目前3D打印技术课程教学存在的教学内容浅显、教学方式落后、考核方式单一等问题制约了该领域的高质量人才培养。本文探索通过丰富教学内容、创新教学方法、增加仿真教学、融入课程思政、考核多样化等方式进行教学改革,充分锻炼学生的独立思考、自主学习、创新思维与实践应用的能力,促进学生掌握3D打印相关的知识点和技能,从而培养出3D打印领域内的卓越工程技术人才。