新工科背景下3D 打印实训课程教学改革的探索与实践

朱雪明，杨俊杰，王凤华，王洪九

（1.江汉大学 工程训练中心，湖北 武汉 430056；2.江汉大学 智能制造学院，湖北 武汉 430056）

0 引言

为贯彻落实“中国制造2025”“大众创新，万众创业”等国家战略思想，教育部自2017 年以来着力推进我国高等工程教育改革（简称“新工科”），并通过“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”构成了我国高等教育“新工科”发展新格局，“新工科”建设已然成为我国高校高等教育建设热门领域[1-5]。

相比传统工科，新工科教学强调提升学生综合能力，其教学方法和教学模式都发生了巨大转变[6-7]。孙康宁等[8]提出了基于KAPI（知识、能力、实践、创新）的实训教学体系，并在山东大学、长春理工大学等学校工程训练中心开展实践。吴亚辉、张英琦等[9]提出将创客教育融入实训环节，建立了“一立项三报告”阶段化的训练模式。汪文凌等[10]设计了以项目为导向的系列工程训练项目，将实训内容带入具体项目中帮助学生更好的理解工科教育中的重难点。研究表明，新工科背景下的高校人才培养，相较于增设新的教学内容，教学理念和教学方法改革更应被关注。

工程训练是各高校作为培养学生工程实践能力和创新能力的重要环节。在新工科背景下，各高校近年来不断改革其教学方式，其中3D 打印因其个性化制作、应用广泛和无限可能性等特点[11]，在高校工程训练课程中受到了越来越多学生的喜爱，促使3D 打印实训教学对课程设置和教学质量要求随之提高。为提高实训教学质量，江汉大学工程训练中心进行了基于OBE 理念以项目为导向的3D 打印工程实训教学改革。

1 “3D 打印实训课程”教学现状及存在的问题

“3D 打印实训课程”作为工程训练的主干课程，它包含理论讲授与实践操作两部分内容。作为面向全校本科生的实践类课程，因为学生专业背景复杂，教学过程中不同的学生学习效果存在一定差异，因此课堂教学中会存在以下几点问题：

1.1 实训内容与学生专业背景脱节

工程训练系列课程，作为江汉大学面向本科生开设的公共基础课，在2019 年修订人才培养方案后，由仅面向机类和近机类学生转变为面向全体在校本科生开设。其中，3D 打印技术实训课程作为工程训练系列课程的重要组成部分，对所有学生均有开设。根据不同专业学生的知识结构及专业背景，将工程训练课程按照课程难度划分为多个层次：理工科类学生3D打印实训课程，授课时长为8 学时，授课类型为设计制作型；人文社科类学生授课时长为2～4 学时，授课类型为基础认知型。虽然课程内容已按照学生专业的不同进行调整，但课堂教学中，仍然存在不同专业学生对于3D 打印实训课程兴趣不一的问题，且不同专业学生对于课程知识点理解不一致，导致实训任务完成度不一致，最终导致课程整体学习效果参差不齐。

1.2 不同实训课程之间缺乏联系

现代的工程训练教学体系与教学内容主要承袭上世纪70、80 年代的实习工厂和金工实习，某些课程的教学内容已多年未做调整[12]。而3D 打印技术作为近年来兴起的先进制造技术，其技术本身具备传统加工手段所不具有的特点及优势。学生在一段时间内同时经历现代和传统两个不同阶段的教学内容，难免会有所对比，产生“某堂课有意思”，“某堂课无趣”等消极观点，不利于学生的工程训练整体课程学习。

1.3 实训课程内容未体现学生综合素质培养

传统的工程训练课程强调技能的传授，教学模式偏向师徒传授的模式，强调“老师教，学生做”，注重学生技能水平的提升，但对于学生综合素质、创新思维和团队协作能力的提升关注较少。而基于项目导向的教学模式更加强调以学生为教学活动主体，强调培养学生发现问题，解决问题的综合能力，对于学生的综合素质提升提出了更高要求。

2 探索以项目为导向的工程训练教学模式

现阶段，3D 打印实训课程主要是“命题作文”，即老师设定实训内容，学生通过绘制或选择模型完成3D 打印操作训练。学生在实训过程中学习3D 打印知识，并操作设备完成实训课程，仅仅实现了技能的提升，较少结合和运用学生自身所学的专业知识[13]。为了符合新工科背景下的人才培养要求，3D 打印实训教学应当以培养综合型、创新型和应用型人才为目标，通过贴近实际的教学情境帮助学生在课堂上以实践的方式提升技能，同时对所学专业知识进行验证，赋予学生发现问题、解决问题的能力[14]。以3D 打印实训课程为切入点，探索项目制为导向的工程训练课程教学模式，在教学内容设计上应由基础验证型向探究综合型转变，实训课程在满足技能提升的基础上进一步扩展，实训项目设计应考虑学生专业背景及专业特点，综合参考实际案例（如学科竞赛、学生科研项目等）将专业课程内容与工程训练实践相结合[15]。授课过程中教师应当注意引导学生，合理选择教学手段，鼓励学生相互交流和团队合作，激发学生学习积极性和主动性。

2.1 课程教学体系改革的意义

构建以项目为导向，并与学生专业特点及实际案例相结合的3D 打印实训教学体系，注重教学内容和教学方法改革，能帮助学生在实践过程中综合运用所学知识和技能方法解决问题。教学中学生通过参与由真实案例转化而来的实训项目，要求学生独立解决工程实践问题，实训过程更加贴近实际。通过参与实训课程，一方面学生在情景式的项目实践中提升专业知识水平和工程实践能力，另一方面教师可以通过实训教学项目发掘优秀学生，为校内的工程创新活动储备人才。再者，实训过程中鼓励学生组成团队，通过分工协作的方式完成实训课程，鼓励学生加强交流，增进互动以提高学生的团队合作意识。

2.2 教学改革

3D 打印实训课程由知识点在线预习、课堂理论讲授、实践操作及实训效果综合评价四个部分组成。实训过程中，基于构建工程实践情境的实训项目，教师引导学生团队分工协作，完成作品的资料查找、设计建模、3D 打印和拼接组装，最后通过多种形式对作品进行综合考评。通过助力学生社团活动、指导大学生学科竞赛和大学生创新创业项目等方式，将工程实践能力培养及创新思维训练渗透进人才培养全过程，为应用型、创新型人才培养目标作出贡献。本课程教学体系如图1。

图1 3D 打印教学体系构建

2.2.1 课前预习

江汉大学工程训练中心制作了系列工程训练在线课程，学生自主学习时，可提前预习3D 打印实训课程相关章节，了解3D 打印实训的背景知识、技术特点、设备使用方法等内容。教师提前将项目案例及实训内容发布在该平台上，通过了解学生的预习情况掌握学生兴趣点及课程重难点的接受情况，在实训课程时可进行针对性讲授。学生根据教师发布的案例及实训内容，了解实训目的和要求，搜集技术资料，提前构思实训作品方案。3D 打印实训在线课程是课堂实训教学的有力补充，拓宽了学生的知识边界，使学生通过预习的方式，接触到课程相关教学资源，为3D打印实训课程的开展打下了基础，本课程网课开设情况见图2。

图2 网课开设情况

2.2.2 理论讲授

课堂理论讲授，包括有3D 打印技术发展历史沿革，不同3D 打印技术的技术特点，3D 打印技术在生活中的应用场景等多个方面，以及基于FDM（熔融沉积成型）技术的3D 打印机操作要点及其切片软件的使用方法，另外根据授课对象不同可适当引入三维软件建模基础知识。教师通过讲授案例引入授课内容，通过案例讲解，使学生能够了解实训要求及目的，并据此进行作品设计和三维建模。根据人才培养方案，江汉大学理工科类学生在参与工程训练前已进行过三维建模软件的基础学习，具有三维建模基础能力，故在3D 打印实训课程中，实训教师仅需根据实训项目的特点讲授相应的建模技巧及要点，学生通过自主学习亦能掌握相关知识。

2.2.3 实践操作

实践操作环节，学生被分为若干个小组依靠团队协作完成实训内容。实践操作包括作品讨论、设计建模和3D 打印3 个环节。

（1）作品讨论。通过课堂理论讲授和项目案例讲解，使学生了解实训任务和实训目标，根据实训任务将学生分成若干个团队。学生团队根据实训任务目标和已掌握知识讨论设计方案，团队成员可就作品本身进行充分沟通并最终确定实训作品的设计方案。在讨论过程中，团队成员要考虑作品的功能性是否满足要求，作品零件是否可制造，外购件的尺寸规格以及装配零件的制造精度等问题。讨论环节将贯穿项目进行全过程，通过小组讨论可锻炼学生自我调节和相互协作能力。

（2）设计建模。学生团队通过讨论环节确定设计方案后，组长根据团队成员构成进行任务分配，在设计建模过程中团队成员保持交流沟通。建模过程中遇到难点学生团队可求助教师，教师引导学生团队通过沟通交流解决问题，学生团队在绘制数模的过程中，应注意运用专业知识，模型设计应满足机械设计的合理性和3D 打印机的可制造性。

（3）3D 打印。学生掌握3D 打印机的操作方法后可独立完成模型3D 打印，打印过程学生团队相互协作，打印时需综合考虑尺寸大小、填充密度、打印支撑等参数。最后，将3D 打印得到的零件进行装配检查，并按照实训课程要求，进行运动验证，并就验证情况进行修改直到最终获得符合功能要求的实训作品。3D 打印课程实训作品（橡皮筋小车）如图3。

图3 学生小组的3D 打印作品

2.2.4 评价考核

课程的考核保持了原来的评价方式和评价比例，同时为了增加实训过程的趣味性，并激发学生的竞争意识，可通过比赛的方式评价学生作品，比赛成绩较好的学生可适当获得加分。学生团队实训作品打印完成后将集中展评，在展评过程中教师引导学生对作品从技术指标、创意、打印参数设置等多方面进行介绍，并且鼓励其他学生对作品进行讨论、评价。最后教师就作品的优缺点、学生团队在实训过程中的表现等进行点评、考核。

2.3 课程设置

目前，本3D 打印实训课程开设对象为江汉大学理工科类专业学生，教学时长为8 学时，开设专业包括智能制造、机械制造与自动化、材料成型及控制工程和工业设计等。实训教学过程中，实训项目应当充分考虑参训学生的专业背景和专业特点，并结合学生知识水平和专业能力进行设置。

2.3.1 科研、竞赛项目化繁为简

为了贴近工程实际，对理工类大学生学科竞赛中的经典赛题和大学生科研中具有代表性的科研项目，进行适当修改以降低难度，将一些专业性要求高的或制作难度过大的内容进行删改，按照教学要求化繁为简，设计出一系列适合学生参与制作的项目，如橡皮筋小车、单电机机器人、螺纹配合模型等。

2.3.2 实训课程融合项目化

与其他工程训练课程相结合，如传统加工中的钳工和电工电子等实训课程，结合不同实训课程的专业特点，取长补短设计系列项目使学生综合运用工程训练系列课程知识。例如，钳工教学中的某些作品可以改造为3D 打印实训项目，并设计成“钳工+3D 打印”的综合性项目。电工电子教学中，某些作品外壳可以改为3D 打印设计并制作，学生通过3D 打印制作个性化作品，与电工电子课程相结合，以提供作品的外观和功能验证。

2.4 教学改革的实践效果

经过多轮次的教学实践，该课程形成了课前线上预习、课堂理论讲授、教师以项目案例为引导，学生团队合作完成实训内容的工程训练教学模式。一方面，改革后的3D 打印技术实训课程，在实训内容设置上更贴近学生专业特点，项目进行过程中教师引导学生发现问题解决问题，能够充分调动学生的积极性和参与度。特别是采用竞赛的形式对实训作品进行评判，激发了学生的竞争意识和主观能动性，课堂上学生能够通过主动交流沟通解决问题，经过学生团队协作完成实训项目后，学生获得感强，教学效果反馈较好。另一方面，贴近学科竞赛和大学生科研的实训项目，能起到选拔优秀学生的作用，通过此方式组成的学生团队在各类工程创新活动中取得了良好成绩。

3 课程教学团队所取得教改成绩

3D 打印实训课程教学改革推行以来，课程教学团队取得了一定的教学改革成果。两年来，团队教师指导的学生在各类大学生学科竞赛中获得省级、国家级奖励多项，教学改革效果获得了学生的充分认可。通过项目式的教学方式，学生课堂学习由“被动响应”变为“主动探究”，教学过程以学生团队为主体，激发了不同学生的专业特长。同时，教师也在教学过程不断完善项目设置，针对不同专业背景的学生设置不同项目，让工程训练课程更加贴近实际项目运作。

4 结语

在新工科建设背景下，江汉大学工程训练中心探索了以项目为导向的3D 打印工程实训课程。以教师为引导，学生团队交流协作完成实训课程的教学方式，在提高工程训练课堂教学质量的同时，激发了学生学习热情，增强了学生的参与感和获得感。通过课程中教学内容的设置，培养了学生的工程素养，提高了工程实践能力；通过大学生学科竞赛、大学生科研活动等方式，进一步助力了应用型、创新型人才培养目标的实现。