“3D打印技术”公选实践课程教学探讨

严剑刚,吴 镝,刘 赛

(上海第二工业大学 工程训练中心,上海201209)

0 引言

3D打印是近年来逐渐兴起的热门技术,在国内外以星火燎原之势迅猛发展[1]。3D打印技术归根到底是虚拟现实技术的延伸。它拓展了人类的知觉和感觉,促进了人类思维的发展,将3D打印与课堂教学融合在一起,能够刺激学生的感官,从而激发学生学习的兴趣[2]。发达国家已经开始探索3D打印技术对教育的影响,并成立了相关项目用以促进3D打印技术与教育的融合[3]。2015年国家工业和信息化部出台《国家增材制造产业发展推进技术(2014—2016)》[4]。更要求我们加快对3D打印技术教学的改革,适应社会的需求。

将这新兴的3D打印技术和现有高校的教学体系融合并协同发展[5],不仅仅是重要的实践教学环节之一,也是达成培养学生利用增材技术创新精神和实践能力的重要手段。目前我校3D打印的教育仍处于起步阶段,实际教学中仍存在一些问题:①“3D打印技术”是面向全校的公选实践课程,学生对三维设计的理解不一,课时又有限,学生消化理解的时间有限,阻碍了学生的设计能力和创新思维的培养;② 思想政治教育和“3D打印技术”课程仍然“各行其道”,没有交叉,没有渗透,没有融合,没有凸显出思想政治教育在卓越工程意识和能力培养过程中的引领辐射作用[6];③ 3D打印设备价格相对较高,设备有限,学生多,做到每个学生都能操作比较困难,影响了学生实践的积极性。

因此根据我校实际情况,从教学目标、教学内容设计、学习能力训练、技能竞赛出发,将课程思政融入到“3D打印技术”课程中,并通过运用网络教学方式,根据不同层次学生建立不同的教学案例,摸索课程教学模式。弥补目前“3D打印技术”在实际教学中的不足,提升学生的学习兴趣和综合竞争能力,树立正确的人生观和价值观[7],提高教学效率和教学质量,推动应用型人才培养的教学方式的改革。

1 教学模式探讨

新模式下“3D打印技术”公选实践课程把职业道德、职业心态和职业意识纳入教学内容当中[8],对原有的教学内容做相应的补充和删减,并且教学方法也应该得到相应的调整,以便更好地激发学生对于课程的兴趣,提升教学质量和效率。

网络教学方式将单一的课堂教学扩展到课外,突破传统教学的时空限制,发挥教师的主导作用和学生的主体性作用,改变了“以教师为中心”的传统教学模式,实现以学生为中心的“主导＋主体”的教学结构[9]。

1.1 教学目标

通过“3D打印技术”公选实践课程的学习,拓宽学生的知识面,了解3D打印的设备与设计原理,以及相应的各种3D打印方式和其应用。会操作一种3D打印设备,能够具备初步的工程实践素养,学习到先进制造技术的理念与工程技术的集成与应用。在教学中把培育和践行社会主义核心价值观融入教书育人全过程,将学科资源、学术资源转化为育人资源,实现“知识传授”和“价值引领”有机统一,加强工匠精神教育[10]。激发学生动手、动脑、勇于创新的积极性,培养学生严谨、认真、踏实、勤奋的学习态度和工作作风,拓展其创新思维意识及提高动手技能。

1.2 教学内容设计

“3D打印技术”是面向全校学生的一门公选实践课程,是应用型高等院校学生综合素质培养过程中重要的实践教学环节之一。由于学生包含了机械类与非机械类,而且学生的兴趣也不尽相同,所以必须建立一系列典型、实用、难度阶梯化的3D打印教学案例来引导学生。

1.2.1 教学内容与进度安排

围绕培养工匠精神的教学目标,将工匠精神贯穿课程教学始终。把培养学生耐心、专注、坚持的工作精神渗透到教学内容与进度中(见表1)。

1.2.2 教学案例

教学案例应明确设计方案、技术要点、创新点等[11],难度要求梯度化,满足不同层次或要求的教学环节。

(1)演示案例。演示案例可用“七巧板”“高脚杯”等简易的模型入手。利用UG8.0三维设计软件,通过拉伸等命令,设计一款无支撑填充实体——七巧板[12](见图1);或是通过回转等命令,设计一个高脚杯。并用UP!3D打印机进行打印与拆卸。

此案例可以针对没有任何基础的学生通过三维设计软件的简单操作,把大家熟知的七巧板、高脚杯,运用3D打印技术完成模型制作。这样容易提升学生学习的兴趣,为后续拓展其创新思维意识及提高动手技能提供保障。

(2)综合型案例。综合案例用“螺杆与螺母的组合件”(见图2)、“球于盒中”“渐开线齿轮”等典型的组合体模型。要求学生通过三维软件设计,熟悉切片方法,探索优化打印质量的技巧,检验装配后效果。进而进行误差的修复,最终完成作品。

此案例可以针对略有机械基础或已掌握前述案例的学生通过三维设计软件的拉伸、螺纹、抽壳、阵列等命令,了解机械的简单装配的原理,最终把两个零件装配在一起。综合型的案例帮助学生掌握合理的实验方案,深入掌握3D打印的工艺,优化学生的创新知识结构。

表1 教学内容与进度安排Tab.1 Teaching content and schedule

图2 螺杆、螺母Fig.2 Screw rod,nut

1.3 网络教学

图3 微信公众号Fig.3 WeChat public number

当代大学生作为新生的一代,对新事物有着强烈的兴趣。建立微信公众号(见图3)、慕课,让师生间的沟通变得更为快捷,并且不再局限于文字,包括图片、语音、视频等,也无需付费。学生可以利用业余时间提前进行学习,如有疑问可以随时发问题到平台,这样使答疑的方式更便捷,弥补了课时有限,学生层次不一等传统教学方式的缺陷。

1.4 学习能力训练

“3D打印技术”公选实践课程的学生专业不同、年级不同,采用团队学习的机制,可以降低学习的难度,发挥不同专业的特长,提高学生间的团队协作能力。正是公选实践课程的特点,让每一个学生都有动手的机会,提前感受今后迈入社会后的分工协作机制,响应学校应用型人才培养的办学定位。

根据学生数量由4～5人组成一组,上课时以小组为单位安排实验设备,并以项目导入方式要求学生完成指定的考核。成员间可以建立微信群,课外也能进行无障碍沟通,共同问题在微信公众号内交流。这样学习能更加深入,学生间合作能更加紧密,最终小组的作品也能更加丰富和多元化。

1.5 技能竞赛

对于学有余力的学生提倡参加各项技能竞赛,提高学生工程实践能力。在2017年上海市第七届大学生工程训练综合能力竞赛中(见图4),指导的两个团队在以3D打印技术为主题的无碳小车“S”和“8字”竞赛中包揽了两个项目特等奖。通过竞赛更好地为工程训练教学服务,提升了学生学习的兴趣,达到了应用型人才培养的目的。

图4 技能竞赛Fig.4 Skill competition

2 结束语

“3D打印技术”公选实践课程融入课程思政、网络教学方式,建立适合当下的教学目标、教学内容设计、学习能力训练、技能竞赛,是现代教育技术在实践教学中的一个重要应用。有利于优化学生的创新知识结构、培养学生的创新意识、完善学生的创新思维、塑造学生的创新人格,推动了应用型人才培养的教学方式的改革。