工程教育背景下液态成型综合实践教学改革与实践

杨伟 刘建永

摘 要：本文以提升学生工程实践能力为目标，以“液态成形综合实践课程”教学实践为抓手，在分析了课程教学中存在的问题的基础上，将3D打印技术引入到教学内容中，对课程教学内容、教学模式和考核方式进行了改革与创新，为高校综合实践类课程的改革与实践提供参考。

关键词：工程教育;综合实践;教学改革;3D打印

中图分类号：TB 文献标识码：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2021.30.075

随着我国社会经济的高速发展，产业升级步伐加快，创新应用型、技术技能型人才需求越来越迫切，高等学校作为创新人才的培养基地与摇篮，肩负着培养创新型人才的使命。我国从2016年6月成为《华盛顿协议》的正式会员，这标志着中国高等工程教育新的质量标准体系的建立，也标志着中国培养的工程师具有了国际互认的资格。工程教育是以学生为中心、产出为导向、持续改进为动力作为其核心理念，通过反向设计教学体系以达成人才培养的目标满足社会需求。实践教学是教学体系中非常重要的环节，是工程教育的重要抓手，通过实践过程让学生结合工程实际深入理解專业知识，从而达到提高学生的创新能力、系统思维和工程实践能力的目的，推动创新应用型人才的培养。

3D打印技术，又称为增材制造技术，是一种集成了CAD技术、数控技术、激光加工和新材料技术等现代科技成果的先进制造技术，它是以三维数字模型为基础，利用激光束或其他能源将塑料、金属粉末、陶瓷粉末等材料分层堆积而形成实体零件。由于它是把三维制造转化为一系列二维制造的叠加，因此可以在没有模具和其他工具的条件下生产复杂零部件，由于具有生产效率高，制造柔性大等突出特点，在航空航天、机械装备、汽车模具、医疗等领域有着广泛的应用。

液态成型综合实践课程是湖北汽车工业学院针对材料成型及控制工程专业开设的具有汽车工业背景的特色鲜明的一门实践课程，是衔接理论知识与工程实际的重要桥梁。一般来说，实践教学过程与工程实际结合越紧密，越有助于提升学生的工程能力，但对于教学环节而言，由于学校教学条件的特殊性，工业生产中的工艺装备难以完全复制到教学过程中，导致工程教育教学效果不甚理想。而将3D打印技术引入教学过程中，快速制造所需的工装，可以有效解决教学过程中所需砂型、蜡型、造型模具等资源不足的核心矛盾。经过几年的教学探索与实践，对教学内容、教学方法和支撑条件等进行了多方面的改革建设，取得了明显成效。

1 液态成型综合实践的课程定位与教学目标

根据我校材料成型及控制工程专业的毕业要求和教学顶层设计，本课程定位是一门能综合运用已学习的专业理论知识来解决实际工程问题的实践课程，在此过程中培养学生的系统思维能力、综合实践能力、工程项目管理能力。

根据课程定位，为课程制定了五个课程目标，分别是：

课程目标1.掌握材料成型专业的基础知识，基本原理在实际工程中的应用，能分析项目实施的合理性及对社会环境等的影响。

课程目标2.了解本专业领域的设备、工艺技术及其应用，综合评估项目实施的经济性和可行性，培养应用创新能力。

课程目标3. 使学生能利用计算手段针对工程问题，进行分析设计、模拟仿真，为工程实际提供参考。

课程目标4. 使学生能利用现有工程技术条件，综合运用所学知识进行合理的方案设计，对模拟计算结果进行分析改进，并进行有效实施。

课程目标5.训练学生在项目实施过程中的团队协助与沟通的能力。

2 传统教学过程中存在的主要问题

“液态成型综合实践”课程是以特定的零件为对象，通过进行单件小批量试制生产为载体开展工程实践，在传统教学中由于现场条件制约，所能提供的教学案例是较为简单的零件，并非全部来源于工程实际，这就导致实践的课题缺乏前沿性、时代性和工程背景，在实践过程中难以建立起与时俱进的工程意识，难以提高其工程应用能力;其次，在学生在实践过程中更多的是在指导老师的讲授和示范下实施特定的成型方案，缺乏自主性和创新性，也制约了创新能力的培养;第三，由于对传统铸造生产环境较差的印象导致综合实践过程对学生吸引力不够，急需更新颖的教学手段来提升学生学习的兴趣与热情。

3 教学改革实施措施

3.1 构建新的教学体系，加强工程应用背景

针对学生毕业要求和本课程所需知识结构，在原有专业课程基础上新增了《三维测量与逆向设计》和《快速制造技术》两门理论课程，改革前后教学环节对比如图1所示。通过《三维测量与逆向设计》课程的学习，使学生具备传统正向设计和新兴逆向设计相结合的设计建模能力，可以将来源于工程实际的实物零件变为数模，以此为实践课题对象，更接近生产实际，能发挥更好的教学效果。由此以来，由于课题来源的多样性，对综合实践实施过程所需的工装制作要求也随之提高，需要有更快捷更高效的制造设备和手段，因此，进一步将3D打印技术引入教学环节，通过这一手段可以很好地解决这一难题。通过《快速制造技术》课程的学习，使学生掌握多种3D打印工艺的原理、设备、成型材料、特点等知识，从而可以在实践过程中根据课题情况选择合适的3D打印工艺完成工装制造，对课题的顺利进行提供了有力的保障。纵观在整个教学体系，可以看出通过多环节训练，将学生将所学专业知识系统关联起来，对培养学生系统的思维能力有着重要意义。

3.2 开展校企合作进行协同育人

产教融合协同育人模式是当前应用型本科高校的热点问题，近些年很多高校对协同育人模式进行了广泛的探索，大多是学校“走出去”合作模式，而湖北汽车工业学院在产教融合协调育人方面开辟了一个更新颖的模式，通过引进专业3D打印生产企业进入学校，共享学校和企业的软硬件资源，在校内共建实践基地和研发中心，形成“引进来”合作模式，主动拥抱先进生产力，开展协同育人。在3D打印课程学习过程中，充分利用实践基地的条件，邀请企业技术人员为学生讲解工程案例、演示讲解各种成形设备工作原理与成形过程、学生亲自参与生产等环节，通过现场教学让学生直观学习各种3D打印工艺的特点、区别与应用场景，为在液态成形综合实践课题实施过程中选择合理的成形方案奠定基础，同时也拓展了专业视野。