朱雪明，楊俊杰，王鳳華，王洪九

（1.江漢大學 工程訓練中心，湖北 武漢 430056；2.江漢大學 智能制造學院，湖北 武漢 430056）

0 引言

為貫徹落實“中國制造2025”“大眾創(chuàng)新，萬眾創(chuàng)業(yè)”等國家戰(zhàn)略思想，教育部自2017 年以來著力推進我國高等工程教育改革（簡稱“新工科”），并通過“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”構(gòu)成了我國高等教育“新工科”發(fā)展新格局，“新工科”建設(shè)已然成為我國高校高等教育建設(shè)熱門領(lǐng)域[1-5]。

相比傳統(tǒng)工科，新工科教學強調(diào)提升學生綜合能力，其教學方法和教學模式都發(fā)生了巨大轉(zhuǎn)變[6-7]。孫康寧等[8]提出了基于KAPI（知識、能力、實踐、創(chuàng)新）的實訓教學體系，并在山東大學、長春理工大學等學校工程訓練中心開展實踐。吳亞輝、張英琦等[9]提出將創(chuàng)客教育融入實訓環(huán)節(jié)，建立了“一立項三報告”階段化的訓練模式。汪文凌等[10]設(shè)計了以項目為導向的系列工程訓練項目，將實訓內(nèi)容帶入具體項目中幫助學生更好的理解工科教育中的重難點。研究表明，新工科背景下的高校人才培養(yǎng)，相較于增設(shè)新的教學內(nèi)容，教學理念和教學方法改革更應被關(guān)注。

工程訓練是各高校作為培養(yǎng)學生工程實踐能力和創(chuàng)新能力的重要環(huán)節(jié)。在新工科背景下，各高校近年來不斷改革其教學方式，其中3D 打印因其個性化制作、應用廣泛和無限可能性等特點[11]，在高校工程訓練課程中受到了越來越多學生的喜愛，促使3D 打印實訓教學對課程設(shè)置和教學質(zhì)量要求隨之提高。為提高實訓教學質(zhì)量，江漢大學工程訓練中心進行了基于OBE 理念以項目為導向的3D 打印工程實訓教學改革。

1 “3D 打印實訓課程”教學現(xiàn)狀及存在的問題

“3D 打印實訓課程”作為工程訓練的主干課程，它包含理論講授與實踐操作兩部分內(nèi)容。作為面向全校本科生的實踐類課程，因為學生專業(yè)背景復雜，教學過程中不同的學生學習效果存在一定差異，因此課堂教學中會存在以下幾點問題：

1.1 實訓內(nèi)容與學生專業(yè)背景脫節(jié)

工程訓練系列課程，作為江漢大學面向本科生開設(shè)的公共基礎(chǔ)課，在2019 年修訂人才培養(yǎng)方案后，由僅面向機類和近機類學生轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫦蛉w在校本科生開設(shè)。其中，3D 打印技術(shù)實訓課程作為工程訓練系列課程的重要組成部分，對所有學生均有開設(shè)。根據(jù)不同專業(yè)學生的知識結(jié)構(gòu)及專業(yè)背景，將工程訓練課程按照課程難度劃分為多個層次：理工科類學生3D打印實訓課程，授課時長為8 學時，授課類型為設(shè)計制作型；人文社科類學生授課時長為2～4 學時，授課類型為基礎(chǔ)認知型。雖然課程內(nèi)容已按照學生專業(yè)的不同進行調(diào)整，但課堂教學中，仍然存在不同專業(yè)學生對于3D 打印實訓課程興趣不一的問題，且不同專業(yè)學生對于課程知識點理解不一致，導致實訓任務(wù)完成度不一致，最終導致課程整體學習效果參差不齊。

1.2 不同實訓課程之間缺乏聯(lián)系

現(xiàn)代的工程訓練教學體系與教學內(nèi)容主要承襲上世紀70、80 年代的實習工廠和金工實習，某些課程的教學內(nèi)容已多年未做調(diào)整[12]。而3D 打印技術(shù)作為近年來興起的先進制造技術(shù)，其技術(shù)本身具備傳統(tǒng)加工手段所不具有的特點及優(yōu)勢。學生在一段時間內(nèi)同時經(jīng)歷現(xiàn)代和傳統(tǒng)兩個不同階段的教學內(nèi)容，難免會有所對比，產(chǎn)生“某堂課有意思”，“某堂課無趣”等消極觀點，不利于學生的工程訓練整體課程學習。

1.3 實訓課程內(nèi)容未體現(xiàn)學生綜合素質(zhì)培養(yǎng)

傳統(tǒng)的工程訓練課程強調(diào)技能的傳授，教學模式偏向師徒傳授的模式，強調(diào)“老師教，學生做”，注重學生技能水平的提升，但對于學生綜合素質(zhì)、創(chuàng)新思維和團隊協(xié)作能力的提升關(guān)注較少。而基于項目導向的教學模式更加強調(diào)以學生為教學活動主體，強調(diào)培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題，解決問題的綜合能力，對于學生的綜合素質(zhì)提升提出了更高要求。

2 探索以項目為導向的工程訓練教學模式

現(xiàn)階段，3D 打印實訓課程主要是“命題作文”，即老師設(shè)定實訓內(nèi)容，學生通過繪制或選擇模型完成3D 打印操作訓練。學生在實訓過程中學習3D 打印知識，并操作設(shè)備完成實訓課程，僅僅實現(xiàn)了技能的提升，較少結(jié)合和運用學生自身所學的專業(yè)知識[13]。為了符合新工科背景下的人才培養(yǎng)要求，3D 打印實訓教學應當以培養(yǎng)綜合型、創(chuàng)新型和應用型人才為目標，通過貼近實際的教學情境幫助學生在課堂上以實踐的方式提升技能，同時對所學專業(yè)知識進行驗證，賦予學生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力[14]。以3D 打印實訓課程為切入點，探索項目制為導向的工程訓練課程教學模式，在教學內(nèi)容設(shè)計上應由基礎(chǔ)驗證型向探究綜合型轉(zhuǎn)變，實訓課程在滿足技能提升的基礎(chǔ)上進一步擴展，實訓項目設(shè)計應考慮學生專業(yè)背景及專業(yè)特點，綜合參考實際案例（如學科競賽、學生科研項目等）將專業(yè)課程內(nèi)容與工程訓練實踐相結(jié)合[15]。授課過程中教師應當注意引導學生，合理選擇教學手段，鼓勵學生相互交流和團隊合作，激發(fā)學生學習積極性和主動性。

2.1 課程教學體系改革的意義

構(gòu)建以項目為導向，并與學生專業(yè)特點及實際案例相結(jié)合的3D 打印實訓教學體系，注重教學內(nèi)容和教學方法改革，能幫助學生在實踐過程中綜合運用所學知識和技能方法解決問題。教學中學生通過參與由真實案例轉(zhuǎn)化而來的實訓項目，要求學生獨立解決工程實踐問題，實訓過程更加貼近實際。通過參與實訓課程，一方面學生在情景式的項目實踐中提升專業(yè)知識水平和工程實踐能力，另一方面教師可以通過實訓教學項目發(fā)掘優(yōu)秀學生，為校內(nèi)的工程創(chuàng)新活動儲備人才。再者，實訓過程中鼓勵學生組成團隊，通過分工協(xié)作的方式完成實訓課程，鼓勵學生加強交流，增進互動以提高學生的團隊合作意識。

2.2 教學改革

3D 打印實訓課程由知識點在線預習、課堂理論講授、實踐操作及實訓效果綜合評價四個部分組成。實訓過程中，基于構(gòu)建工程實踐情境的實訓項目，教師引導學生團隊分工協(xié)作，完成作品的資料查找、設(shè)計建模、3D 打印和拼接組裝，最后通過多種形式對作品進行綜合考評。通過助力學生社團活動、指導大學生學科競賽和大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目等方式，將工程實踐能力培養(yǎng)及創(chuàng)新思維訓練滲透進人才培養(yǎng)全過程，為應用型、創(chuàng)新型人才培養(yǎng)目標作出貢獻。本課程教學體系如圖1。

圖1 3D 打印教學體系構(gòu)建

2.2.1 課前預習

江漢大學工程訓練中心制作了系列工程訓練在線課程，學生自主學習時，可提前預習3D 打印實訓課程相關(guān)章節(jié)，了解3D 打印實訓的背景知識、技術(shù)特點、設(shè)備使用方法等內(nèi)容。教師提前將項目案例及實訓內(nèi)容發(fā)布在該平臺上，通過了解學生的預習情況掌握學生興趣點及課程重難點的接受情況，在實訓課程時可進行針對性講授。學生根據(jù)教師發(fā)布的案例及實訓內(nèi)容，了解實訓目的和要求，搜集技術(shù)資料，提前構(gòu)思實訓作品方案。3D 打印實訓在線課程是課堂實訓教學的有力補充，拓寬了學生的知識邊界，使學生通過預習的方式，接觸到課程相關(guān)教學資源，為3D打印實訓課程的開展打下了基礎(chǔ)，本課程網(wǎng)課開設(shè)情況見圖2。

圖2 網(wǎng)課開設(shè)情況

2.2.2 理論講授

課堂理論講授，包括有3D 打印技術(shù)發(fā)展歷史沿革，不同3D 打印技術(shù)的技術(shù)特點，3D 打印技術(shù)在生活中的應用場景等多個方面，以及基于FDM（熔融沉積成型）技術(shù)的3D 打印機操作要點及其切片軟件的使用方法，另外根據(jù)授課對象不同可適當引入三維軟件建?；A(chǔ)知識。教師通過講授案例引入授課內(nèi)容，通過案例講解，使學生能夠了解實訓要求及目的，并據(jù)此進行作品設(shè)計和三維建模。根據(jù)人才培養(yǎng)方案，江漢大學理工科類學生在參與工程訓練前已進行過三維建模軟件的基礎(chǔ)學習，具有三維建模基礎(chǔ)能力，故在3D 打印實訓課程中，實訓教師僅需根據(jù)實訓項目的特點講授相應的建模技巧及要點，學生通過自主學習亦能掌握相關(guān)知識。

2.2.3 實踐操作

實踐操作環(huán)節(jié)，學生被分為若干個小組依靠團隊協(xié)作完成實訓內(nèi)容。實踐操作包括作品討論、設(shè)計建模和3D 打印3 個環(huán)節(jié)。

（1）作品討論。通過課堂理論講授和項目案例講解，使學生了解實訓任務(wù)和實訓目標，根據(jù)實訓任務(wù)將學生分成若干個團隊。學生團隊根據(jù)實訓任務(wù)目標和已掌握知識討論設(shè)計方案，團隊成員可就作品本身進行充分溝通并最終確定實訓作品的設(shè)計方案。在討論過程中，團隊成員要考慮作品的功能性是否滿足要求，作品零件是否可制造，外購件的尺寸規(guī)格以及裝配零件的制造精度等問題。討論環(huán)節(jié)將貫穿項目進行全過程，通過小組討論可鍛煉學生自我調(diào)節(jié)和相互協(xié)作能力。

（2）設(shè)計建模。學生團隊通過討論環(huán)節(jié)確定設(shè)計方案后，組長根據(jù)團隊成員構(gòu)成進行任務(wù)分配，在設(shè)計建模過程中團隊成員保持交流溝通。建模過程中遇到難點學生團隊可求助教師，教師引導學生團隊通過溝通交流解決問題，學生團隊在繪制數(shù)模的過程中，應注意運用專業(yè)知識，模型設(shè)計應滿足機械設(shè)計的合理性和3D 打印機的可制造性。

（3）3D 打印。學生掌握3D 打印機的操作方法后可獨立完成模型3D 打印，打印過程學生團隊相互協(xié)作，打印時需綜合考慮尺寸大小、填充密度、打印支撐等參數(shù)。最后，將3D 打印得到的零件進行裝配檢查，并按照實訓課程要求，進行運動驗證，并就驗證情況進行修改直到最終獲得符合功能要求的實訓作品。3D 打印課程實訓作品（橡皮筋小車）如圖3。

圖3 學生小組的3D 打印作品

2.2.4 評價考核

課程的考核保持了原來的評價方式和評價比例，同時為了增加實訓過程的趣味性，并激發(fā)學生的競爭意識，可通過比賽的方式評價學生作品，比賽成績較好的學生可適當獲得加分。學生團隊實訓作品打印完成后將集中展評，在展評過程中教師引導學生對作品從技術(shù)指標、創(chuàng)意、打印參數(shù)設(shè)置等多方面進行介紹，并且鼓勵其他學生對作品進行討論、評價。最后教師就作品的優(yōu)缺點、學生團隊在實訓過程中的表現(xiàn)等進行點評、考核。

2.3 課程設(shè)置

目前，本3D 打印實訓課程開設(shè)對象為江漢大學理工科類專業(yè)學生，教學時長為8 學時，開設(shè)專業(yè)包括智能制造、機械制造與自動化、材料成型及控制工程和工業(yè)設(shè)計等。實訓教學過程中，實訓項目應當充分考慮參訓學生的專業(yè)背景和專業(yè)特點，并結(jié)合學生知識水平和專業(yè)能力進行設(shè)置。

2.3.1 科研、競賽項目化繁為簡

為了貼近工程實際，對理工類大學生學科競賽中的經(jīng)典賽題和大學生科研中具有代表性的科研項目，進行適當修改以降低難度，將一些專業(yè)性要求高的或制作難度過大的內(nèi)容進行刪改，按照教學要求化繁為簡，設(shè)計出一系列適合學生參與制作的項目，如橡皮筋小車、單電機機器人、螺紋配合模型等。

2.3.2 實訓課程融合項目化

與其他工程訓練課程相結(jié)合，如傳統(tǒng)加工中的鉗工和電工電子等實訓課程，結(jié)合不同實訓課程的專業(yè)特點，取長補短設(shè)計系列項目使學生綜合運用工程訓練系列課程知識。例如，鉗工教學中的某些作品可以改造為3D 打印實訓項目，并設(shè)計成“鉗工+3D 打印”的綜合性項目。電工電子教學中，某些作品外殼可以改為3D 打印設(shè)計并制作，學生通過3D 打印制作個性化作品，與電工電子課程相結(jié)合，以提供作品的外觀和功能驗證。

2.4 教學改革的實踐效果

經(jīng)過多輪次的教學實踐，該課程形成了課前線上預習、課堂理論講授、教師以項目案例為引導，學生團隊合作完成實訓內(nèi)容的工程訓練教學模式。一方面，改革后的3D 打印技術(shù)實訓課程，在實訓內(nèi)容設(shè)置上更貼近學生專業(yè)特點，項目進行過程中教師引導學生發(fā)現(xiàn)問題解決問題，能夠充分調(diào)動學生的積極性和參與度。特別是采用競賽的形式對實訓作品進行評判，激發(fā)了學生的競爭意識和主觀能動性，課堂上學生能夠通過主動交流溝通解決問題，經(jīng)過學生團隊協(xié)作完成實訓項目后，學生獲得感強，教學效果反饋較好。另一方面，貼近學科競賽和大學生科研的實訓項目，能起到選拔優(yōu)秀學生的作用，通過此方式組成的學生團隊在各類工程創(chuàng)新活動中取得了良好成績。

3 課程教學團隊所取得教改成績

3D 打印實訓課程教學改革推行以來，課程教學團隊取得了一定的教學改革成果。兩年來，團隊教師指導的學生在各類大學生學科競賽中獲得省級、國家級獎勵多項，教學改革效果獲得了學生的充分認可。通過項目式的教學方式，學生課堂學習由“被動響應”變?yōu)椤爸鲃犹骄俊保虒W過程以學生團隊為主體，激發(fā)了不同學生的專業(yè)特長。同時，教師也在教學過程不斷完善項目設(shè)置，針對不同專業(yè)背景的學生設(shè)置不同項目，讓工程訓練課程更加貼近實際項目運作。

4 結(jié)語

在新工科建設(shè)背景下，江漢大學工程訓練中心探索了以項目為導向的3D 打印工程實訓課程。以教師為引導，學生團隊交流協(xié)作完成實訓課程的教學方式，在提高工程訓練課堂教學質(zhì)量的同時，激發(fā)了學生學習熱情，增強了學生的參與感和獲得感。通過課程中教學內(nèi)容的設(shè)置，培養(yǎng)了學生的工程素養(yǎng)，提高了工程實踐能力；通過大學生學科競賽、大學生科研活動等方式，進一步助力了應用型、創(chuàng)新型人才培養(yǎng)目標的實現(xiàn)。