FDM 3D打印技術(shù)在“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”探究性教學(xué)實(shí)踐中的應(yīng)用

孫建芳，陳澤達(dá)，唐邕濤，胡廣華，張 東

(華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，廣東 廣州 501640)

教育部高等教育司關(guān)于開(kāi)展新工科研究與實(shí)踐的通知中指出，當(dāng)前國(guó)家推動(dòng)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展，對(duì)工程技術(shù)人才提出了更高要求，迫切需要加快工程教育改革創(chuàng)新[1]。熔融沉積成型(fused deposition modeling，F(xiàn)DM) 3D打印技術(shù)逐漸進(jìn)入大學(xué)教育并廣泛應(yīng)用于骨科臨床教學(xué)、解剖學(xué)教學(xué)和服裝設(shè)計(jì)教學(xué)改革中，極大地增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的樂(lè)趣和自主性[2-6]。探究性教學(xué)模式是一種在教學(xué)過(guò)程中對(duì)主要知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行自主學(xué)習(xí)、深入探究并進(jìn)行小組合作交流的教學(xué)模式，更有利于充分發(fā)揮學(xué)生的主體作用，有利于學(xué)生創(chuàng)新思維與創(chuàng)新能力的形成與發(fā)展[7]。 “機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”課程作為機(jī)械類和近機(jī)械類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，具有較強(qiáng)的應(yīng)用性和實(shí)踐性，是培養(yǎng)學(xué)生綜合設(shè)計(jì)能力、創(chuàng)新能力的重要課程，因此對(duì)“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”的教學(xué)實(shí)踐提出新的需求，而FDM 3D打印技術(shù)的引入為“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”探究性教學(xué)實(shí)踐提供了新的思路[8-10]。

本文結(jié)合“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”教學(xué)實(shí)踐的特點(diǎn)，提出了基于FDM 3D打印的“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”探究性教學(xué)模式的實(shí)施方法與步驟，不僅在“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”教學(xué)實(shí)踐中補(bǔ)充和深化現(xiàn)有教學(xué)內(nèi)容，而且引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行3D打印示教機(jī)的設(shè)計(jì)、組裝和應(yīng)用。最后，對(duì)基于FDM 3D打印技術(shù)的“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”探究性教學(xué)實(shí)施效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

1 存在問(wèn)題

目前，“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”教學(xué)實(shí)踐中普遍存在的問(wèn)題：

1)缺少課外拓展知識(shí)。

由于受到學(xué)時(shí)限制， 課堂教學(xué)以傳授基礎(chǔ)知識(shí)和基本原理為首要任務(wù), 如在“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”課程的傳統(tǒng)教學(xué)實(shí)踐中，主要講授螺紋靜連接和V帶傳動(dòng)[11]，而這些知識(shí)不能滿足現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)的需求，“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”的經(jīng)典教學(xué)內(nèi)容缺乏引入科技前沿知識(shí)、研究熱點(diǎn)知識(shí)以及與機(jī)械設(shè)計(jì)相關(guān)的拓展知識(shí)。隨著3D打印技術(shù)在教育領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，需要在“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”教學(xué)中引入與3D打印技術(shù)相關(guān)的機(jī)械設(shè)計(jì)課外拓展知識(shí)，以滿足學(xué)生自主學(xué)習(xí)的需要。

2)缺乏對(duì)學(xué)生探究問(wèn)題能力和自主創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

傳統(tǒng)的“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”教學(xué)中金屬實(shí)物模型不便帶入教室，學(xué)生只能在實(shí)驗(yàn)室觀摩實(shí)物模型，無(wú)法通過(guò)問(wèn)題探究的方式親自深入地設(shè)計(jì)和制造教學(xué)實(shí)物模型，因此需要在“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”教學(xué)實(shí)踐中引導(dǎo)學(xué)生積極參與教具的設(shè)計(jì)和3D 打印，培養(yǎng)學(xué)生探究問(wèn)題的能力和自主創(chuàng)新的能力，滿足學(xué)生主動(dòng)融入機(jī)械設(shè)計(jì)工程的需求。

2 基于FDM 3D 打印的“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”探究性教學(xué)模式的設(shè)計(jì)與實(shí)踐

為了極大地激發(fā)學(xué)生主動(dòng)探索知識(shí)的積極性，基于FDM 3D打印的“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”探究性教學(xué)模式的實(shí)施方法與步驟如圖1所示。這里以學(xué)生為主體、教師為引導(dǎo)、問(wèn)題為載體，采用課前知識(shí)傳遞-課堂知識(shí)內(nèi)化-課后知識(shí)鞏固與拓展3個(gè)步驟進(jìn)行“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”探究性教學(xué)。

圖1 基于FDM 3D打印技術(shù)的“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”探究性教學(xué)模式的實(shí)施方法與步驟

2.1 基于引入問(wèn)題和網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行課前教學(xué)設(shè)計(jì)

教師通過(guò)設(shè)計(jì)一些能夠讓學(xué)生產(chǎn)生共鳴或認(rèn)知沖突的情景，引入可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的問(wèn)題，并根據(jù)授課的主題和重難點(diǎn)合理安排具有可控性和延伸性的教學(xué)內(nèi)容。本教學(xué)團(tuán)隊(duì)基于學(xué)堂在線平臺(tái)建設(shè)了 “機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”mooc網(wǎng)站，可以提供章節(jié)的授課視頻、課件ppt及對(duì)應(yīng)的自測(cè)題目 (訪問(wèn)路徑：https://next.xuetangx.com/course/SCUT08021000142/1515834)，鼓勵(lì)學(xué)生結(jié)合教學(xué)目標(biāo)及任務(wù)，通過(guò)教材、文獻(xiàn)、課程平臺(tái)、互聯(lián)網(wǎng)等多個(gè)渠道完成課前學(xué)習(xí)，并通過(guò)回答問(wèn)題和系統(tǒng)自測(cè)來(lái)檢查課前學(xué)習(xí)效果。例如，在“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”課程教學(xué)中，引入3D打印與機(jī)械設(shè)計(jì)相關(guān)的絲杠傳動(dòng)、同步帶傳動(dòng)、送絲機(jī)構(gòu)和噴頭擠出設(shè)計(jì)等拓展知識(shí)，具體見(jiàn)表1，并通過(guò)學(xué)堂在線、QQ 和移動(dòng)學(xué)習(xí)平臺(tái)向?qū)W生推送相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)資源，學(xué)生通過(guò)觀看授課視頻等和回答引入的問(wèn)題，完成課前學(xué)習(xí)任務(wù)，形成解決3D打印工程問(wèn)題的思維方式。

表1 基于FDM 3D打印示教機(jī)的探究性教學(xué)實(shí)踐的拓展知識(shí)

2.2 基于合作討論及問(wèn)題探究的課堂交互教學(xué)

教師根據(jù)學(xué)生課前學(xué)習(xí)效果及時(shí)發(fā)現(xiàn)學(xué)生理解或掌握不到位的知識(shí)點(diǎn)及存在的問(wèn)題，在此基礎(chǔ)上以小組交流、討論、協(xié)助的形式，教師有針對(duì)性地進(jìn)行答疑解惑，通過(guò)師生互動(dòng)、學(xué)生之間互動(dòng)來(lái)深化課前學(xué)習(xí)的內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的深化、拓展和應(yīng)用。例如，在“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”課堂教學(xué)中，通過(guò)FDM 3D打印桌面型示教機(jī)中的絲杠傳動(dòng)、同步帶傳動(dòng)、送絲機(jī)構(gòu)和噴頭等典型機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行分組討論與問(wèn)題探究，教師對(duì)整個(gè)過(guò)程中暴露出的難點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行解析。另外，鼓勵(lì)學(xué)生采用SolidWorks軟件進(jìn)行FDM 3D打印示教機(jī)的三維建模，所建模型如圖2所示，主要由機(jī)架1、噴頭擠出裝置2、同步輪3、同步帶 4、送絲機(jī)構(gòu)5、熱床6和滾珠絲桿裝置7組成。最后，學(xué)生可以組裝3D打印示教機(jī)實(shí)物(如圖3所示)并在課堂上進(jìn)行成果展示，從而使學(xué)生主動(dòng)地融入到機(jī)械設(shè)計(jì)工程實(shí)踐中。

1—機(jī)架；2—噴頭擠出裝置；3—同步輪；4—同步帶；5—送絲機(jī)構(gòu)；6—熱床；7—滾珠絲桿裝置

圖3 FDM 3D打印示教機(jī)實(shí)物

2.3 通過(guò)總結(jié)梳理和實(shí)踐應(yīng)用實(shí)現(xiàn)課后鞏固拓展

采用教師評(píng)價(jià)和學(xué)生互評(píng)等多種評(píng)價(jià)形式完成課后總結(jié)反饋環(huán)節(jié)。具體地，首先對(duì)課前知識(shí)和課中知識(shí)的掌握程度進(jìn)行學(xué)習(xí)、評(píng)價(jià)，然后教師通過(guò)學(xué)習(xí)平臺(tái)布置課后作業(yè)，促進(jìn)學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)的梳理和總結(jié)，在此基礎(chǔ)上，提供一些工程實(shí)際應(yīng)用的拓展資源，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)踐驗(yàn)證與應(yīng)用。例如，在“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”課程教學(xué)中，學(xué)生選用自行設(shè)計(jì)和組裝的3D打印示教機(jī)，進(jìn)行四桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、輪系、螺紋連接、軸系等典型教具的三維建模和3D打印，其中3D打印的差動(dòng)輪系教具如圖4所示。在教學(xué)實(shí)踐中，學(xué)生親自設(shè)計(jì)和3D打印典型教具，且所設(shè)計(jì)的教具可以方便地融入課堂教學(xué)，從而極大地彌補(bǔ)學(xué)生對(duì)實(shí)物想象的不足。

圖4 3D打印差動(dòng)輪系教具

3 FDM 3D打印在“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”探究性教學(xué)實(shí)踐的評(píng)價(jià)方式和效果

以2017 級(jí)過(guò)程裝備與控制工程專業(yè)2個(gè)班(共60 名學(xué)生)為例，將其分為實(shí)驗(yàn)組(30名) 和對(duì)照組(30名)，實(shí)驗(yàn)組采用FDM 3D打印技術(shù)結(jié)合探究式教學(xué)模式完成“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”課程的教學(xué)任務(wù)，對(duì)照組采取傳統(tǒng)教學(xué)法完成教學(xué)任務(wù)。通過(guò)成績(jī)統(tǒng)計(jì)和問(wèn)卷調(diào)查，詳細(xì)分析FDM 3D打印在“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”探究性教學(xué)實(shí)踐的實(shí)施效果。使用 SPSS 22.0軟件分析采集數(shù)據(jù)，兩組數(shù)據(jù)對(duì)比采用兩個(gè)獨(dú)立樣本對(duì)比t 檢驗(yàn)，P<0.05表示差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

3.1 學(xué)生成績(jī)分析

總評(píng)成績(jī)采用百分制，由平時(shí)實(shí)踐成績(jī)(30%)和期末成績(jī)(70%)組成，成績(jī)采用平均值x±標(biāo)準(zhǔn)差s的方式表示，兩組學(xué)生總評(píng)成績(jī)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。由表2可知，實(shí)驗(yàn)組的平時(shí)實(shí)踐成績(jī)、期末成績(jī)和總評(píng)成績(jī)的平均值比對(duì)照組分別提高了5.57%、7.22%和6.70%，表明FDM 3D打印在“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”探究性教學(xué)實(shí)踐取得了較好的效果。

表2 兩組學(xué)生總評(píng)成績(jī)統(tǒng)計(jì)

3.2 問(wèn)卷調(diào)查分析

通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐效果的評(píng)價(jià)，并采用探索性因子分方法對(duì)結(jié)構(gòu)效度進(jìn)行檢驗(yàn)，經(jīng)過(guò)對(duì)問(wèn)卷進(jìn)行信度分析，問(wèn)卷的內(nèi)部一致性系數(shù)為0.962，說(shuō)明問(wèn)卷有較好的信度和效度。在教學(xué)實(shí)踐效果的評(píng)價(jià)中，以n(%)表示計(jì)數(shù)的兩級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)，如表3所示。由表3可知，實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組在信息技術(shù)應(yīng)用感知方面沒(méi)有太大的差異，但實(shí)驗(yàn)組的情感投入、教學(xué)互動(dòng)、主動(dòng)合作、探究式教學(xué)、研討教學(xué)、應(yīng)用實(shí)踐和創(chuàng)新創(chuàng)造等二級(jí)指標(biāo)的評(píng)價(jià)結(jié)果明顯優(yōu)于對(duì)照組。評(píng)價(jià)結(jié)果表明，基于FDM 3D打印技術(shù)的“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”探究性教學(xué)實(shí)踐更有利于調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，且對(duì)學(xué)生提高交流表達(dá)能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和探究能力具有重要意義。

表3 教學(xué)實(shí)踐效果評(píng)價(jià)[n=30, n(%)]

4 結(jié)束語(yǔ)

在“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”課程教學(xué)中采用FDM 3D打印技術(shù)結(jié)合探究式教學(xué)模式完成教學(xué)任務(wù)，促進(jìn)了問(wèn)題導(dǎo)向探究性教育和現(xiàn)代教育技術(shù)的融合，使學(xué)生變被動(dòng)學(xué)習(xí)為自主探究式的主動(dòng)學(xué)習(xí)，在加強(qiáng)學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)掌握和提升工程能力等方面取得了顯著成效。 “機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”課程是2018年華南理工大學(xué)探究式本科教學(xué)示范課程，新的教學(xué)模式取得了良好的教學(xué)效果，且為建設(shè)教學(xué)內(nèi)容和優(yōu)化教學(xué)方法及考核方式提供了有效思路。