快速成型技術(shù)課程教學(xué)研究與實(shí)踐

■ 河南工學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院 陶 凱 郭朝博 張愛(ài)民 王會(huì)敏

■ 河南工學(xué)院圖書(shū)館 韓 璐

■ 河南工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院 康玉輝

1 快速成型課程教學(xué)基本情況

快速成型技術(shù)課程教學(xué)創(chuàng)新主要基于材料類本科專業(yè)(如材料成型及控制工程、材料科學(xué)與工程)的專業(yè)課程“快速成型技術(shù)”開(kāi)展工作。主要介紹常用快速成型(RP)工藝、材料、設(shè)備、數(shù)據(jù)處理等方面的基礎(chǔ)理論與應(yīng)用。學(xué)生經(jīng)過(guò)本課程的學(xué)習(xí),能夠掌握快速成型技術(shù)的基本原理和操作方法,熟悉相應(yīng)材料及工藝設(shè)備,了解相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì),具備課程方向的工程應(yīng)用和繼續(xù)學(xué)習(xí)能力,為后續(xù)的課程及畢業(yè)后工作或深造打下基礎(chǔ)。目前不少高校的快速成型技術(shù)課程教學(xué)中仍存在著教學(xué)方法單一、技術(shù)進(jìn)展內(nèi)容欠缺等問(wèn)題。本文從理論教學(xué)內(nèi)容、課程教學(xué)模式、課程教學(xué)方式、方法與手段、考核方式以及課程線上資源建設(shè)等方面對(duì)該課程進(jìn)行改革創(chuàng)新工作。

2 快速成型技術(shù)課程教學(xué)研究探索

快速成型技術(shù),也稱3D打印或增材制造技術(shù)課程是目前國(guó)內(nèi)高校中材料類和機(jī)械類等工科專業(yè)普遍開(kāi)設(shè)的專業(yè)課程,該課程所涵蓋內(nèi)容豐富多樣,且更新變化速度快,包括理論和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)環(huán)節(jié)。針對(duì)該特點(diǎn),本項(xiàng)目在學(xué)生扎實(shí)理解和掌握理論知識(shí)基礎(chǔ)上,強(qiáng)化知行結(jié)合的實(shí)踐應(yīng)用能力,本著“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念,在理論和實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)都進(jìn)行了教學(xué)創(chuàng)新工作。

2.1 充實(shí)多樣的教學(xué)內(nèi)容

本著全面學(xué)習(xí)快速成型領(lǐng)域的主流先進(jìn)技術(shù)為目的,課程講授中不但涵蓋教材中成熟的技術(shù)理論和應(yīng)用,還通過(guò)多種手段補(bǔ)充教材之外的最新行業(yè)技術(shù)進(jìn)展情況。教學(xué)內(nèi)容包含精彩的國(guó)內(nèi)外科研進(jìn)展、科技獎(jiǎng)項(xiàng)、行業(yè)展會(huì)、產(chǎn)品發(fā)布、應(yīng)用實(shí)況、市場(chǎng)資訊等視頻資源或圖文描述,做到應(yīng)用案例更新快,形式豐富新穎。例如,在講授選擇性激光燒結(jié)/熔化(SLS/SLM)技術(shù)章節(jié)時(shí),在該技術(shù)相應(yīng)的概念、原理等基礎(chǔ)理論基礎(chǔ)上,采用視頻和圖片等形式加入了SLS技術(shù)制作武器零件、航空發(fā)動(dòng)機(jī)組件等應(yīng)用實(shí)況,介紹了近期我國(guó)中車工業(yè)研究院突破空客公司專利限制,采用SLM技術(shù)制備高強(qiáng)鋁合金樣件,可滿足國(guó)內(nèi)軌道交通和航空航天等高端制造需求。還節(jié)選了央視一套《開(kāi)講啦》節(jié)目中金屬3D打印方向的中國(guó)工程院院士王華明教授的講演內(nèi)容。課后在本課程的線上網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)中發(fā)布了近期中國(guó)增材制造年會(huì)中關(guān)于SLM技術(shù)工業(yè)化進(jìn)程的報(bào)道內(nèi)容,并提供相關(guān)主題,供學(xué)生擴(kuò)展學(xué)習(xí)和討論。這些豐富的教材內(nèi)外資源可顯著提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,同時(shí)自然地融入了思政內(nèi)容。

2.2 以學(xué)生為中心的教學(xué)模式

采用以學(xué)生為中心的教學(xué)模式,部分課時(shí)采用反轉(zhuǎn)課堂的形式。通過(guò)提前選定任務(wù),學(xué)生提前預(yù)習(xí),出想法或方案,課堂交流討論的方式,既能調(diào)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)性和創(chuàng)造性,又可豐富教學(xué)形式,調(diào)節(jié)課堂氛圍,讓每位學(xué)生都主動(dòng)地思考,辯證地學(xué)習(xí)。學(xué)生在精心設(shè)計(jì)的教學(xué)活動(dòng)中可以循序漸進(jìn)地掌握專業(yè)理論知識(shí),并在不同的應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)定下辯證地思考判斷每種技術(shù)的特點(diǎn)、適用性以及發(fā)展方向。

2.3 靈活合理的教學(xué)方法

采用引導(dǎo)式的教學(xué)方式,充分利用多媒體教學(xué)優(yōu)勢(shì),以提升學(xué)習(xí)效果。在日常教學(xué)課堂中,引入豐富的多媒體資源,涵蓋理論和實(shí)踐內(nèi)容。針對(duì)特定的技術(shù)分支,教學(xué)內(nèi)容中既包含基本概念、技術(shù)內(nèi)容的文字描述,也給出工藝流程的示意圖和標(biāo)注,還會(huì)播放典型產(chǎn)品演示和生產(chǎn)應(yīng)用的視頻資源并進(jìn)行互動(dòng)性評(píng)述。這種啟發(fā)式、參與式和討論式教學(xué)方式顯著改善了學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度和學(xué)習(xí)效果。

2.4 全方位考核

本項(xiàng)目課程采用全過(guò)程考核管理,即多種形式的平時(shí)考核與期末考查相結(jié)合,貫穿課程始末?？己朔绞胶侠矶鄻?考核總成績(jī)由課程論文和作業(yè)評(píng)價(jià)、階段測(cè)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、專題報(bào)告等過(guò)程性評(píng)價(jià)成績(jī)加權(quán)計(jì)算。過(guò)程性評(píng)價(jià)分值分配及期末考核內(nèi)容與教學(xué)大綱各章節(jié)的學(xué)時(shí)基本成比例,評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)明確。

為激發(fā)學(xué)生的積極性,充分體現(xiàn)其個(gè)性和愛(ài)好,課程論文選題自擬,可針對(duì)典型的快速成型技術(shù)或樣件,從三維建模、數(shù)據(jù)處理、工藝方法、檢測(cè)分析等方面任選方向編寫(xiě)論文。從提交情況看,論文選題方向多樣,涉及模具工裝、裝備部件、交通載體、醫(yī)學(xué)應(yīng)用、藝術(shù)設(shè)計(jì)等多個(gè)領(lǐng)域,完成質(zhì)量普遍較好。結(jié)合題匯報(bào)和答辯環(huán)節(jié),可更加全面公正地對(duì)課程學(xué)習(xí)效果進(jìn)行考核評(píng)價(jià),學(xué)生對(duì)該考核形式認(rèn)可度較高。

2.5 強(qiáng)化理論和實(shí)踐的關(guān)聯(lián)性

快速成型課程通常設(shè)置有8學(xué)時(shí)的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)直接關(guān)系到學(xué)生對(duì)所學(xué)理論知識(shí)的理解和掌握,更是培養(yǎng)其動(dòng)手操作和工程應(yīng)用能力,達(dá)到知行結(jié)合目的的重要支撐平臺(tái)。課內(nèi)實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)效果也直接影響到學(xué)生在期末考核中的課程論文撰寫(xiě)水平。通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件自主建模結(jié)合線下實(shí)物打印的實(shí)驗(yàn)開(kāi)展方式,強(qiáng)化了理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)操作兩個(gè)環(huán)節(jié)相互的關(guān)聯(lián)性和支持性,引導(dǎo)學(xué)生在課程方向上發(fā)揮主動(dòng)性和個(gè)性愛(ài)好,充分利用互動(dòng)式教學(xué)形式在課上及課下進(jìn)行項(xiàng)目開(kāi)展。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括逆向工程技術(shù)實(shí)驗(yàn)和產(chǎn)品的三維打印實(shí)驗(yàn)。逆向工程實(shí)驗(yàn)是對(duì)教材內(nèi)容的有益補(bǔ)充和就業(yè)創(chuàng)業(yè)的加分技能。三維打印實(shí)驗(yàn)則可用最小成本的FDM設(shè)備讓學(xué)生充分地體驗(yàn)和應(yīng)用所學(xué)知識(shí)在課上的時(shí)間完成一個(gè)實(shí)物樣件的打印?；?次“大實(shí)驗(yàn)課”的課程設(shè)計(jì),每次實(shí)驗(yàn)除了教師的必要講解和演示,每個(gè)學(xué)生分組都可有一定的時(shí)間對(duì)所涉及實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行實(shí)物認(rèn)知和操作體驗(yàn)。鑒于快速成型相關(guān)設(shè)備均具有靈活多樣和柔性化的技術(shù)特點(diǎn),所以根據(jù)每次實(shí)驗(yàn)的具體目標(biāo),學(xué)生需要對(duì)工藝流程、設(shè)備參數(shù)、附件和工輔具等進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)和選擇,以及必要的維護(hù)或調(diào)整改造。該類設(shè)計(jì)和操作環(huán)節(jié)具有很強(qiáng)的訓(xùn)練提升效果,通過(guò)一次或幾次的實(shí)際操作就可使學(xué)生相應(yīng)的理論知識(shí)和實(shí)踐技能有明顯的進(jìn)步提升,也極大地提升了學(xué)生的專業(yè)熱情和就業(yè)或深造的信心。

2.6 在線課程建設(shè)與應(yīng)用

本項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)積極進(jìn)行了線上課程資源建設(shè),在學(xué)校網(wǎng)站的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)中開(kāi)設(shè)了相應(yīng)的在線課程。第一版在線課程視頻錄制采用電腦錄屏的方式進(jìn)行。利用錄屏軟件按照正常線下課堂時(shí)長(zhǎng)提前錄制好講課視頻。待線上開(kāi)課時(shí),利用“釘釘”“QQ”等通用軟件平臺(tái)提供的直播功能進(jìn)行視頻播放,教師本人出鏡顯示在直播界面右上角區(qū)域,直播界面右側(cè)下部區(qū)域設(shè)置為討論區(qū),可顯示簽到情況,話題問(wèn)答情況及實(shí)時(shí)的主題討論信息。此版本線上課程在最近疫情期間已經(jīng)全面運(yùn)行兩個(gè)學(xué)期,效果良好。近期為積極踐行線上線下結(jié)合課程的建設(shè),與專業(yè)視頻制作公司合作進(jìn)行了新版本的線上課程錄制工作。

第一個(gè)版本面向受眾為特定專業(yè)班級(jí)的學(xué)生,通常每次課程為1-2個(gè)行政班。老師對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)該課程前的知識(shí)和技能掌握情況比較了解,對(duì)該課程在之后培養(yǎng)環(huán)節(jié)中起到的支撐作用有所把握,因此針對(duì)性強(qiáng)。通常在每次備課時(shí)都會(huì)設(shè)計(jì)2-4個(gè)課堂中的互動(dòng)環(huán)節(jié),通過(guò)選擇題、判斷題或簡(jiǎn)答題等形式讓同學(xué)們?cè)谂涮椎脑诰€課程網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上進(jìn)行作答,及時(shí)統(tǒng)計(jì)結(jié)果并進(jìn)行分析討論,每個(gè)環(huán)節(jié)時(shí)間都嚴(yán)格控制,從而保證單次線上課程時(shí)長(zhǎng)較準(zhǔn)確地符合課程表時(shí)段要求。

第二版在線課程錄制主要針對(duì)線上線下混合課程的開(kāi)設(shè),面向的受眾更加通用化。由于各專業(yè)學(xué)生課前的知識(shí)體系不盡相同,所以要特別注意本課程內(nèi)容的相應(yīng)理論基礎(chǔ)。在講授過(guò)程中由于沒(méi)有學(xué)生的參與,無(wú)法及時(shí)接收學(xué)生的反饋信息,如對(duì)當(dāng)前知識(shí)點(diǎn)的難易程度的感受或興趣點(diǎn)契合程度等,更無(wú)法開(kāi)展線下課堂中常用的提問(wèn)、討論等及時(shí)互動(dòng)環(huán)節(jié)。此外為達(dá)到更好地觀看效果,專業(yè)視頻公司通常鼓勵(lì)采用純色背景摳圖的方法進(jìn)行拍攝,授課教師通常無(wú)法采用即興的口語(yǔ)化語(yǔ)言進(jìn)行詮釋,需要提前形成書(shū)面形式的腳本,因此話語(yǔ)更加精煉、準(zhǔn)確,每次講授時(shí)間也縮短至10～20分鐘。這種形式可為線上線下結(jié)合方式開(kāi)展課程學(xué)習(xí)提供了更加充足的線下互動(dòng)、練習(xí)、答疑和拓展等對(duì)應(yīng)的時(shí)間。本次還特別錄制了實(shí)驗(yàn)部分的實(shí)物實(shí)景操作環(huán)節(jié)講解視頻,從而為之后的線上應(yīng)用提供了更充分的素材支撐,尤其是可以更加從容地應(yīng)對(duì)近年來(lái)不確定的疫情形勢(shì)造成高校學(xué)生不能按時(shí)到校學(xué)習(xí)的情況。后續(xù)還將持續(xù)建設(shè),根據(jù)運(yùn)行情況改進(jìn)優(yōu)化,深入發(fā)掘線上線下課程優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié)語(yǔ)

目前,不少高校的快速成型技術(shù)課程教學(xué)中仍存在著教學(xué)方法單一、技術(shù)進(jìn)展內(nèi)容更新慢等問(wèn)題。本文基于筆者對(duì)該課程的教學(xué)研究和實(shí)踐經(jīng)歷,提出充實(shí)多樣的教學(xué)內(nèi)容、學(xué)生為中心的教學(xué)模式、靈活合理的教學(xué)方法、全方位考核、強(qiáng)化理論和實(shí)踐的關(guān)聯(lián)性、在線課程建設(shè)與應(yīng)用等教學(xué)改革與創(chuàng)新內(nèi)容,引導(dǎo)學(xué)生在課程學(xué)習(xí)中發(fā)揮主動(dòng)性和個(gè)性愛(ài)好,提升教學(xué)效果,取得了較為滿意的實(shí)踐效果,以期對(duì)相關(guān)工作提供借鑒和參考。