基于項目教學(xué)驅(qū)動的增材制造課程教學(xué)實踐探索

張凱 龔碧染

（1.南京理工大學(xué) 江蘇南京 210094；2.南京圖書館 江蘇南京 210018）

一、引言

《國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略綱要》指出，增材制造技術(shù)是引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)變革的顛覆性技術(shù)。世界各國紛紛將增材制造作為未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新增長點，對增材制造領(lǐng)域人才的需求極為迫切，需要更多可以推動技術(shù)發(fā)展、能夠解決技術(shù)和產(chǎn)業(yè)問題的高素質(zhì)復(fù)合型創(chuàng)新實踐人才[1]。因此，有必要探索研究將科研過程歸納轉(zhuǎn)化為教學(xué)實踐過程的科教融合創(chuàng)新模式，讓學(xué)生真正參與體現(xiàn)國家戰(zhàn)略需求和產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求的科研項目，培養(yǎng)具備科學(xué)精神、創(chuàng)新能力和實踐本領(lǐng)的增材制造技術(shù)領(lǐng)域拔尖創(chuàng)新人才。

本文分析了項目教學(xué)法在增材制造課程中的意義，并開展了教學(xué)實踐，希望從項目教學(xué)實施的全過程明確增材制造課程的教學(xué)要點，為增材制造課程提供科學(xué)的教學(xué)參考。

二、項目教學(xué)法的意義與重點

將項目研究與課程教學(xué)相結(jié)合作為新型現(xiàn)代教學(xué)模式，是踐行科教融合理念，構(gòu)建增材制造人才孵化課堂的有效方法。項目教學(xué)法能夠充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，將學(xué)生轉(zhuǎn)化為教師課堂教學(xué)中的主體[2]，以自主探索、自由合作的方法學(xué)習(xí)增材制造知識，掌握解決增材制造問題的能力。

（一）引入科研成果，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

增材制造融合了計算機輔助設(shè)計、材料加工與成型技術(shù)，具有跨學(xué)科綜合性的特點，強調(diào)理論與實踐的緊密結(jié)合，是一門典型的源于實踐，并應(yīng)用于實踐的學(xué)科[3]。因此，將增材制造課程教學(xué)與實踐相結(jié)合[4]，開展科學(xué)研究，發(fā)掘?qū)W生創(chuàng)新潛質(zhì)，突出綜合素質(zhì)的培養(yǎng)。教師結(jié)合科研成果，創(chuàng)新教學(xué)方案，向?qū)W生傳授增材制造理論知識的同時，要在教學(xué)內(nèi)容上引入科研成果及方法經(jīng)驗。這樣的形式，有助于解決課程所學(xué)知識嚴重滯后學(xué)科前沿及社會實踐的積弊。教師可以在講解增材制造工藝理論之前，選擇學(xué)生感興趣的現(xiàn)實問題，如日常生活中看到的Adidas Futurecraft 4D跑鞋，實際上它是源于一種革命性的增材制造技術(shù)-CLIP成型技術(shù)（Continuous Liquid Interface Production），于2015年發(fā)表于Science上。教師可以講解該技術(shù)的發(fā)展過程，以此激發(fā)起學(xué)生對3D打印和4D打印的興趣，從而開闊學(xué)生視野，使教學(xué)內(nèi)容多元化，教學(xué)氛圍輕松化，學(xué)生學(xué)習(xí)主動化。

（二）注重能力培養(yǎng)，項目實踐先行

項目教學(xué)中的項目調(diào)研、問題分析、辨析討論等環(huán)節(jié)相較于課堂與理論教學(xué)，具有互動性強、創(chuàng)新性突出等特點。針對增材制造課程特點，突出項目建議書等實踐環(huán)節(jié)，讓學(xué)生在有效引導(dǎo)下從查閱文獻到整理資料，分析3D打印模型設(shè)計到參與擺放、切層、工藝參數(shù)選擇等全過程，進行全方位系統(tǒng)完整的科研能力訓(xùn)練，有助學(xué)生掌握科研基本方法，提高創(chuàng)新能力，激發(fā)學(xué)生科研興趣。通過項目教學(xué)與實踐操作，充分培養(yǎng)了學(xué)生能力，激發(fā)學(xué)生實踐創(chuàng)新的積極性。

（三）立足學(xué)生中心，豐富教學(xué)手段

在當(dāng)今多媒體網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)資源廣泛應(yīng)用的時代，根據(jù)增材制造的項目教學(xué)過程需要，不斷豐富創(chuàng)新項目教學(xué)手段，充分運用講授法，教學(xué)法，討論法等多種教學(xué)方法相結(jié)合，讓課堂更加生動化、形式更加多元。通過豐富的教學(xué)手段，啟發(fā)學(xué)生思考，激發(fā)學(xué)生探究理論興趣，培養(yǎng)科學(xué)研究思維能力，從而達到共同學(xué)習(xí)目標(biāo)。如利用CNKI、ELSEVIER ScienceDirect等數(shù)據(jù)庫指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)相關(guān)項目研究資料，掌握相關(guān)理論和方法，養(yǎng)成自學(xué)和獨立解決問題的習(xí)慣[5]。

三、項目教學(xué)法在增材制造教學(xué)中的實踐

本課程為“先進制造工藝及裝備（Ⅲ）”，是針對大學(xué)三年級的專業(yè)選修課程，課程共2學(xué)分32個學(xué)時，授課時間8周，學(xué)生主要來自機械工程、兵器類、知識產(chǎn)權(quán)等專業(yè)。課程教學(xué)目的是，讓學(xué)生全面了解增材制造裝備與工藝的發(fā)展、內(nèi)涵和特征，學(xué)習(xí)增材制造裝備設(shè)計與工藝的相關(guān)理論和技術(shù)，掌握增材制造工藝特點及應(yīng)用。課程分為（1）增材制造技術(shù)概論，（2）增材制造技術(shù)航空航天、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域應(yīng)用，（3）前沿?zé)狳c綜述（項目教學(xué)），（4）增材制造的前處理，（5）光敏材料光固化技術(shù)及裝備，（6）金屬材料增材制造技術(shù)及裝備，（7）粉末材料選擇性激光燒結(jié)技術(shù)及裝備，（8）絲狀材料熔融沉積技術(shù)及裝備，（9）陶瓷材料增材制造技術(shù)及裝備，（10）增材制造的后處理及技術(shù)選擇，（11）增材制造應(yīng)用（項目教學(xué)），共11個專題，如圖1所示。本課程采用基于項目教學(xué)方法的授課模式，教學(xué)實施中預(yù)留出1/3左右的教學(xué)時間進行學(xué)生任務(wù)的講解和溝通交流。以學(xué)生的任務(wù)完成情況，結(jié)合平時到勤表現(xiàn)，進行考評。具體授課流程如圖1所示，由圖中可以看出，項目教學(xué)流程可以分為四個的步驟：教師授課、任務(wù)分配與完成、學(xué)生講解與師生互動、歸納整理與課程分析。課程任務(wù)采用標(biāo)準(zhǔn)的課程論文形式。具體教學(xué)設(shè)計方案如下：

（一）增材制造現(xiàn)狀學(xué)習(xí)：首先，教師完成課程專題1-2專題的授課，主要講解增材制造技術(shù)定義及特點、增材制造技術(shù)的優(yōu)缺點，增材制造技術(shù)在航空航天、兵器等領(lǐng)域的應(yīng)用及機遇與挑戰(zhàn)。然后，基于專題1-2講解內(nèi)容，根據(jù)授課學(xué)生興趣和專業(yè)覆蓋情況，分配航空航天、兵器、生物醫(yī)療等領(lǐng)域增材制造研究現(xiàn)狀調(diào)研任務(wù)，具體要求包括：分析研究所選領(lǐng)域增材制造發(fā)展現(xiàn)狀和最新發(fā)展趨勢，選擇的參考文獻需為近五年的文獻，需包含1-2篇英文。最后在專題3前沿?zé)狳c綜述課堂中進行一次研討，要求學(xué)生以PPT的形式向全班進行講解，并與教師和全班學(xué)生進行溝通交流，教師進行點評。

（二）增材制造工藝學(xué)習(xí)：該階段教師完成課程專題4-11的授課，主要講解增材制造模型設(shè)計、支撐及切層等前處理方法，5種主要增材制造工藝、裝備發(fā)展現(xiàn)狀，以及增材制造的后處理技術(shù)等。

（三）增材制造技術(shù)實踐：通過專題4-11課程學(xué)習(xí)后，將進行第二階段的項目教學(xué)，該階段在專題11完成，共12學(xué)時。具體是：學(xué)生按照專題4-11課程內(nèi)容選擇相應(yīng)增材制造工藝，并基于該工藝完成打印模型，打印方案設(shè)計等內(nèi)容，然后學(xué)生以PPT的形式向全班進行講解，教師進行點評。

圖1：項目驅(qū)動教學(xué)法實踐

基于項目教學(xué)驅(qū)動的增材制造課程教學(xué)，8個小組均如期完成項目任務(wù)。具體是，第1組：自行車避震連接件設(shè)計與增材制造；第2組：雙向離合器零件模型設(shè)計與增材制造；第3組：模型飛機設(shè)計與增材制造；第4組：中空圓凳模型設(shè)計與增材制造；第5組：眼鏡模型設(shè)計與增材制造；第6組：模具設(shè)計與增材制造；第7組：衛(wèi)星天線支架設(shè)計與增材制造；第8組：人造股骨3D打印模型設(shè)計與增材制造。

四、基于項目教學(xué)驅(qū)動的增材制造課程教學(xué)優(yōu)勢

項目教學(xué)法在培養(yǎng)科研型、實踐型工程人才培養(yǎng)領(lǐng)域起到了積極作用。針對增材制造教學(xué)而言，教師可圍繞創(chuàng)新能力培養(yǎng)目標(biāo)設(shè)計項目教學(xué)的任務(wù)，在增材制造課程中融入創(chuàng)新元素，努力培養(yǎng)適合市場的創(chuàng)新型人才。

（一）鍛煉學(xué)習(xí)能力。在任務(wù)實施過程中，需要學(xué)生自行完成文獻的檢索，知識的歸納和總結(jié)，前沿學(xué)術(shù)的追蹤，在這個過程中，鍛煉了學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力。如第8組同學(xué)們，以航空航天為背景，經(jīng)過調(diào)研發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星天線需要滿足質(zhì)量小，結(jié)構(gòu)強度高的要求，因此基于增材制造技術(shù)設(shè)計了一種采用拓撲結(jié)構(gòu)的衛(wèi)星天線支架，經(jīng)過優(yōu)化后實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)減重50%。通過上述實際設(shè)計任務(wù)，不僅充分調(diào)動了小組同學(xué)對航天航空事業(yè)的興趣，動手能力，也提升了同學(xué)們對增材制造專業(yè)知識的接受度。

（二）激發(fā)合作意識。在任務(wù)實施過程中，發(fā)現(xiàn)同學(xué)們自發(fā)建立了項目式組織，組織中同學(xué)們根據(jù)自己的優(yōu)點，負責(zé)不同的任務(wù)，如文獻調(diào)研撰寫，模型的優(yōu)化設(shè)計，模型前處理與打印等。甚至有部分小組，按照項目范圍要求，制定了詳細的進度計劃?？梢姡瑢W(xué)生在相互配合、磨合的過程中自發(fā)形成了項目組織，潛移默化地培養(yǎng)了一種項目團隊協(xié)作精神。

（三）培養(yǎng)創(chuàng)新人才。創(chuàng)新能力的培養(yǎng)需要遵循知、情、意、行相統(tǒng)一的教育規(guī)律，而目前普遍課程模式下，重理論學(xué)習(xí)輕實踐鍛煉，此外，實踐教學(xué)本身成本高管理難度大，導(dǎo)致了許多實踐教學(xué)環(huán)節(jié)流于形式，收效甚微。項目教學(xué)法對學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)放在了首位，注重學(xué)生的實踐和個性化發(fā)展，積極有效促進學(xué)生知識理論學(xué)習(xí)與實踐能力鍛煉高效協(xié)同。通過將項目任務(wù)與現(xiàn)行課程進行融合，促進了增材制造課程建設(shè)和發(fā)展，使學(xué)生對增材制造技術(shù)有了更為全面的了解，促進了增材制造人才的培養(yǎng)。

（四）提升教師能力。面對項目教學(xué)法這種新穎且實踐性強的教學(xué)模式，為滿足學(xué)生求知欲望、良好解決增材制造設(shè)計中遇到的實踐問題，教師需要具有從事增材制造研究或應(yīng)用的經(jīng)驗，掌握增材制造設(shè)計軟件，熟練操作3D打印設(shè)備；需要具有跨學(xué)科的能力，了解材料、機械、計算機等多學(xué)科知識；需要具有創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)情境的能力，在掌握教學(xué)內(nèi)容的前提下，設(shè)計能夠吸引學(xué)生注意力，激發(fā)學(xué)生熱情的項目內(nèi)容，對教師的綜合能力提升和發(fā)展起到了積極作用。

五、總結(jié)與展望

本文系統(tǒng)闡述了基于項目教學(xué)法開展增材制造課程實踐的全過程，并對教學(xué)效果進行了分析，探析了增材制造領(lǐng)域?qū)W生創(chuàng)新實踐能力的培養(yǎng)方式。通過分析本次教學(xué)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，基于項目教學(xué)驅(qū)動的增材制造課程可以鍛煉學(xué)生主動學(xué)習(xí)的能力，培養(yǎng)學(xué)生項目團隊協(xié)作精神，促進增材制造創(chuàng)新人才的培養(yǎng)，提升教師的專業(yè)素質(zhì)。

項目教學(xué)法結(jié)合高精尖技術(shù)，前沿理論成果，幫助學(xué)生掌握增材制造技術(shù)最新發(fā)展現(xiàn)狀，以科教融合模式將高校優(yōu)質(zhì)豐富的科學(xué)研究資源轉(zhuǎn)化為人才培養(yǎng)優(yōu)勢，發(fā)揮科技創(chuàng)新在人才培養(yǎng)中的支撐和引領(lǐng)作用，為學(xué)生提早進課題、進實驗室、進團隊創(chuàng)造條件，為學(xué)生攀登學(xué)術(shù)高峰搭建平臺，培養(yǎng)更多適應(yīng)高質(zhì)量發(fā)展要求的高素質(zhì)創(chuàng)新型人才。