液態(tài)成型綜合實(shí)踐教學(xué)改革與實(shí)踐

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摘要：本文以提升學(xué)生工程實(shí)踐能力為目標(biāo)，以“液態(tài)成形綜合實(shí)踐課程”教學(xué)實(shí)踐為抓手，在分析了課程教學(xué)中存在的問題的基礎(chǔ)上，將3D打印技術(shù)引入到教學(xué)內(nèi)容中，對(duì)課程教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式和考核方式進(jìn)行了改革與創(chuàng)新，為高校綜合實(shí)踐類課程的改革與實(shí)踐提供參考。

關(guān)鍵詞：工程教育；綜合實(shí)踐；教學(xué)改革；3D打印

隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，產(chǎn)業(yè)升級(jí)步伐加快，創(chuàng)新應(yīng)用型、技術(shù)技能型人才需求越來越迫切，高等學(xué)校作為創(chuàng)新人才的培養(yǎng)基地與搖籃，肩負(fù)著培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的使命。我國從2016年6月成為《華盛頓協(xié)議》的正式會(huì)員，這標(biāo)志著中國高等工程教育新的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)體系的建立，也標(biāo)志著中國培養(yǎng)的工程師具有了國際互認(rèn)的資格。工程教育是以學(xué)生為中心、產(chǎn)出為導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)為動(dòng)力作為其核心理念，通過反向設(shè)計(jì)教學(xué)體系以達(dá)成人才培養(yǎng)的目標(biāo)滿足社會(huì)需求。實(shí)踐教學(xué)是教學(xué)體系中非常重要的環(huán)節(jié)，是工程教育的重要抓手，通過實(shí)踐過程讓學(xué)生結(jié)合工程實(shí)際深入理解專業(yè)知識(shí)，從而達(dá)到提高學(xué)生的創(chuàng)新能力、系統(tǒng)思維和工程實(shí)踐能力的目的，推動(dòng)創(chuàng)新應(yīng)用型人才的培養(yǎng)。3D打印技術(shù)，又稱為增材制造技術(shù)，是一種集成了CAD技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、激光加工和新材料技術(shù)等現(xiàn)代科技成果的先進(jìn)制造技術(shù)，它是以三維數(shù)字模型為基礎(chǔ)，利用激光束或其他能源將塑料、金屬粉末、陶瓷粉末等材料分層堆積而形成實(shí)體零件。由于它是把三維制造轉(zhuǎn)化為一系列二維制造的疊加，因此可以在沒有模具和其他工具的條件下生產(chǎn)復(fù)雜零部件，由于具有生產(chǎn)效率高，制造柔性大等突出特點(diǎn)，在航空航天、機(jī)械裝備、汽車模具、醫(yī)療等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。液態(tài)成型綜合實(shí)踐課程是湖北汽車工業(yè)學(xué)院針對(duì)材料成型及控制工程專業(yè)開設(shè)的具有汽車工業(yè)背景的特色鮮明的一門實(shí)踐課程，是銜接理論知識(shí)與工程實(shí)際的重要橋梁。一般來說，實(shí)踐教學(xué)過程與工程實(shí)際結(jié)合越緊密，越有助于提升學(xué)生的工程能力，但對(duì)于教學(xué)環(huán)節(jié)而言，由于學(xué)校教學(xué)條件的特殊性，工業(yè)生產(chǎn)中的工藝裝備難以完全復(fù)制到教學(xué)過程中，導(dǎo)致工程教育教學(xué)效果不甚理想。而將3D打印技術(shù)引入教學(xué)過程中，快速制造所需的工裝，可以有效解決教學(xué)過程中所需砂型、蠟型、造型模具等資源不足的核心矛盾。經(jīng)過幾年的教學(xué)探索與實(shí)踐，對(duì)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和支撐條件等進(jìn)行了多方面的改革建設(shè)，取得了明顯成效。

1液態(tài)成型綜合實(shí)踐的課程定位與教學(xué)目標(biāo)

根據(jù)我校材料成型及控制工程專業(yè)的畢業(yè)要求和教學(xué)頂層設(shè)計(jì)，本課程定位是一門能綜合運(yùn)用已學(xué)習(xí)的專業(yè)理論知識(shí)來解決實(shí)際工程問題的實(shí)踐課程，在此過程中培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)思維能力、綜合實(shí)踐能力、工程項(xiàng)目管理能力。根據(jù)課程定位，為課程制定了五個(gè)課程目標(biāo)，分別是：課程目標(biāo)1．掌握材料成型專業(yè)的基礎(chǔ)知識(shí)，基本原理在實(shí)際工程中的應(yīng)用，能分析項(xiàng)目實(shí)施的合理性及對(duì)社會(huì)環(huán)境等的影響。課程目標(biāo)2．了解本專業(yè)領(lǐng)域的設(shè)備、工藝技術(shù)及其應(yīng)用，綜合評(píng)估項(xiàng)目實(shí)施的經(jīng)濟(jì)性和可行性，培養(yǎng)應(yīng)用創(chuàng)新能力。課程目標(biāo)3．使學(xué)生能利用計(jì)算手段針對(duì)工程問題，進(jìn)行分析設(shè)計(jì)、模擬仿真，為工程實(shí)際提供參考。課程目標(biāo)4．使學(xué)生能利用現(xiàn)有工程技術(shù)條件，綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行合理的方案設(shè)計(jì)，對(duì)模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析改進(jìn)，并進(jìn)行有效實(shí)施。課程目標(biāo)5．訓(xùn)練學(xué)生在項(xiàng)目實(shí)施過程中的團(tuán)隊(duì)協(xié)助與溝通的能力。

2傳統(tǒng)教學(xué)過程中存在的主要問題

“液態(tài)成型綜合實(shí)踐”課程是以特定的零件為對(duì)象，通過進(jìn)行單件小批量試制生產(chǎn)為載體開展工程實(shí)踐，在傳統(tǒng)教學(xué)中由于現(xiàn)場條件制約，所能提供的教學(xué)案例是較為簡單的零件，并非全部來源于工程實(shí)際，這就導(dǎo)致實(shí)踐的課題缺乏前沿性、時(shí)代性和工程背景，在實(shí)踐過程中難以建立起與時(shí)俱進(jìn)的工程意識(shí)，難以提高其工程應(yīng)用能力；其次，在學(xué)生在實(shí)踐過程中更多的是在指導(dǎo)老師的講授和示范下實(shí)施特定的成型方案，缺乏自主性和創(chuàng)新性，也制約了創(chuàng)新能力的培養(yǎng)；第三，由于對(duì)傳統(tǒng)鑄造生產(chǎn)環(huán)境較差的印象導(dǎo)致綜合實(shí)踐過程對(duì)學(xué)生吸引力不夠，急需更新穎的教學(xué)手段來提升學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣與熱情。

3教學(xué)改革實(shí)施措施

3．1構(gòu)建新的教學(xué)體系，加強(qiáng)工程應(yīng)用背景

針對(duì)學(xué)生畢業(yè)要求和本課程所需知識(shí)結(jié)構(gòu)，在原有專業(yè)課程基礎(chǔ)上新增了《三維測量與逆向設(shè)計(jì)》和《快速制造技術(shù)》兩門理論課程，改革前后教學(xué)環(huán)節(jié)對(duì)比如圖1所示。通過《三維測量與逆向設(shè)計(jì)》課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生具備傳統(tǒng)正向設(shè)計(jì)和新興逆向設(shè)計(jì)相結(jié)合的設(shè)計(jì)建模能力，可以將來源于工程實(shí)際的實(shí)物零件變?yōu)閿?shù)模，以此為實(shí)踐課題對(duì)象，更接近生產(chǎn)實(shí)際，能發(fā)揮更好的教學(xué)效果。由此以來，由于課題來源的多樣性，對(duì)綜合實(shí)踐實(shí)施過程所需的工裝制作要求也隨之提高，需要有更快捷更高效的制造設(shè)備和手段，因此，進(jìn)一步將3D打印技術(shù)引入教學(xué)環(huán)節(jié)，通過這一手段可以很好地解決這一難題。通過《快速制造技術(shù)》課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握多種3D打印工藝的原理、設(shè)備、成型材料、特點(diǎn)等知識(shí)，從而可以在實(shí)踐過程中根據(jù)課題情況選擇合適的3D打印工藝完成工裝制造，對(duì)課題的順利進(jìn)行提供了有力的保障?？v觀在整個(gè)教學(xué)體系，可以看出通過多環(huán)節(jié)訓(xùn)練，將學(xué)生將所學(xué)專業(yè)知識(shí)系統(tǒng)關(guān)聯(lián)起來，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)的思維能力有著重要意義。

3．2開展校企合作進(jìn)行協(xié)同育人

產(chǎn)教融合協(xié)同育人模式是當(dāng)前應(yīng)用型本科高校的熱點(diǎn)問題，近些年很多高校對(duì)協(xié)同育人模式進(jìn)行了廣泛的探索，大多是學(xué)?！白叱鋈ァ焙献髂Ｊ?，而湖北汽車工業(yè)學(xué)院在產(chǎn)教融合協(xié)調(diào)育人方面開辟了一個(gè)更新穎的模式，通過引進(jìn)專業(yè)3D打印生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)入學(xué)校，共享學(xué)校和企業(yè)的軟硬件資源，在校內(nèi)共建實(shí)踐基地和研發(fā)中心，形成“引進(jìn)來”合作模式，主動(dòng)擁抱先進(jìn)生產(chǎn)力，開展協(xié)同育人。在3D打印課程學(xué)習(xí)過程中，充分利用實(shí)踐基地的條件，邀請(qǐng)企業(yè)技術(shù)人員為學(xué)生講解工程案例、演示講解各種成形設(shè)備工作原理與成形過程、學(xué)生親自參與生產(chǎn)等環(huán)節(jié)，通過現(xiàn)場教學(xué)讓學(xué)生直觀學(xué)習(xí)各種3D打印工藝的特點(diǎn)、區(qū)別與應(yīng)用場景，為在液態(tài)成形綜合實(shí)踐課題實(shí)施過程中選擇合理的成形方案奠定基礎(chǔ)，同時(shí)也拓展了專業(yè)視野。

3．3進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

實(shí)驗(yàn)室是教學(xué)過程中的重要場所，是保障人才培養(yǎng)質(zhì)量的必備條件，實(shí)驗(yàn)室建設(shè)是專業(yè)建設(shè)的重要組成部分。為了使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中有更多的實(shí)踐和鍛煉機(jī)會(huì)，湖北汽車工業(yè)學(xué)院建設(shè)成立了三維測量實(shí)驗(yàn)室、3D打印實(shí)驗(yàn)室，配置了固定式三維掃描儀、手持式三維掃描儀、熔融沉積成型3D打印機(jī)、選擇性激光燒結(jié)3D打印機(jī)、激光工程凈成形系統(tǒng)等國內(nèi)先進(jìn)的測量、分析和打印設(shè)備，并對(duì)學(xué)生完全開放，不僅滿足了日常學(xué)習(xí)和學(xué)科競賽中的需要，還能在液態(tài)成型綜合實(shí)踐課程中快速制作出所需的造型模樣、精鑄蠟?zāi)：蜕靶蜕靶镜?，很好滿足了課題開展的需求。

3．4建立以學(xué)生為中心的教學(xué)模式

在教學(xué)過程中為了充分調(diào)動(dòng)學(xué)生參與學(xué)習(xí)的積極性，教學(xué)模式采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)的形式，充分發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造性和自主性，首先拋出要研究的問題，告知學(xué)生需要成型的零件、相關(guān)技術(shù)要求以及現(xiàn)有的實(shí)踐條件，在獲取到零件數(shù)模的基礎(chǔ)上，讓每位學(xué)生根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)自主進(jìn)行成型方案初定；然后小組內(nèi)比較分析討論每個(gè)成形工藝的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合CAE分析結(jié)果，選擇出最佳成形方案，進(jìn)行方案的細(xì)化，設(shè)計(jì)出所需的造型模具數(shù)模、蠟型數(shù)?；蛏靶蛿?shù)模；最后使用3D打印設(shè)備打印出所需的造型模具、蠟型或鑄型等進(jìn)行造型，造型后熔煉合金進(jìn)行澆注，取得鑄件后對(duì)其進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。在此過程中，一方面，指導(dǎo)老師通過總體指導(dǎo)和分散點(diǎn)對(duì)點(diǎn)指導(dǎo)，幫助學(xué)生優(yōu)化方案設(shè)計(jì)，而學(xué)生通過鞏固復(fù)習(xí)、自主學(xué)習(xí)和互相討論方法進(jìn)行學(xué)習(xí)，建立起以學(xué)生為中心，主動(dòng)學(xué)習(xí)為主，老師指導(dǎo)為輔的教學(xué)模式，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性；另一方面，通過與生產(chǎn)實(shí)際和先進(jìn)制造結(jié)合的逆向設(shè)計(jì)與3D打印技術(shù)，“舊瓶裝新酒”提升了學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)還增強(qiáng)了團(tuán)隊(duì)協(xié)作和動(dòng)手能力，顯著提高了學(xué)習(xí)效果。

3．5健全多元考核機(jī)制

以前本課程的成績?cè)u(píng)價(jià)的主要依據(jù)是綜合實(shí)踐報(bào)告，對(duì)實(shí)踐過程考查力度不足，使得學(xué)生實(shí)踐過程積極性不高，報(bào)告雷同嚴(yán)重。通過構(gòu)建新的評(píng)價(jià)體系，加強(qiáng)過程考核，提高過程考核成績和答辯成績的權(quán)重，引導(dǎo)學(xué)生重視實(shí)踐過程，提高參與學(xué)習(xí)的積極性。

4教學(xué)改革的效果

教學(xué)效果得到學(xué)生的認(rèn)可。教學(xué)改革后，新增的逆向建模和3D打印相關(guān)的內(nèi)容極大地吸引了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新能力，有效促進(jìn)了綜合實(shí)踐課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生獲得感顯著增強(qiáng)，近幾年學(xué)生對(duì)本課程滿意度均在95分以上。教學(xué)方式得到專家認(rèn)可。中國工程教育專業(yè)認(rèn)證協(xié)會(huì)于2019年11月對(duì)材料成型及控制工程專業(yè)進(jìn)行了進(jìn)?？疾?，考察期間，本課程被選作我校特色專業(yè)課程向?qū)＜医M匯報(bào)教學(xué)模式和教學(xué)內(nèi)容，獲得專家組一致好評(píng)。畢業(yè)學(xué)生得到企業(yè)認(rèn)可。近些年我院本專業(yè)畢業(yè)生到工作單位后，企業(yè)普遍反映學(xué)生“上手快、留得住、用得上”，能迅速投入生產(chǎn)中，成長為企業(yè)的技術(shù)骨干，說明本專業(yè)學(xué)生的專業(yè)技術(shù)和能力得到了企業(yè)的認(rèn)可，這與本課程緊密聯(lián)系工程應(yīng)用的教學(xué)模式密不可分。

5結(jié)語

本課程通過引入3D打印技術(shù)，將教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式和課程考核方式進(jìn)行了大幅度的改革與實(shí)踐，克服了傳統(tǒng)教學(xué)中的不利條件，強(qiáng)化了教學(xué)與工程實(shí)際之間的聯(lián)系，強(qiáng)化了學(xué)生創(chuàng)新應(yīng)用能力培養(yǎng)，同時(shí)，大力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，積極開展校企聯(lián)合協(xié)助育人，“引企入校”共建實(shí)踐基地和研發(fā)中心，開辟了協(xié)作育人新模式，這些措施對(duì)更好地達(dá)成我校材料成型及控制工程專業(yè)所要求的“工程實(shí)踐與創(chuàng)新能力強(qiáng)、綜合素質(zhì)高，能夠從事材料成形工藝工裝的設(shè)計(jì)與制造、試驗(yàn)研究和生產(chǎn)管理的應(yīng)用型創(chuàng)新高級(jí)工程技術(shù)人才”培養(yǎng)目標(biāo)具有重要的積極作用。本課程的相關(guān)改革方法和模式也可以借鑒到其他課程的教學(xué)中去，具有一定參考價(jià)值和推廣意義。

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作者:楊偉 劉建永 單位:湖北汽車工業(yè)學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院