3D打印技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式探索及實(shí)踐

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摘要:探索了基于3d打印技術(shù)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式,規(guī)劃了課程體系、運(yùn)行機(jī)制,分別從課程實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)選修課、科技創(chuàng)新幾類開(kāi)放模式下實(shí)踐,反響良好.以3D打印教學(xué)資源為基礎(chǔ),開(kāi)展開(kāi)放實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè),有效地推動(dòng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革,對(duì)實(shí)驗(yàn)中心后續(xù)全面開(kāi)展開(kāi)放實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有一定的借鑒作用.

關(guān)鍵詞:3D打印技術(shù);開(kāi)放實(shí)驗(yàn);教學(xué)模式

開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革創(chuàng)新的重要途徑,也是傳統(tǒng)授課和自主學(xué)習(xí)的巧妙結(jié)合.隨著個(gè)體行為的增加和流動(dòng)性的增強(qiáng),學(xué)生想自由地安排學(xué)習(xí)方式的意愿愈發(fā)強(qiáng)烈,開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)運(yùn)而生[1G3].依托學(xué)生天馬行空的思維與新鮮奇特的想法,充分發(fā)揮其主觀能動(dòng)性,聚焦于想嘗試的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,按需選擇儀器設(shè)備,獨(dú)立思考設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案,自由展開(kāi)實(shí)驗(yàn),在這個(gè)過(guò)程中,主動(dòng)權(quán)交付于學(xué)生之手,教師只起到從旁指導(dǎo)的作用[4G5].與傳統(tǒng)模式下固定時(shí)間、固定實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)教學(xué)相比,開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)更能突出學(xué)生的個(gè)性發(fā)展,有利于充分地激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)造的熱情.我校地面機(jī)動(dòng)裝備實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心發(fā)揮國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心的輻射作用,以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力為出發(fā)點(diǎn),整合實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有教學(xué)資源創(chuàng)造開(kāi)放實(shí)驗(yàn)條件,構(gòu)建出柔性開(kāi)放的實(shí)驗(yàn)環(huán)境.以3D打印技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例,探索開(kāi)放課程體系及運(yùn)行機(jī)制,在教學(xué)大綱內(nèi)課程實(shí)驗(yàn)、課外實(shí)驗(yàn)選修課、科技創(chuàng)新活動(dòng)幾類模式下展開(kāi)實(shí)踐,卓有成效.

1開(kāi)放課程體系

課程體系是實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)目標(biāo)的載體,是保障和提高教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵[6].3D打印技術(shù)實(shí)驗(yàn)開(kāi)放的對(duì)象是全校本科生,覆蓋機(jī)類、近機(jī)類、非機(jī)類學(xué)生,各學(xué)生群體專業(yè)不同、興趣不同,教師須因材施教.3D打印開(kāi)放課程體系建立在3D打印技術(shù)創(chuàng)新訓(xùn)練教學(xué)資源庫(kù)基礎(chǔ)之上,資源庫(kù)儲(chǔ)備一系列典型、實(shí)用、難度階梯化的3D打印教學(xué)案例.教學(xué)案例適當(dāng)?shù)囟鄬W(xué)科交叉,多層次實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目結(jié)合,明確設(shè)計(jì)方案、技術(shù)要點(diǎn)、創(chuàng)新點(diǎn)等,落實(shí)到具體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目上,綜合考慮不同年級(jí)、不同專業(yè)實(shí)驗(yàn)對(duì)象的特點(diǎn),設(shè)計(jì)模塊化、梯度化內(nèi)容,滿足不同層次或要求的教學(xué)環(huán)節(jié),并編制實(shí)驗(yàn)大綱、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書、實(shí)驗(yàn)報(bào)告等教學(xué)文檔.目前3D打印的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目類型分為:(1)演示型實(shí)驗(yàn).此類實(shí)驗(yàn)依賴教師課前準(zhǔn)備,將已建好的模型導(dǎo)入切片軟件中,為學(xué)生講解切片原理,介紹切片相關(guān)參數(shù),實(shí)驗(yàn)過(guò)程中學(xué)生直觀觀察打印制作過(guò)程,獲得基本認(rèn)知.(2)綜合型實(shí)驗(yàn).此類實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生學(xué)習(xí)三維造型,在熟悉切片基礎(chǔ)上,需要分析高/標(biāo)準(zhǔn)/低精度的切片參數(shù)設(shè)置對(duì)于打印效果的影響,探索優(yōu)化打印質(zhì)量的技巧,完成實(shí)物制作并進(jìn)行誤差分析,進(jìn)而反饋改進(jìn)建模.從實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上,分為一體件和組合件.一體件通常指單一零件的作品,覆蓋范圍較廣,如卡通玩偶、指環(huán)等.組合件由2個(gè)或2個(gè)以上零件裝配而成,如工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)動(dòng)機(jī)、減速器、軸承等,個(gè)性化玩具禮品中鑰匙鏈、眼鏡等.組合件要求在三維造型軟件中仿真運(yùn)動(dòng),分析結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性.多數(shù)組合件是零件分開(kāi)制作,再經(jīng)后處理手工裝配完成,而3D打印在制作工藝方面有其獨(dú)特的優(yōu)越性,某些裝配體由于結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn),3D打印技術(shù)可整體實(shí)現(xiàn)一次成型,因此三維模型須針對(duì)性地制訂合理的實(shí)驗(yàn)方案.(3)創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn).此類實(shí)驗(yàn)注重綜合能力的提升,要求學(xué)生圍繞趣味主題展開(kāi)設(shè)計(jì)與制作.經(jīng)過(guò)前幾個(gè)階段的訓(xùn)練,學(xué)生理解增材制造理念,對(duì)3D打印工藝特點(diǎn)有了深入認(rèn)識(shí),結(jié)合三維造型將天馬行空的想法變成真實(shí)的實(shí)物.考核環(huán)節(jié)是課程體系的重要一項(xiàng),貫穿于整個(gè)教學(xué)活動(dòng)中,調(diào)控著教學(xué)活動(dòng).3D打印開(kāi)放實(shí)驗(yàn)考核采取三合一模式,實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案占25％,實(shí)驗(yàn)過(guò)程表現(xiàn)占35％,實(shí)驗(yàn)總結(jié)報(bào)告占40％.根據(jù)開(kāi)放模式比例略有調(diào)整,兼顧作品難度系數(shù)、個(gè)人或團(tuán)隊(duì)完成情況,以學(xué)生自評(píng)、互評(píng)、教師評(píng)價(jià)多形式結(jié)合,納入實(shí)驗(yàn)過(guò)程表現(xiàn)考核中,使課程體系更具系統(tǒng)性、互動(dòng)性.一門實(shí)驗(yàn)課程的結(jié)束并不意味著學(xué)習(xí)行為的終止,開(kāi)放模式培養(yǎng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的習(xí)慣,后續(xù)在交流平臺(tái)中繼續(xù)分享經(jīng)驗(yàn)和資源.3D開(kāi)放課程體系突出以學(xué)生為中心培養(yǎng)創(chuàng)新人才的理念,采取多樣化教學(xué)方法和手段,靈活建構(gòu)、動(dòng)態(tài)生成知識(shí),使學(xué)生融會(huì)貫通所學(xué),激發(fā)出潛力和創(chuàng)造性.

2開(kāi)放運(yùn)行機(jī)制

3D打印實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)時(shí)間、場(chǎng)地、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容3個(gè)維度的開(kāi)放:時(shí)間上,工作日固定課程定時(shí)開(kāi)放,周末提前預(yù)約,靈活開(kāi)放;場(chǎng)地上,各類型實(shí)驗(yàn)室及儀器設(shè)備整體開(kāi)放,最大限度受益于學(xué)生;內(nèi)容上,以教學(xué)實(shí)驗(yàn)個(gè)性化定制為主,不局限于教學(xué)大綱[7G8].實(shí)驗(yàn)對(duì)象可以是班級(jí)集體、感興趣的個(gè)人或志趣相投的小團(tuán)隊(duì).對(duì)感興趣的個(gè)人注重個(gè)性化培養(yǎng),強(qiáng)調(diào)主動(dòng)參與及自我啟發(fā)、多元化理解;對(duì)團(tuán)體參與的學(xué)生則鼓勵(lì)交流合作,促進(jìn)互動(dòng),能力全面提升.目前的開(kāi)放模式有課程實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)選修課、科技創(chuàng)新活動(dòng)幾類,實(shí)現(xiàn)了理論課程結(jié)合實(shí)驗(yàn)課程、課內(nèi)課外的聯(lián)動(dòng).課程實(shí)驗(yàn)定位于教學(xué)大綱要求的實(shí)驗(yàn),班級(jí)集中參與實(shí)驗(yàn),注重培養(yǎng)觀察能力,建立專業(yè)認(rèn)知關(guān)注學(xué)習(xí)感受;實(shí)驗(yàn)選修課鼓勵(lì)探究知識(shí),激發(fā)學(xué)生的興趣,適合學(xué)生的需求,一般課內(nèi)要求完成32學(xué)時(shí)的課程,個(gè)人或團(tuán)隊(duì)提交實(shí)物作業(yè)及總結(jié)報(bào)告[9];科技創(chuàng)新活動(dòng)則更關(guān)注應(yīng)用,面向備戰(zhàn)競(jìng)賽或創(chuàng)新活動(dòng)的團(tuán)隊(duì),開(kāi)展定制化的課程訓(xùn)練,激發(fā)個(gè)性特長(zhǎng),體現(xiàn)學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主體性[10G11].幾類開(kāi)放模式有著交叉融合的學(xué)習(xí)目標(biāo),從認(rèn)知感知、綜合應(yīng)用到創(chuàng)新提高,內(nèi)容、層次逐步上升,培養(yǎng)學(xué)生對(duì)知識(shí)的靈活駕馭能力.實(shí)驗(yàn)中心按需開(kāi)發(fā)了網(wǎng)上預(yù)約管理平臺(tái),將實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目介紹、約課方式、考核評(píng)價(jià)等功能全方位納入,使開(kāi)展實(shí)驗(yàn)的對(duì)象、時(shí)間、場(chǎng)地等要素線上線下有機(jī)統(tǒng)一.然而面對(duì)實(shí)驗(yàn)要素的不確定、學(xué)生個(gè)性化的教學(xué)要求,教師管理難度加大,重復(fù)勞動(dòng)增多,引起教學(xué)工作量大增,因而還需要進(jìn)一步探索更有效的開(kāi)放實(shí)驗(yàn)長(zhǎng)效運(yùn)行機(jī)制.

3開(kāi)放實(shí)驗(yàn)教學(xué)成效

3．1課程實(shí)驗(yàn)

機(jī)械與車輛學(xué)院將3D打印實(shí)驗(yàn)推廣到機(jī)械類專業(yè)學(xué)生中,例如“精密制造工學(xué)基礎(chǔ)”課程實(shí)驗(yàn)以制造工藝為主線,介紹機(jī)械領(lǐng)域前沿發(fā)展趨勢(shì),拓寬學(xué)生對(duì)物體成型方式的認(rèn)知,系統(tǒng)地了解減材、受壓、增材等成型方式,熟悉制造工藝特點(diǎn),拓寬眼界.學(xué)期中,機(jī)械類專業(yè)各班級(jí)理論授課進(jìn)度不盡相同,加之學(xué)生個(gè)性化的學(xué)習(xí)需求,剛剛接觸了專業(yè)課的學(xué)生處于摩拳擦掌卻又相對(duì)懵懂的階段,實(shí)驗(yàn)熱情較高.過(guò)去,一般教師會(huì)在實(shí)驗(yàn)前把實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)以實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書、課件等形式直接塞給學(xué)生,客觀上使很多學(xué)生做實(shí)驗(yàn)時(shí)會(huì)習(xí)慣性地依賴教師.而開(kāi)放模式下,實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師改變傳統(tǒng)的“教師說(shuō)學(xué)生做”的形式,采用激發(fā)學(xué)生興趣的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,實(shí)驗(yàn)過(guò)程互動(dòng)交流,更容易獲得良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果.在3D打印實(shí)驗(yàn)中,三維模型切片處理是一個(gè)很重要的環(huán)節(jié),造型軟件創(chuàng)建的模型經(jīng)過(guò)切片處理,才能將數(shù)據(jù)輸入到打印機(jī)中.指導(dǎo)教師針對(duì)多樣化的模型,指導(dǎo)學(xué)生自主調(diào)節(jié)如切片的層高、熔融溫度、放置角度、噴嘴移動(dòng)速度等參數(shù),在虛擬環(huán)境下預(yù)覽輸出結(jié)果,對(duì)噴嘴的行走軌跡、模型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)一目了然,從而綜合評(píng)價(jià)設(shè)計(jì),及時(shí)反饋改進(jìn)建模方案.實(shí)驗(yàn)過(guò)程更多地以學(xué)生為中心開(kāi)展,操作主動(dòng)權(quán)回歸學(xué)生手中,潛移默化下促進(jìn)其主動(dòng)探索,優(yōu)化模型,實(shí)現(xiàn)有效學(xué)習(xí),為其在專業(yè)領(lǐng)域的產(chǎn)品設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ).

3．2實(shí)驗(yàn)選修課

為了拓寬開(kāi)放領(lǐng)域,利用3D打印技術(shù)開(kāi)設(shè)了“實(shí)用藝術(shù)品創(chuàng)意設(shè)計(jì)與制作”校級(jí)選修課,進(jìn)行開(kāi)放式學(xué)習(xí).本課程涵蓋了藝術(shù)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)基礎(chǔ)理論及加工手段簡(jiǎn)述、基礎(chǔ)三維造型設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、加工工藝分析、實(shí)用藝術(shù)品創(chuàng)意設(shè)計(jì)綜合實(shí)驗(yàn)等階段.在第一節(jié)課中,教師集中講授理論內(nèi)容及相關(guān)事項(xiàng),之后的每次實(shí)驗(yàn)采取預(yù)約機(jī)制,學(xué)生可以充分利用零散的課后時(shí)間走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室,充分調(diào)動(dòng)其自主性和積極性.終極考核階段,教師設(shè)定多實(shí)驗(yàn)課題給學(xué)生,學(xué)生可就其感興趣的內(nèi)容選擇,完成方案設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)實(shí)施、結(jié)果分析、撰寫報(bào)告等環(huán)節(jié),教師就方案可行性與學(xué)生探討并從旁引導(dǎo),通過(guò)階段性的信息反饋,了解不同環(huán)節(jié)學(xué)生工作進(jìn)展、工作方法及存在問(wèn)題,呈現(xiàn)出開(kāi)放實(shí)驗(yàn)所帶來(lái)的“另類”課堂效果,切實(shí)獲得高品質(zhì)的學(xué)習(xí)效果,謀求創(chuàng)新思想、方法教育與動(dòng)手實(shí)踐相結(jié)合,學(xué)生不光有知識(shí)層面的收獲,執(zhí)行力及交流合作能力也提高不少.圖2(a)是由大二學(xué)生根據(jù)“機(jī)械原理”課程中學(xué)到的差動(dòng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu),自主實(shí)現(xiàn)三維造型裝配和動(dòng)畫仿真,最終完成實(shí)物制作,可直觀地觀察上下齒輪和衛(wèi)星齒輪的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),加深了對(duì)差動(dòng)機(jī)構(gòu)的理解;圖2(b)是學(xué)生為了表達(dá)對(duì)母校的美好祝愿,設(shè)計(jì)并建模的“IBIT”摩天輪,包括底座、旋轉(zhuǎn)輪、旋轉(zhuǎn)軸、銷子以及字母等,“I”“”“B”“I”“T”5個(gè)LOGO懸掛在旋轉(zhuǎn)輪切面的五角星的5個(gè)角處.第一次制作模型時(shí),學(xué)生對(duì)旋轉(zhuǎn)輪與底座的配合沒(méi)考慮周全,旋轉(zhuǎn)輪安裝到支架上后,圓周運(yùn)動(dòng)使得5枚字母LOGO與底座形成干涉.學(xué)生意識(shí)到作為一個(gè)設(shè)計(jì)師應(yīng)有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度,于是分析設(shè)計(jì)方案,從源頭入手修改支架原始模型、創(chuàng)建裝配體,通過(guò)運(yùn)動(dòng)仿真完善干涉檢查,在二次制作完工后,學(xué)生原設(shè)計(jì)思路得以以實(shí)物完整地呈現(xiàn),摩天輪“活”了過(guò)來(lái).基于實(shí)驗(yàn)選修課的開(kāi)放模式突出個(gè)性化教學(xué),以興趣為導(dǎo)向,學(xué)生利用可視化三維軟件進(jìn)行造型設(shè)計(jì)、3D打印機(jī)實(shí)現(xiàn)加工制作,有效地解決產(chǎn)品制作過(guò)程出現(xiàn)的問(wèn)題,在不斷地優(yōu)化成品的摸索中也提高了分析問(wèn)題及解決問(wèn)題的能力,最大限度地發(fā)揮學(xué)生實(shí)踐主體作用和自主學(xué)習(xí)性.

3．3科技創(chuàng)新

科技創(chuàng)新能力的訓(xùn)練是對(duì)學(xué)生綜合能力的鍛煉.科技創(chuàng)新活動(dòng)多以競(jìng)賽形式開(kāi)展,以學(xué)生所在學(xué)科為背景,通過(guò)開(kāi)展自主式學(xué)習(xí)與頭腦風(fēng)暴,使其完成作品設(shè)計(jì)制作的任務(wù).結(jié)合國(guó)際大學(xué)生3D打印機(jī)設(shè)計(jì)大賽、機(jī)械產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)大賽、北京市“實(shí)培計(jì)劃”暑期集訓(xùn)等科技創(chuàng)新活動(dòng),實(shí)踐開(kāi)放模式.3D打印技術(shù)有按需定制的優(yōu)點(diǎn),使復(fù)雜結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品快速成型成為可能,使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造的一體化趨勢(shì)顯現(xiàn)[12G13].將3D打印技術(shù)引入科技創(chuàng)新訓(xùn)練實(shí)戰(zhàn)中,針對(duì)科技創(chuàng)新多樣化特點(diǎn),整合實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容,為學(xué)生定制模塊化訓(xùn)練項(xiàng)目,階段性考核合格后,再完成科技作品的方案設(shè)計(jì)、制作與調(diào)試.實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放加大力度,集中備賽期間全天候開(kāi)放,學(xué)生在開(kāi)放環(huán)境中有更大的自由度,跳躍的思維更容易迸發(fā)出創(chuàng)造性的想法.以項(xiàng)目訓(xùn)練為基石、科技創(chuàng)新活動(dòng)為導(dǎo)向的開(kāi)放模式培養(yǎng)了大學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)思維及實(shí)踐動(dòng)手能力,順應(yīng)了產(chǎn)業(yè)界對(duì)人才培養(yǎng)的要求.3D打印機(jī)設(shè)計(jì)大賽的作品,學(xué)生通過(guò)查閱大量資料,設(shè)計(jì)3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)方案,確定各零件的選材及功用.鋁合金型材連接件是一個(gè)難點(diǎn),學(xué)生在詳細(xì)了解傳統(tǒng)機(jī)加工、鑄造等工藝與增材制造的特點(diǎn)后,制訂了3D打印的制作方案.連接件結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,在制作過(guò)程中一旦發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)調(diào)理設(shè)計(jì)方案,幾經(jīng)改進(jìn)后,最后的實(shí)物成品既滿足了功能性需求,也保證了強(qiáng)度要求.3D打印技術(shù)大大縮短了參賽作品整體的研制周期及制作成本.2016年北京市“雙培計(jì)劃”中“大學(xué)生機(jī)電綜合實(shí)踐與創(chuàng)新項(xiàng)目———北京學(xué)院”暑期集訓(xùn)活動(dòng)作品,來(lái)自北京工業(yè)大學(xué)和北方工業(yè)大學(xué)的學(xué)生在我實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心,根據(jù)柔性制造系統(tǒng)的理念設(shè)計(jì)并制作物料裝箱與運(yùn)載系統(tǒng),包含物料傳送、裝車、轉(zhuǎn)運(yùn)等過(guò)程.學(xué)生運(yùn)用3D打印技術(shù)制作傳動(dòng)齒輪、伺服電機(jī)輸出頭、機(jī)械手爪等,組裝好的機(jī)械臂轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度夾取物料送至運(yùn)貨小車,完成拾取和轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)作.

4結(jié)語(yǔ)

以3D打印技術(shù)作為基石,構(gòu)建了開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)課程體系、運(yùn)行機(jī)制,試點(diǎn)個(gè)性化教育,針對(duì)不同對(duì)象探索了基于課程實(shí)驗(yàn)、選修課、科技創(chuàng)新活動(dòng)的開(kāi)放模式,鼓勵(lì)學(xué)生體驗(yàn)并融入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)中,激發(fā)了學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的意識(shí),培養(yǎng)了創(chuàng)新精神,提高了實(shí)踐能力,同時(shí)也推動(dòng)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革與創(chuàng)新.

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作者:朱妍妍 李忠新 呂唯唯 單位:北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院