液態(tài)成型綜合實踐教學(xué)改革與實踐
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摘要：本文以提升學(xué)生工程實踐能力為目標，以“液態(tài)成形綜合實踐課程”教學(xué)實踐為抓手，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，對課程教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式和考核方式進行了改革與創(chuàng)新，為高校綜合實踐類課程的改革與實踐提供參考。
關(guān)鍵詞：工程教育；綜合實踐；教學(xué)改革；3D打印
隨著我國社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，產(chǎn)業(yè)升級步伐加快，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》的正式會員，這標志著中國高等工程教育新的質(zhì)量標準體系的建立，也標志著中國培養(yǎng)的工程師具有了國際互認的資格。工程教育是以學(xué)生為中心、產(chǎn)出為導(dǎo)向、持續(xù)改進為動力作為其核心理念，通過反向設(shè)計教學(xué)體系以達成人才培養(yǎng)的目標滿足社會需求。實踐教學(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，通過實踐過程讓學(xué)生結(jié)合工程實際深入理解專業(yè)知識，從而達到提高學(xué)生的創(chuàng)新能力、系統(tǒng)思維和工程實踐能力的目的，推動創(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，在航空航天、機械裝備、汽車模具、醫(yī)療等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。液態(tài)成型綜合實踐課程是湖北汽車工業(yè)學(xué)院針對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踐課程，是銜接理論知識與工程實際的重要橋梁。一般來說，實踐教學(xué)過程與工程實際結(jié)合越緊密，越有助于提升學(xué)生的工程能力，但對于教學(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)探索與實踐，對教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和支撐條件等進行了多方面的改革建設(shè)，取得了明顯成效。
1液態(tài)成型綜合實踐的課程定位與教學(xué)目標
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，本課程定位是一門能綜合運用已學(xué)習(xí)的專業(yè)理論知識來解決實際工程問題的實踐課程，在此過程中培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)思維能力、綜合實踐能力、工程項目管理能力。根據(jù)課程定位，為課程制定了五個課程目標，分別是：課程目標1．掌握材料成型專業(yè)的基礎(chǔ)知識，基本原理在實際工程中的應(yīng)用，能分析項目實施的合理性及對社會環(huán)境等的影響。課程目標2．了解本專業(yè)領(lǐng)域的設(shè)備、工藝技術(shù)及其應(yīng)用，綜合評估項目實施的經(jīng)濟性和可行性，培養(yǎng)應(yīng)用創(chuàng)新能力。課程目標3．使學(xué)生能利用計算手段針對工程問題，進行分析設(shè)計、模擬仿真，為工程實際提供參考。課程目標4．使學(xué)生能利用現(xiàn)有工程技術(shù)條件，綜合運用所學(xué)知識進行合理的方案設(shè)計，對模擬計算結(jié)果進行分析改進，并進行有效實施。課程目標5．訓(xùn)練學(xué)生在項目實施過程中的團隊協(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)成型綜合實踐”課程是以特定的零件為對象，通過進行單件小批量試制生產(chǎn)為載體開展工程實踐，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際，這就導(dǎo)致實踐的課題缺乏前沿性、時代性和工程背景，在實踐過程中難以建立起與時俱進的工程意識，難以提高其工程應(yīng)用能力；其次，在學(xué)生在實踐過程中更多的是在指導(dǎo)老師的講授和示范下實施特定的成型方案，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，由于對傳統(tǒng)鑄造生產(chǎn)環(huán)境較差的印象導(dǎo)致綜合實踐過程對學(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)改革實施措施
3．1構(gòu)建新的教學(xué)體系，加強工程應(yīng)用背景
針對學(xué)生畢業(yè)要求和本課程所需知識結(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》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)對比如圖1所示。通過《三維測量與逆向設(shè)計》課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生具備傳統(tǒng)正向設(shè)計和新興逆向設(shè)計相結(jié)合的設(shè)計建模能力，可以將來源于工程實際的實物零件變?yōu)閿?shù)模，以此為實踐課題對象，更接近生產(chǎn)實際，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，對綜合實踐實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、特點等知識，從而可以在實踐過程中根據(jù)課題情況選擇合適的3D打印工藝完成工裝制造，對課題的順利進行提供了有力的保障?？v觀在整個教學(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)知識系統(tǒng)關(guān)聯(lián)起來，對培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)的思維能力有著重要意義。
3．2開展校企合作進行協(xié)同育人
產(chǎn)教融合協(xié)同育人模式是當前應(yīng)用型本科高校的熱點問題，近些年很多高校對協(xié)同育人模式進行了廣泛的探索，大多是學(xué)?！白叱鋈ァ焙献髂Ｊ剑逼嚬I(yè)學(xué)院在產(chǎn)教融合協(xié)調(diào)育人方面開辟了一個更新穎的模式，通過引進專業(yè)3D打印生產(chǎn)企業(yè)進入學(xué)校，共享學(xué)校和企業(yè)的軟硬件資源，在校內(nèi)共建實踐基地和研發(fā)中心，形成“引進來”合作模式，主動擁抱先進生產(chǎn)力，開展協(xié)同育人。在3D打印課程學(xué)習(xí)過程中，充分利用實踐基地的條件，邀請企業(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、區(qū)別與應(yīng)用場景，為在液態(tài)成形綜合實踐課題實施過程中選擇合理的成形方案奠定基礎(chǔ)，同時也拓展了專業(yè)視野。
3．3進行實驗室建設(shè)
實驗室是教學(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，實驗室建設(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)過程中有更多的實踐和鍛煉機會，湖北汽車工業(yè)學(xué)院建設(shè)成立了三維測量實驗室、3D打印實驗室，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、選擇性激光燒結(jié)3D打印機、激光工程凈成形系統(tǒng)等國內(nèi)先進的測量、分析和打印設(shè)備，并對學(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)特點自主進行成型方案初定；然后小組內(nèi)比較分析討論每個成形工藝的優(yōu)缺點，結(jié)合CAE分析結(jié)果，選擇出最佳成形方案，進行方案的細化，設(shè)計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、蠟型或鑄型等進行造型，造型后熔煉合金進行澆注，取得鑄件后對其進行分析評價。在此過程中，一方面，指導(dǎo)老師通過總體指導(dǎo)和分散點對點指導(dǎo)，幫助學(xué)生優(yōu)化方案設(shè)計，而學(xué)生通過鞏固復(fù)習(xí)、自主學(xué)習(xí)和互相討論方法進行學(xué)習(xí)，建立起以學(xué)生為中心，主動學(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)的主動性；另一方面，通過與生產(chǎn)實際和先進制造結(jié)合的逆向設(shè)計與3D打印技術(shù)，“舊瓶裝新酒”提升了學(xué)習(xí)興趣，同時還增強了團隊協(xié)作和動手能力，顯著提高了學(xué)習(xí)效果。
3．5健全多元考核機制
以前本課程的成績評價的主要依據(jù)是綜合實踐報告，對實踐過程考查力度不足，使得學(xué)生實踐過程積極性不高，報告雷同嚴重。通過構(gòu)建新的評價體系，加強過程考核，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，有效促進了綜合實踐課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生獲得感顯著增強，近幾年學(xué)生對本課程滿意度均在95分以上。教學(xué)方式得到專家認可。中國工程教育專業(yè)認證協(xié)會于2019年11月對材料成型及控制工程專業(yè)進行了進校考察，考察期間，本課程被選作我校特色專業(yè)課程向?qū)＜医M匯報教學(xué)模式和教學(xué)內(nèi)容，獲得專家組一致好評。畢業(yè)學(xué)生得到企業(yè)認可。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行了大幅度的改革與實踐，克服了傳統(tǒng)教學(xué)中的不利條件，強化了教學(xué)與工程實際之間的聯(lián)系，強化了學(xué)生創(chuàng)新應(yīng)用能力培養(yǎng)，同時，大力進行實驗室建設(shè)，積極開展校企聯(lián)合協(xié)助育人，“引企入?！惫步▽嵺`基地和研發(fā)中心，開辟了協(xié)作育人新模式，這些措施對更好地達成我校材料成型及控制工程專業(yè)所要求的“工程實踐與創(chuàng)新能力強、綜合素質(zhì)高，能夠從事材料成形工藝工裝的設(shè)計與制造、試驗研究和生產(chǎn)管理的應(yīng)用型創(chuàng)新高級工程技術(shù)人才”培養(yǎng)目標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