3D打印技术实验教学模式探索及实践

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摘要:探索了基于3d打印技术开放实验教学模式,规划了课程体系、运行机制,分别从课程实验、实验选修课、科技创新几类开放模式下实践,反响良好.以3D打印教学资源为基础,开展开放实验教学建设,有效地推动实验室建设与实验教学改革,对实验中心后续全面开展开放实验教学具有一定的借鉴作用.

关键词:3D打印技术;开放实验;教学模式

开放式实验教学是高校实验教学改革创新的重要途径,也是传统授课和自主学习的巧妙结合.随着个体行为的增加和流动性的增强,学生想自由地安排学习方式的意愿愈发强烈,开放式实验教学应运而生[1G3].依托学生天马行空的思维与新鲜奇特的想法,充分发挥其主观能动性,聚焦于想尝试的实验内容,按需选择仪器设备,独立思考设计实验方案,自由展开实验,在这个过程中,主动权交付于学生之手,教师只起到从旁指导的作用[4G5].与传统模式下固定时间、固定实验内容的实验教学相比,开放式实验教学更能突出学生的个性发展,有利于充分地激发学生创新创造的热情.我校地面机动装备实验教学中心发挥国家级实验教学示范中心的辐射作用,以培养学生创新设计能力为出发点,整合实验室现有教学资源创造开放实验条件,构建出柔性开放的实验环境.以3D打印技术实验教学为例,探索开放课程体系及运行机制,在教学大纲内课程实验、课外实验选修课、科技创新活动几类模式下展开实践,卓有成效.

1开放课程体系

课程体系是实现培养目标的载体,是保障和提高教学质量的关键[6].3D打印技术实验开放的对象是全校本科生,覆盖机类、近机类、非机类学生,各学生群体专业不同、兴趣不同,教师须因材施教.3D打印开放课程体系建立在3D打印技术创新训练教学资源库基础之上,资源库储备一系列典型、实用、难度阶梯化的3D打印教学案例.教学案例适当地多学科交叉,多层次实验项目结合,明确设计方案、技术要点、创新点等,落实到具体实验项目上,综合考虑不同年级、不同专业实验对象的特点,设计模块化、梯度化内容,满足不同层次或要求的教学环节,并编制实验大纲、实验指导书、实验报告等教学文档.目前3D打印的实验项目类型分为:(1)演示型实验.此类实验依赖教师课前准备,将已建好的模型导入切片软件中,为学生讲解切片原理,介绍切片相关参数,实验过程中学生直观观察打印制作过程,获得基本认知.(2)综合型实验.此类实验要求学生学习三维造型,在熟悉切片基础上,需要分析高/标准/低精度的切片参数设置对于打印效果的影响,探索优化打印质量的技巧,完成实物制作并进行误差分析,进而反馈改进建模.从实验内容上,分为一体件和组合件.一体件通常指单一零件的作品,覆盖范围较广,如卡通玩偶、指环等.组合件由2个或2个以上零件装配而成,如工业领域的发动机、减速器、轴承等,个性化玩具礼品中钥匙链、眼镜等.组合件要求在三维造型软件中仿真运动,分析结构设计的合理性.多数组合件是零件分开制作,再经后处理手工装配完成,而3D打印在制作工艺方面有其独特的优越性,某些装配体由于结构上的特点,3D打印技术可整体实现一次成型,因此三维模型须针对性地制订合理的实验方案.(3)创新型实验.此类实验注重综合能力的提升,要求学生围绕趣味主题展开设计与制作.经过前几个阶段的训练,学生理解增材制造理念,对3D打印工艺特点有了深入认识,结合三维造型将天马行空的想法变成真实的实物.考核环节是课程体系的重要一项,贯穿于整个教学活动中,调控着教学活动.3D打印开放实验考核采取三合一模式,实验设计方案占25％,实验过程表现占35％,实验总结报告占40％.根据开放模式比例略有调整,兼顾作品难度系数、个人或团队完成情况,以学生自评、互评、教师评价多形式结合,纳入实验过程表现考核中,使课程体系更具系统性、互动性.一门实验课程的结束并不意味着学习行为的终止,开放模式培养了学生自主学习的习惯,后续在交流平台中继续分享经验和资源.3D开放课程体系突出以学生为中心培养创新人才的理念,采取多样化教学方法和手段,灵活建构、动态生成知识,使学生融会贯通所学,激发出潜力和创造性.

2开放运行机制

3D打印实验实现时间、场地、实验内容3个维度的开放:时间上,工作日固定课程定时开放,周末提前预约,灵活开放;场地上,各类型实验室及仪器设备整体开放,最大限度受益于学生;内容上,以教学实验个性化定制为主,不局限于教学大纲[7G8].实验对象可以是班级集体、感兴趣的个人或志趣相投的小团队.对感兴趣的个人注重个性化培养,强调主动参与及自我启发、多元化理解;对团体参与的学生则鼓励交流合作,促进互动,能力全面提升.目前的开放模式有课程实验、实验选修课、科技创新活动几类,实现了理论课程结合实验课程、课内课外的联动.课程实验定位于教学大纲要求的实验,班级集中参与实验,注重培养观察能力,建立专业认知关注学习感受;实验选修课鼓励探究知识,激发学生的兴趣,适合学生的需求,一般课内要求完成32学时的课程,个人或团队提交实物作业及总结报告[9];科技创新活动则更关注应用,面向备战竞赛或创新活动的团队,开展定制化的课程训练,激发个性特长,体现学生参与实验教学的主体性[10G11].几类开放模式有着交叉融合的学习目标,从认知感知、综合应用到创新提高,内容、层次逐步上升,培养学生对知识的灵活驾驭能力.实验中心按需开发了网上预约管理平台,将实验项目介绍、约课方式、考核评价等功能全方位纳入,使开展实验的对象、时间、场地等要素线上线下有机统一.然而面对实验要素的不确定、学生个性化的教学要求,教师管理难度加大,重复劳动增多,引起教学工作量大增,因而还需要进一步探索更有效的开放实验长效运行机制.

3开放实验教学成效

3．1课程实验

机械与车辆学院将3D打印实验推广到机械类专业学生中,例如“精密制造工学基础”课程实验以制造工艺为主线,介绍机械领域前沿发展趋势,拓宽学生对物体成型方式的认知,系统地了解减材、受压、增材等成型方式,熟悉制造工艺特点,拓宽眼界.学期中,机械类专业各班级理论授课进度不尽相同,加之学生个性化的学习需求,刚刚接触了专业课的学生处于摩拳擦掌却又相对懵懂的阶段,实验热情较高.过去,一般教师会在实验前把实验细节以实验指导书、课件等形式直接塞给学生,客观上使很多学生做实验时会习惯性地依赖教师.而开放模式下,实验指导教师改变传统的“教师说学生做”的形式,采用激发学生兴趣的实验项目,实验过程互动交流,更容易获得良好的实验教学效果.在3D打印实验中,三维模型切片处理是一个很重要的环节,造型软件创建的模型经过切片处理,才能将数据输入到打印机中.指导教师针对多样化的模型,指导学生自主调节如切片的层高、熔融温度、放置角度、喷嘴移动速度等参数,在虚拟环境下预览输出结果,对喷嘴的行走轨迹、模型结构特点一目了然,从而综合评价设计,及时反馈改进建模方案.实验过程更多地以学生为中心开展,操作主动权回归学生手中,潜移默化下促进其主动探索,优化模型,实现有效学习,为其在专业领域的产品设计奠定基础.

3．2实验选修课

为了拓宽开放领域,利用3D打印技术开设了“实用艺术品创意设计与制作”校级选修课,进行开放式学习.本课程涵盖了艺术品创新设计基础理论及加工手段简述、基础三维造型设计实验、加工工艺分析、实用艺术品创意设计综合实验等阶段.在第一节课中,教师集中讲授理论内容及相关事项,之后的每次实验采取预约机制,学生可以充分利用零散的课后时间走进实验室,充分调动其自主性和积极性.终极考核阶段,教师设定多实验课题给学生,学生可就其感兴趣的内容选择,完成方案设计、实验实施、结果分析、撰写报告等环节,教师就方案可行性与学生探讨并从旁引导,通过阶段性的信息反馈,了解不同环节学生工作进展、工作方法及存在问题,呈现出开放实验所带来的“另类”课堂效果,切实获得高品质的学习效果,谋求创新思想、方法教育与动手实践相结合,学生不光有知识层面的收获,执行力及交流合作能力也提高不少.图2(a)是由大二学生根据“机械原理”课程中学到的差动运动机构,自主实现三维造型装配和动画仿真,最终完成实物制作,可直观地观察上下齿轮和卫星齿轮的运动状态,加深了对差动机构的理解;图2(b)是学生为了表达对母校的美好祝愿,设计并建模的“IBIT”摩天轮,包括底座、旋转轮、旋转轴、销子以及字母等,“I”“”“B”“I”“T”5个LOGO悬挂在旋转轮切面的五角星的5个角处.第一次制作模型时,学生对旋转轮与底座的配合没考虑周全,旋转轮安装到支架上后,圆周运动使得5枚字母LOGO与底座形成干涉.学生意识到作为一个设计师应有严谨的工作态度,于是分析设计方案,从源头入手修改支架原始模型、创建装配体,通过运动仿真完善干涉检查,在二次制作完工后,学生原设计思路得以以实物完整地呈现,摩天轮“活”了过来.基于实验选修课的开放模式突出个性化教学,以兴趣为导向,学生利用可视化三维软件进行造型设计、3D打印机实现加工制作,有效地解决产品制作过程出现的问题,在不断地优化成品的摸索中也提高了分析问题及解决问题的能力,最大限度地发挥学生实践主体作用和自主学习性.

3．3科技创新

科技创新能力的训练是对学生综合能力的锻炼.科技创新活动多以竞赛形式开展,以学生所在学科为背景,通过开展自主式学习与头脑风暴,使其完成作品设计制作的任务.结合国际大学生3D打印机设计大赛、机械产品数字化设计大赛、北京市“实培计划”暑期集训等科技创新活动,实践开放模式.3D打印技术有按需定制的优点,使复杂结构的产品快速成型成为可能,使产品结构设计制造的一体化趋势显现[12G13].将3D打印技术引入科技创新训练实战中,针对科技创新多样化特点,整合实验教学内容,为学生定制模块化训练项目,阶段性考核合格后,再完成科技作品的方案设计、制作与调试.实验室开放加大力度,集中备赛期间全天候开放,学生在开放环境中有更大的自由度,跳跃的思维更容易迸发出创造性的想法.以项目训练为基石、科技创新活动为导向的开放模式培养了大学生的创新设计思维及实践动手能力,顺应了产业界对人才培养的要求.3D打印机设计大赛的作品,学生通过查阅大量资料,设计3D打印机结构方案,确定各零件的选材及功用.铝合金型材连接件是一个难点,学生在详细了解传统机加工、铸造等工艺与增材制造的特点后,制订了3D打印的制作方案.连接件结构较为复杂,在制作过程中一旦发现问题及时调理设计方案,几经改进后,最后的实物成品既满足了功能性需求,也保证了强度要求.3D打印技术大大缩短了参赛作品整体的研制周期及制作成本.2016年北京市“双培计划”中“大学生机电综合实践与创新项目———北京学院”暑期集训活动作品,来自北京工业大学和北方工业大学的学生在我实验教学中心,根据柔性制造系统的理念设计并制作物料装箱与运载系统,包含物料传送、装车、转运等过程.学生运用3D打印技术制作传动齿轮、伺服电机输出头、机械手爪等,组装好的机械臂转动一定角度夹取物料送至运货小车,完成拾取和转运动作.

4结语

以3D打印技术作为基石,构建了开放式实验课程体系、运行机制,试点个性化教育,针对不同对象探索了基于课程实验、选修课、科技创新活动的开放模式,鼓励学生体验并融入到实验教学活动中,激发了学生主动学习的意识,培养了创新精神,提高了实践能力,同时也推动了实验教学的改革与创新.

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作者:朱妍妍 李忠新 吕唯唯 单位:北京理工大学机械与车辆学院