液态成型综合实践教学改革与实践

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摘要：本文以提升学生工程实践能力为目标，以“液态成形综合实践课程”教学实践为抓手，在分析了课程教学中存在的问题的基础上，将3D打印技术引入到教学内容中，对课程教学内容、教学模式和考核方式进行了改革与创新，为高校综合实践类课程的改革与实践提供参考。

关键词：工程教育；综合实践；教学改革；3D打印

随着我国社会经济的高速发展，产业升级步伐加快，创新应用型、技术技能型人才需求越来越迫切，高等学校作为创新人才的培养基地与摇篮，肩负着培养创新型人才的使命。我国从2016年6月成为《华盛顿协议》的正式会员，这标志着中国高等工程教育新的质量标准体系的建立，也标志着中国培养的工程师具有了国际互认的资格。工程教育是以学生为中心、产出为导向、持续改进为动力作为其核心理念，通过反向设计教学体系以达成人才培养的目标满足社会需求。实践教学是教学体系中非常重要的环节，是工程教育的重要抓手，通过实践过程让学生结合工程实际深入理解专业知识，从而达到提高学生的创新能力、系统思维和工程实践能力的目的，推动创新应用型人才的培养。3D打印技术，又称为增材制造技术，是一种集成了CAD技术、数控技术、激光加工和新材料技术等现代科技成果的先进制造技术，它是以三维数字模型为基础，利用激光束或其他能源将塑料、金属粉末、陶瓷粉末等材料分层堆积而形成实体零件。由于它是把三维制造转化为一系列二维制造的叠加，因此可以在没有模具和其他工具的条件下生产复杂零部件，由于具有生产效率高，制造柔性大等突出特点，在航空航天、机械装备、汽车模具、医疗等领域有着广泛的应用。液态成型综合实践课程是湖北汽车工业学院针对材料成型及控制工程专业开设的具有汽车工业背景的特色鲜明的一门实践课程，是衔接理论知识与工程实际的重要桥梁。一般来说，实践教学过程与工程实际结合越紧密，越有助于提升学生的工程能力，但对于教学环节而言，由于学校教学条件的特殊性，工业生产中的工艺装备难以完全复制到教学过程中，导致工程教育教学效果不甚理想。而将3D打印技术引入教学过程中，快速制造所需的工装，可以有效解决教学过程中所需砂型、蜡型、造型模具等资源不足的核心矛盾。经过几年的教学探索与实践，对教学内容、教学方法和支撑条件等进行了多方面的改革建设，取得了明显成效。

1液态成型综合实践的课程定位与教学目标

根据我校材料成型及控制工程专业的毕业要求和教学顶层设计，本课程定位是一门能综合运用已学习的专业理论知识来解决实际工程问题的实践课程，在此过程中培养学生的系统思维能力、综合实践能力、工程项目管理能力。根据课程定位，为课程制定了五个课程目标，分别是：课程目标1．掌握材料成型专业的基础知识，基本原理在实际工程中的应用，能分析项目实施的合理性及对社会环境等的影响。课程目标2．了解本专业领域的设备、工艺技术及其应用，综合评估项目实施的经济性和可行性，培养应用创新能力。课程目标3．使学生能利用计算手段针对工程问题，进行分析设计、模拟仿真，为工程实际提供参考。课程目标4．使学生能利用现有工程技术条件，综合运用所学知识进行合理的方案设计，对模拟计算结果进行分析改进，并进行有效实施。课程目标5．训练学生在项目实施过程中的团队协助与沟通的能力。

2传统教学过程中存在的主要问题

“液态成型综合实践”课程是以特定的零件为对象，通过进行单件小批量试制生产为载体开展工程实践，在传统教学中由于现场条件制约，所能提供的教学案例是较为简单的零件，并非全部来源于工程实际，这就导致实践的课题缺乏前沿性、时代性和工程背景，在实践过程中难以建立起与时俱进的工程意识，难以提高其工程应用能力；其次，在学生在实践过程中更多的是在指导老师的讲授和示范下实施特定的成型方案，缺乏自主性和创新性，也制约了创新能力的培养；第三，由于对传统铸造生产环境较差的印象导致综合实践过程对学生吸引力不够，急需更新颖的教学手段来提升学生学习的兴趣与热情。

3教学改革实施措施

3．1构建新的教学体系，加强工程应用背景

针对学生毕业要求和本课程所需知识结构，在原有专业课程基础上新增了《三维测量与逆向设计》和《快速制造技术》两门理论课程，改革前后教学环节对比如图1所示。通过《三维测量与逆向设计》课程的学习，使学生具备传统正向设计和新兴逆向设计相结合的设计建模能力，可以将来源于工程实际的实物零件变为数模，以此为实践课题对象，更接近生产实际，能发挥更好的教学效果。由此以来，由于课题来源的多样性，对综合实践实施过程所需的工装制作要求也随之提高，需要有更快捷更高效的制造设备和手段，因此，进一步将3D打印技术引入教学环节，通过这一手段可以很好地解决这一难题。通过《快速制造技术》课程的学习，使学生掌握多种3D打印工艺的原理、设备、成型材料、特点等知识，从而可以在实践过程中根据课题情况选择合适的3D打印工艺完成工装制造，对课题的顺利进行提供了有力的保障。纵观在整个教学体系，可以看出通过多环节训练，将学生将所学专业知识系统关联起来，对培养学生系统的思维能力有着重要意义。

3．2开展校企合作进行协同育人

产教融合协同育人模式是当前应用型本科高校的热点问题，近些年很多高校对协同育人模式进行了广泛的探索，大多是学校“走出去”合作模式，而湖北汽车工业学院在产教融合协调育人方面开辟了一个更新颖的模式，通过引进专业3D打印生产企业进入学校，共享学校和企业的软硬件资源，在校内共建实践基地和研发中心，形成“引进来”合作模式，主动拥抱先进生产力，开展协同育人。在3D打印课程学习过程中，充分利用实践基地的条件，邀请企业技术人员为学生讲解工程案例、演示讲解各种成形设备工作原理与成形过程、学生亲自参与生产等环节，通过现场教学让学生直观学习各种3D打印工艺的特点、区别与应用场景，为在液态成形综合实践课题实施过程中选择合理的成形方案奠定基础，同时也拓展了专业视野。

3．3进行实验室建设

实验室是教学过程中的重要场所，是保障人才培养质量的必备条件，实验室建设是专业建设的重要组成部分。为了使学生在学习过程中有更多的实践和锻炼机会，湖北汽车工业学院建设成立了三维测量实验室、3D打印实验室，配置了固定式三维扫描仪、手持式三维扫描仪、熔融沉积成型3D打印机、选择性激光烧结3D打印机、激光工程净成形系统等国内先进的测量、分析和打印设备，并对学生完全开放，不仅满足了日常学习和学科竞赛中的需要，还能在液态成型综合实践课程中快速制作出所需的造型模样、精铸蜡模和砂型砂芯等，很好满足了课题开展的需求。

3．4建立以学生为中心的教学模式

在教学过程中为了充分调动学生参与学习的积极性，教学模式采用任务驱动的形式，充分发挥学生的创造性和自主性，首先抛出要研究的问题，告知学生需要成型的零件、相关技术要求以及现有的实践条件，在获取到零件数模的基础上，让每位学生根据其结构特点自主进行成型方案初定；然后小组内比较分析讨论每个成形工艺的优缺点，结合CAE分析结果，选择出最佳成形方案，进行方案的细化，设计出所需的造型模具数模、蜡型数模或砂型数模；最后使用3D打印设备打印出所需的造型模具、蜡型或铸型等进行造型，造型后熔炼合金进行浇注，取得铸件后对其进行分析评价。在此过程中，一方面，指导老师通过总体指导和分散点对点指导，帮助学生优化方案设计，而学生通过巩固复习、自主学习和互相讨论方法进行学习，建立起以学生为中心，主动学习为主，老师指导为辅的教学模式，提高了学生学习的主动性；另一方面，通过与生产实际和先进制造结合的逆向设计与3D打印技术，“旧瓶装新酒”提升了学习兴趣，同时还增强了团队协作和动手能力，显著提高了学习效果。

3．5健全多元考核机制

以前本课程的成绩评价的主要依据是综合实践报告，对实践过程考查力度不足，使得学生实践过程积极性不高，报告雷同严重。通过构建新的评价体系，加强过程考核，提高过程考核成绩和答辩成绩的权重，引导学生重视实践过程，提高参与学习的积极性。

4教学改革的效果

教学效果得到学生的认可。教学改革后，新增的逆向建模和3D打印相关的内容极大地吸引了学生的学习兴趣，激发了学生的创新能力，有效促进了综合实践课程的学习，学生获得感显著增强，近几年学生对本课程满意度均在95分以上。教学方式得到专家认可。中国工程教育专业认证协会于2019年11月对材料成型及控制工程专业进行了进校考察，考察期间，本课程被选作我校特色专业课程向专家组汇报教学模式和教学内容，获得专家组一致好评。毕业学生得到企业认可。近些年我院本专业毕业生到工作单位后，企业普遍反映学生“上手快、留得住、用得上”，能迅速投入生产中，成长为企业的技术骨干，说明本专业学生的专业技术和能力得到了企业的认可，这与本课程紧密联系工程应用的教学模式密不可分。

5结语

本课程通过引入3D打印技术，将教学内容、教学模式和课程考核方式进行了大幅度的改革与实践，克服了传统教学中的不利条件，强化了教学与工程实际之间的联系，强化了学生创新应用能力培养，同时，大力进行实验室建设，积极开展校企联合协助育人，“引企入校”共建实践基地和研发中心，开辟了协作育人新模式，这些措施对更好地达成我校材料成型及控制工程专业所要求的“工程实践与创新能力强、综合素质高，能够从事材料成形工艺工装的设计与制造、试验研究和生产管理的应用型创新高级工程技术人才”培养目标具有重要的积极作用。本课程的相关改革方法和模式也可以借鉴到其他课程的教学中去，具有一定参考价值和推广意义。

参考文献

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作者:杨伟 刘建永 单位:湖北汽车工业学院材料科学与工程学院