浅谈协同育人机制下3D打印课程教学模式探索与实践

杨伟，刘建永

（湖北汽车工业学院材料科学与工程学院，湖北 十堰 442000）

随着我国社会经济的高速发展，产业升级步伐加快，对创新型应用型人才提出了更高的要求。2015年教育部印发《关于引导部分地方普通本科高校向应用型转变的指导意见》，要求加强创新应用型技术技能型人才培养，建立产教融合、协同育人的人才培养模式，实现专业链与产业链、课程内容与职业、教学过程与生产过程对接。从此以后，产教融合协同育人模式已成为应用型普通高校研究的热点问题，各个高校都基于产教融合结合自身办学特色构建了多种多样的协同育人模式。我校开设的《快速制造技术》课程是材料成型及控制工程专业中的一门专业课程，由于教学内容紧密结合工程应用实际和前沿技术，因而具有较强的综合性、实践性和鲜明的时代特征。近几年通过不断更新教学内容和教学模式，强化协同育人，取得了明显效果。本文以我校开设的《快速制造技术》为例，探讨了协同育人机制的实施途径，以期提高材料成型及控制工程专业的人才培养质量。

1 课程教学目标和协同育人的必要性

我校材料成型及控制工程专业于2020年1月通过了中国工程教育专业认证，这标志着本专业新的质量标准体系的建立。根据专业培养目标顶层设计，要求本专业毕业生具备：（1）能应用相关科学原理，识别和判断材料成型中复杂工程问题的关键环节，包括材料、原理及工艺、装备和质量控制等；（2）能够设计典型汽车零部件的成形工艺、工装设计方案，并对其进行优化；（3）掌握工程项目中涉及的管理与经济决策方法，了解工程项目的成本构成。结合毕业要求，确定了本课程的教学目标。

课程目标1：了解国内外3D打印技术的发展趋势及关键技术，掌握3D打印技术的基本原理、使用的材料、成形工艺以及典型应用等基础知识；

课程目标2：掌握用于3D打印的数据处理技术，理解其基本原理方法，能针对成形对象优化结构和工艺，培养学生的创新能力；

课程目标3：学习常见3D打印设备及使用方法，基于实际工程问题寻求合理的解决途径，针对指定的零件分析其经济性和技术性，选择适宜的成形方法，制定加工工艺，制造出相应的产品，培养学生的工程实践能力。

可以看出，《快速制造技术》主要是以3D打印技术为载体，使学生了解快速制造前沿技术，具备相应专业知识，能解决实际工程问题，达到拓展学生视野、提高学生创新能力和工程应用能力的目的，为学生今后从事技术工作或工程管理工作打下基础。由于传统课堂教学中任课老师“一言堂”的教学方式存在一定的局限性，学生被动学习，学习的兴趣和积极性难以提高，教学效果难以保证；同时，由于3D打印技术是一门新兴的先进技术，工艺种类多，与传统加工方式差异大，需要通过与实际生产过程结合才能更好地理解消化课程内容。因此通过协同育人教学模式，建立理论与实践、教学与科研、校内与校外、线上与线下、课内与课外的多重联系，充分发挥实践基地、教育信息化、第二课堂等在教学中的作用，形成合力，促进高质量应用型人才的培养。

2 协同育人提高人才培养质量的途径

2.1 校企合作优化教学内容，共建实践基地

长期以来，高校在人才培养过程中所采用的教育模式多是重理论而轻实践，这也是我国高等教育在人才培养中的又一个重要的短板，这造成了学生所学习的理论知识与所需要的实践技能是脱节的。这种模式培养的毕业生在走出校园面对实际的工作环境时，往往很难快速适应实际工作需要，这种矛盾在应用型本科高校中表现更为突出。而校企合作的开展作为传统高等教育模式的一项有力补充，可以有效地改善这种局面。由于3D打印技术发展快、工艺多、范围广，在《快速制造技术》课程有限的教学时间内，如何安排课程内容就显得至关重要。为此，教学团队以材料成型与控制工程专业培养目标为指导，根据学生今后主要就业方向是制造业尤其是汽车制造业的特点，联合企业专家一起，修订了课程教学大纲和教学内容，对课程的内容体系进行了优化精炼，在生产企业中目前运用比较多、较为成熟的工艺，比如，激光选区烧结成形、熔融沉积成形、立体光固化成形、三维喷印成形等非金属材料成形工艺以及选区激光熔化、激光工程净成形等金属材料成形工艺分配了相对较多的学习学时，而对于叠层实体制造、电子束熔化成形等逐渐淘汰或者应用不够成熟的成形工艺分配较少学时，突出课程实用性和教学特色。其次，在校企合作共建实践基地模式上，更多的高校选择的是在企业建立实践基地，教学过程中安排学生到实践基地进行教学活动，这种模式可以较为充分地利用企业现有的生产条件，但也存在一个显而易见的问题，由于地缘关系，学生到企业开展学习的时间受限，深入程度也不足，影响了协同育人成效，为了破解这一难题，我校通过引进专业3D打印生产企业进入学校，共享学校和企业的软硬件资源，在校内合作共建了实践基地和研发中心，形成更新颖有效的“引进来”协同育人合作模式。

在教学过程中，充分利用该实践基地的条件，通过邀请企业技术人员为学生讲解工程案例、演示各种成形设备成形过程和操作方法、学生亲自参与企业生产活动等环节的案例式现场教学活动，让学生更直观深入地学习各种3D打印工艺的特点、区别与应用场景，以使得对理论知识理解更透彻。同时学生还使用创新中心的各种设备进行实际操作训练，足不出校即可学习和实践最新的3D打印技术，实现理论知识与工程实践的高度融合，不仅提高了学生的学习积极性和热情，也锻炼了学生的工程实践能力（图1）。

图1 学生在校内实践基地完成的3D打印产品

2.2 产学研结合，相互支撑合作共赢

产学研合作的机制是协同育人的重要组成部分，对企业而言，获得了更多的人才资源，有效弥补了企业科研人员短缺的短板；对高校而言，有更多的科研成果转化，还为老师提供了丰富的实践项目，也弥补了教师工程实践经验不足的短板，提升了专业能力；对学生而言，参与校企合作的科研项目能丰富自身的知识体系结构，培养解决实际问题的能力，可以达到三方共赢的合作模式。

近年来，“全员、全程、全方位”的“三全”教育理念逐渐深入人心，教育部在2018年新时代高等学校本科工作会议中也强调，要“以本为本”建设高水平本科教育。在此背景下，我校材料成型及控制工程专业从大二开始给学生分配专业导师，实现“三全育人”全覆盖，大力践行产学研协同育人。由3D打印教师团队带领的学生从大二开始便涉足相关知识的学习和科研活动，这在一定程度上给学生增加了学习负担，但这些负担对学生而言是有益且实用的，学生获得感和成就感也越发强烈，进一步激励了研究探索的热情，这些“种子选手”在本课程教学时便发挥了辐射作用和连锁效应，以点带面地有效提升了班级的学习风气和整体教学效果。

2.3 改革教学方式，实施混合式教学

课内与课外结合，达到“课内开花、课外结果”的效果。在理论教学环节，为了更好地达成“了解国内外3D打印技术的发展趋势”的课程目标，根据教学内容，给学生布置课外作业，通过查阅文献资料，每人完成一篇不少于3000字的综述小论文，为了提高论文撰写的规范性，还对论文的格式、重复率等做了一些要求。通过此项作业，让学生对目前3D打印的研究与应用方向、关键技术、存在的问题和发展趋势等有进一步的了解，开阔了学生视野，同时，也锻炼了学术论文的写作能力。

翻转课堂，发挥教育信息化在教学中的作用。翻转课堂更注重学生自主学习能力的培养，以学生为主，教师引导，辅以信息化技术手段完成教学内容。在本课程教学实践中，依托超星学习通教学平台，将制作的教学资源上传到平台，学生自主学习，通过设置的各种测试了解学生学习效果，根据情况适时发布拓展学习活动，巩固学习效果。为了活跃课堂学习氛围、增加学生在教学过程中的参与度，在每次课的最后，给学生10分钟左右的时间就3D打印相关的前沿问题进行主动展示和交流，根据演讲的条理与规范性、内容科学性、效果等进行简单点评，使学生取长补短。通过这种形式，不仅变被动学习为主动思考，还培养了学生与同行进行有效交流的能力。

作为一种新型制造技术，3D打印工艺参数直接影响着产品质量，为了加强对成形工艺的认识，由学生自行设计或选择产品，通过3D打印的手段制作出来，通过这个过程，加强了理论与实践的结合，使学生对数据处理技巧、成形的过程中工艺参数选择、成形后的后处理方法等均有了更具体的认识。通过对打印的模型的打印质量、后处理状况、复杂程度、是否体现了3D打印的优势等方面进行评价，让学生更加理解了这种技术的优缺点，通过寓教于乐、寓学于练的方式提高了学生学习的兴趣和热情，深受学生的喜爱（图2）。

图2 学生完成的3D打印模型

2.4 开辟“第二课堂”

近年来，在“大众创业、万众创新”思想的指引下，学科竞赛也迎来了更为蓬勃发展的新时期，由于3D打印可以实现从任意复杂的数模到三维实体的快速制造，在制造过程中不需要模具，对各种个性化的零件的快速加工有很好的适应性。本专业近几年不断加强实验室建设，配置了多种类型的3D打印设备，包括熔融沉积成型、叠层实体制造、选择性激光烧结、立体光固化成形、激光工程净成形系统等国内先进的3D打印设备，完全对学生开放，这在“互联网+”大学生创新创业大赛、中国大学生方程式汽车大赛、全国大学生工程训练综合能力竞赛等学科竞赛中发挥了极其重要的作用，助力参赛团队屡获佳绩。整体来看，通过“第二课堂”，对提高人才培养质量有着显著的促进作用，表现为以赛促学，有效促进了学生主动学习的积极性，巩固了理论知识，强化了动手实践能力，也凸显了3D打印的实用价值；以赛促教，通过学科竞赛，指导老师也不断学习先进的技术和理念，提升教育教学水平，避免与时代脱节。

3 协同育人的效果

教学方式获得学生认可。通过每年对《快速制造技术》课程协同育人实施效果进行评测，学生在教学评价中普遍反映，课程理论与实践结合、课外拓展多、教学内容丰富，学习氛围好等，近几年得分均在98分以上，学生对课程满意度较高。此外，由于在课程学习中认识到了3D打印技术的突出优势，在以后的课程设计、综合实践甚至在毕业设计课题中，有很多同学都选择借助3D来完成课题内容。

教学效果得到了企业认可。学生到3D企业参加实习时，企业反映学生见识广、思维活跃、基础扎实、动手能力强，这表明协同育人模式使学生的实践动手能力和创新思维能力确实得到一定的提升。

4 结语

《快速制造技术》课程教学过程中依靠汽车背景，充分利用学校、企业、互联网等各类资源进行协同育人，实现理论实践结合、学校企业结合、教学科研结合、课内课外结合的教学方式，促进了课程知识掌握，开阔了专业视野，提高了学生创新思维能力和工程实践能力，教学效果良好，有效地达成了本课程的教学目标和材料成型及控制工程专业的毕业要求。本课程的相关协同育人的教学方法和模式对应用型本科高校提升学生工程应用能力具有积极作用，可以借鉴到其他课程的教学中，具有一定参考价值和推广意义。