基于3D打印技术探讨“增材制造实验”课程改革要点

董育伟

淮阴工学院机械与材料工程学院基础实验室，江苏 淮安 223300

目前，专业课程教学是工科专业人才培养体系中的关键组成，如何整合实验教学来满足国家高科技创新人才的要求，也是当代材料专业教学中需要面临的重点教学任务。2019年教育部发布了关于提高高素质人才培养的若干建议，学校要将最新的科研成果转变为学生所获取的知识，提高学生们学习的积极性，进一步加强对学生科研活动的有效指导，加快科研实践平台的建立，更好发掘和培育创新型人才是未来科学人才培养的主要发展趋势。

一、3D打印技术在教学中应用现状

近些年，我国大力推动制造业转型升级，在制造业涌现出了一系列新型技术，其中3D打印技术就是一种新高端制造技术，而且3D打印技术在国内各个高校中推广，也纷纷设置了专业学科。同时，有些知名高校设置了专业的3D打印技术研究部门。高校将相关的课程与企业经营相融合，有助于将企业研发成果直接应用到生产线上。国家给予高校高端制造课题研究投入更多政策、资金支持，学校为社会培养高端新型的技术人才，在高校的专业教学中引入3D打印技术，至关重要，在未来有着显著应用前景。

学校在生产制造、医学、工业设计等多个专业中都开设了3D打印技术课程，使用3D打印技术，能够锻炼学生们的动手动脑能力，提高同学们学习3D打印技术的热情，调动同学们学习的积极性，能够展现出更好的课堂教学效果。在制造实验课上，有些理论知识比较抽象，在课堂中灵活应用3D打印技术的实物教学模型，帮助学生们深度了解课程知识。针对于所开设专业课程，教师设计3D打印教学专题，设计课程设计题目，让学生组建项目小组，结合自己的专题去设计方案，最终完成产品的研制，可以获得更好的3D打印产品。而且还能够展示汇报。使用创客创设平台的方法，让学生们在课余时间就可以参与3D打印技术相关的科研创造活动中，还有学生们自主学习制作动手能力，学校与企业也深度合作，在教学中，融入校企协作中，学生们制作出优秀的3D打印成果来展示，也可以为企业的生产经营提供技术的支持［1］。

二、材料专业实验课程教学现状分析

（一）对实验课上的教学重视度不足

在实验课上教学期间，实验课是目前专业教学的一部分，在实验课上，学生们掌握理论知识，通过这些实践课程，学生就可以将比较抽象的一类知识引到实践中，提高知识的灵活应用能力，还能够锻炼学生专门的动手操作能力和创新创造能力，能够激发学生学习潜能。在当前的实验教学方面，教师受到传统教育思想理念的限制，语言与课程思路的限制，过去课堂被定义为理论，但是与现代化实践教学也有一些冲突，实践教学内容往往都是教师在课堂上解释。以开展验证性实验，教师在课程讲解前期，先设计好教学流程，学生们再动手操作，但是过于限制，就会影响到学生们发挥自己创新力和想象力，不能达到未来的课程教学目标［2］。

（二）专业课程内容特色不太突出，内容设置相对落后

在材料专业课程中，很多课时都是介绍一些已经快要淘汰仪器设备的运行原理、测试方法，这些内容太过于枯燥乏味，而且对学生们来讲比较难懂，企业实际使用也比较少，与自身所学的专业关联性不强，造成学生们学到的知识相对滞后，而且实用性偏差，材料专业实践课程，有许多的基础性实验，学生在实验中，会遇到过去的一些化学实验、物理实验，在开设的课程中，就容易出现重复操作、重复学习的现象，也容易使学生们对该实验课程有一定的厌恶感。

（三）课程评价体系需要改变

在过去学科考核课程中，往往是使用课堂作业的方式考核学生，实验课多数都是学生提交一份实验报告就能够完成，单一的考核方式会造成学生们学习知识的所有要求，只是为了更多的考分，然而没有考虑到知识的实用性。因此，这种考核方式太过于单一，未能够适应当前教学改革发展要求。一些实验需要同学们相互配合协作完成，但是通过学生的作业雷同化现象比较突出，这种问题经常在实验课程出现，有的学生大包大揽，其他学生却在场边区观摩［3］。

三、增材制造实验课程教学的改革及探索

（一）建立起学生自主设计实验的新型教学实验模式

在过去传统理论教学方式下，教师单独在课堂上讲解理论知识，未来就要变更为学生的自主化研究，实施创新的设计实验，教师激发学生们对于3D打印技术、增材制造技术研究的兴趣、主动性，也由过去被动性的知识灌输，向着主动化学习研究方向发展。教师设计项目，学生们三个人为一组，让学生主导完成实验课程，教师过去单纯理论讲解，逐步转变为知识的引导指引和学生们的互动合作的项目实践，让学生们逐步变为实验课程的负责人。在新型教学模式之下，学生们就有更多的实验教学的主动权，而且还可以利用学生自己闲散时间来学习理论知识。在实验课教学中，教师着重于锻炼学生们的科研思维，作为教学重点，要引导学生大力去假设，通过采用合理验证方法，印证提出的假设，高效处理问题。

例如，学校开设高分材料增材制造作业中，教师给学生们一定的机会，让学生们动手操作，学生自主组队完成一个高分子3D产品的打印项目，学生使用高分子材料，使用打印机，能够在课堂上，让教师展示出学生们制作出来的作品，采用各种展示方法。教师理清学生们实践思路，及回答学生们在实践中所出现的问题，提出问题，并且引导学生去解决问题，明确实验的思路。在全部实验期间，3D打印作品的设计思路也更加清晰，可以精准查询出作品的设计思想。学生在使用3D打印机时，还要重点考虑到如何降低产品的重量，材料利用率能够大于50%，利用有限的材料，打印出大体积、精敏度更高的产品［4］。

（二）实验教学内容要紧扣学科的发展前沿领域

重点关注使用新型设备新技术方法，在实验室要关注一些新技术、新材料、新设备的实际应用，在有限时间内，教师带领学生掌握金属材料的3D打印机操作要点，让学生也可以在计算机软件内建立3D模型。同学们自主化构建模型，逐层打印3D产品，并且获得优质产品，也能够提高学生的学习需求，激发学生们学习3D打印技术的热情。

增强实验内容的专业性，学生在操作实验中如果发现一些问题，自己动手查阅课下文献资料，以及独立自主去解决实验中所存在的问题，如在使用金属激光成型技术，研究新材料新结构设计问题，在互联网上或者在图书馆查阅相应的技术文件资料，引导学生组织开展开放性的学习，创新训练实践，能够为后期的科技产品竞赛而提供工作技术支持。

（三）增强实验教师队伍的建设

通过加强创新人才队伍建设，提高学校整体的实验教学科研水平，同时学校还要重点关注教师人才队伍的专业化培养，使教师与学生的距离更近，教师及时讲解学生们在实验中所出现的问题，加强学生对于理论知识的认知理解。教师编制实验教学大纲，通过与其他教师的合作，达到群策群力的目的，并制定出优质教学大纲，在讲解时，增加更多实验仪器设备构造讲解和样品配备方法的讲述等一些细节的实验作业环节。在实验方案中，也要能够加上更多实验仪器设备的照片，各种各样的样品实验数据，能够增强理论教学与实验教学之间的衔接度，也能提高学生们学习的兴趣［5］。

（四）在课堂教学方式方面的改革

在过去传统制造课程教学工作中，有些概念只有配合实体才能够展现，但是设备造价偏高，太过于笨拙，不能够在课堂上展示。因此，单纯靠教师讲解知识教学方式太过于单一，教师只是单纯枯燥讲解知识，学生们难以深刻理解制造课程内容。而融合了3D打印技术后，可以改变过去传统的教学方式，使用三维一体化的技术，可以帮助学生对理论知识有深刻的理解。学生在课程设计时，就要设计和打印出比较满意的零部件，更好地掌握理论知识，也能够大幅提高学生们的知识应用能力，动手操作能力，学生在这种新型教学方式之下，就会感受到材料增材制造技术的学习乐趣，同时也会进一步提高3D打印技术课程学习的效果［6］。

（五）学习方式方面的改革

在传统课堂教学期间，机械制造专业课程，会涉及大量复杂组合体的知识，学生们只是在课堂上听教师讲解一些理论知识，或者查看教师播放的二维图片，很难深入理解原理。在课堂上，融入3D打印技术，建立起开放性的实验室，让同学们自己去建模，并且针对提出来的问题，在课堂上讨论，教师给其提供机会，让学生们自主掌握3D打印技术，这种学习方式就能够获得监督学生的学习主动性，激发了学生们学习的热情，引导学生们去主动学习知识［7］。

（六）授课采取多种形式，激发学生们学习的兴趣

结合3D打印材料和金属合成独特的特性，在课堂教学中，可充分使用多媒体演示、计算机三维建模的手段，在有限时间内能够最大限度发挥多媒体教学效果，让学生们系统设计新产品，展开CAD的分析。了解到先进制造技术引导下的产品，快速创新产品研发课堂教学，教师以学生为中心，让学生们在课下利用闲暇时间，自觉学习新知识，在上课时教师通过设计教学场景，让学生作为老师来讲解知识，这样有助于让同学们提高学习积极性，也让学生在过去一味被灌输的知识环境之下，转变为主动化的学习，也能够促使同学们团队协作、沟通交流，实现对新知识的深度认知和理解。学校也可以聘请外部的3D打印技术专家，来学校开展3D技术前沿讲座，让学生们都能够聆听专家们讲解，获取3D打印技术理论，如此能拓宽学生的思维，让学生不仅学习课本上知识，而且能够活跃课堂气氛，创新教学模式［8］。在学校工程训练中心，增加三维数字化的模型设计和3D打印快速成型技术课程，让学生们可以近距离接触这些设备，学习仿真研发和生产线的相关知识。学校为学生创造了一个真实的实验环境，让学生都能够将学到的理论知识与科研实践相结合，突出解决日常的实际问题。

四、结束语

在教学资源的支持之下，通过整合高校内部的课件教学资源，能够协助发挥教学平台的优势，让优秀的成果都能够转变为教学资源来丰富教学内容，创新学生的思维，教师引导学生进入到实验室来动手操作，参与到该项作业，提高了学生们的科研攻关和创新能力水平［9］。在高校材料专业课程中，融合3D打印技术，对于教学模式转变都有重大影响，学校配备足够的资金，配备专业设备和教师人才，在课堂上使用3D打印技术，会展示出更好的教学效果，能够丰富课堂教学内容；3D模型增强了学生们的认知，提高了同学们学习的兴趣，而且还培养了学生动手能力，拓宽了学生的思维，为国家培养了更多专业化的制造人才。