“知行合一”的多课互融式“3D打印实践”课程改革

王琦 潘海军 吴蒙

摘 要：在智能制造背景下，面向3D打印人才需求，针对我校智能制造专业的“3D打印实践”教学所存在的问题，提出了多课互融式的课程改革方案。制订了整合“机械原理与机械设计”“数字化设计”和“3D打印实践”课程的教学方案，并建立了三课互通的考核制度，三门课程不再独立自营，进而使培养过程达到理论、方法和实践的有机融合，使学生达到“知行合一”的学习目的。本课程改革突出课程结构的整体性、理论性和实践性，使学生掌握产品设计与智能制造的全流程，进而培养具有较高实践能力和工程素养的综合型增材制造人才。

关键词：3D打印实践;智能制造;知行合一;多课互融

中图分类号：G642  文献标识码：A

随着产业变革蓬勃兴起，世界各大工业强国纷纷制定了制造业发展战略，并催生了智能制造方向人才的大量需求，基于这一发展背景，我国许多高校设置了智能制造方向的相关专业［1］。3D打印技术是实现智能制造的革命性技术，自20世纪90年代以来，各大知名高校在3D打印材料的研发技术、3D设计与成型软件的开发以及3D打印在工业应用中的研究与推广等方面开展了积极的探索［2］。在“中国制造2025”的大背景下，面对激烈的市场竞争环境，高校在应对智能制造领域对于3D打印技术人才的需求方面也应提出更为合理的培养计划［3］，研究3D打印课程的设置，基础理论教学与实践环节的有机融合，以及评价考核制度的合理化等，进而更好地与人才需求市场相对接。本文基于上述背景需求，以及我校智能制造专业的实践课教学方案所存在的问题，提出了相应的改革方案。

1 现阶段智能制造专业实践课程问题分析

1.1 知识体系连贯性不足，学生难以融会贯通

目前，我校智能制造专业同全国各大高校相关专业一样，虽然开设了“3D打印实践”课程，但是其课程内容相对独立，“机械原理与机械设计”“数字化设计”等基础课程不能与之良好的共融，课程之间连贯性较差。因此，学生在“3D打印实践”课程的学习中往往会出现较为吃力的现象，难以达到知识体系融会贯通。

1.2 缺乏理实一体化教学方法，学生自主创新意识和能力不强

“机械原理与机械设计”偏重于理论教学，实验课程往往采用手工测量机械零部件的形式加深学生对理论知识的认识。这种教学方法对于现在的学生而言比较枯燥，并且难以锻炼学生自主思考的能力。对于数字化设计课程，教师一般采用“填鸭式”教学方法，讲解绘图软件的基本操作方法，上机课程和考试也只是要求学生绘制图纸上的三维图形。这种方式同样缺乏锻炼学生自主思考的能力和自主设计三维零部件的能力。

1.3 课程内容多，学生学习负担较重

在学科大交叉、大融合的背景下，学生本科阶段开设的课程也随之增多。各门课程都进行独立的教学改革，虽然提升了本门课程的教学效果，却增加了学习负担，对整体培养造成了一定的影响。因此，有必要开展课程体系的融合式教学方案探讨，达到提升教学效果的同时，不对学生造成过重的学习负担。

总体而言，目前培养方案设置的课程只注重理论、方法和实践的培养，无法实现理论知识和实践环节无缝衔接，同时各门课自身也难以达到理想的教学效果。进而难以有效培养具有较高实践能力、创新能力及工程素养的综合型增材制造人才。

2 融合“知行合一”教育理念的改革举措

“知行合一”是明代思想家王阳明提出的思想理念，可以认为“知”是科学知识，“行”是指人的实践，在认知客观规律的过程中二者密不可分［4］。在新工科教育中，国内各个高校领会“知行合一”时代内涵，并践行于学生的培养中［5］。本文将“知行合一”的教育理念与“3D打印实践”课程相融合，使学生掌握產品设计与智能制造的全流程，进而培养具有较高实践能力和工程素养的综合型增材制造人才。

2.1 培养方案相关课程结构分析

我校“机械原理与机械设计”“数字化设计”和“3D打印实践”这三门课程的课程描述为：

（1）“机械原理与机械设计”课程：主要教会学生研究机构的结构分析、运动分析和动力分析，常用机构设计的基本理论和方法，机械系统运动方案的创新设计。培养学生掌握机构学和机械动力学的基本理论和基本技能，并初步具有确定机械运动方案、分析和设计机构的能力。

（2）“数字化设计”课程：重点是培养学生应用相关软件进行产品设计并创造数字化作品，以及从事工程设计的能力。课程以介绍三维参数化机械设计软件应用方法为主，通过介绍主流CAD/CAE/CAM一体化软件平台的应用方法，引导学生掌握产品三维数字化建模、虚拟装配到工程分析的设计过程。

（3）“3D打印实践”课程：主要培养学生获得面向增材制造的结构设计思路、方法和手段，进一步通过3D打印实训过程强化学生对快速成型技术的理解及应用能力，使学生掌握智能化的产品设计与制造生产的全流程。

纵观上述三门课程，虽然教学内容相对独立，但其内在具有紧密的联系。其中，“机械原理与机械设计”是基础理论课程，在“知行合一”教育思想中起到“知”的作用；“数字化设计”是方法课程，是“知行合一”教育思想中“行”的工具；“3D打印实践”是基于“机械原理与机械设计”的理论和“数字化设计”的增材制造技术综合实践类课程，在“知行合一”的教育思想中起到“行”的作用。但是，上述三门课程的教学过程存在理论脱离实践、学生梳理不清知识体系等问题。本文将原本相对独立的理论课、方法课和实践课视作整体，构建以机械原理与机械设计为理论，以数字化设计为工具，以3D打印为实践的系统化实践课程方案，通过这三门课程的互通式教学，达到对学生从产品设计到数字化制造的全流程培养。

2.2 制订授课方案

我们构建了如下图的“机械原理与机械设计”“数字化设计”和“3D打印实践”课程组成的三课合一的课程体系。其中，“机械原理与机械设计”为主干课程，主要课程目标是使学生掌握一般机构或机械系统运动方案设计和结构设计的能力。“数字化设计”的课程内容为Pro/E计算机三维造型软件的学习，课程目标是使学生能够熟练应用Pro/E软件进行产品设计与造型。本课程同“机械原理与机械设计”课程并行开课，前半程讲解Pro/E软件的基本三维建模方法；后半程以“机械原理与机械设计”课程中学习的各类机构为教学案例，引导学生构建复杂三维零件的建模思维，并教会学生掌握Pro/E软件的零件装配模块以及机构运动分析模块。由此，将“机械原理与机械设计”和“数字化设计”课程有机的融合在一起，“机械原理与机械设计”课程内容作为基础理论，并提供教学案例；“数字化设计”课程作为工具，并在课程学习中加深了对“机械原理与机械设计”课程内容的认识和理解。

“3D打印实践”课程将采用项目化的教学方式，由授课教师指导学生自主使用Pro/E软件设计一套完整的运动机构，并进行机构运动分析；使用3D打印机打印出设计好的各个零件；修整打印好的零件，并按照设计方案进行装配，以实现所设计的功能。上述实践过程是对“机械原理与机械设计”课程，以及“数字化设计”课程中所学知识内容的综合应用与实践；过程中还将锻炼学生的创新能力，使学生掌握3D打印机的使用方法，基于3D打印技术的零件设计方法等知识。

通过上述授课方案的制订，我们构建了以机械原理与机械设计为理论、以数字化设计为工具、以3D打印为实践的系统化实践课程方案，形成了“知行合一”的教学体系，使三门课程不再独立自营，以保证教学内容的整体性、互补性和延续性，进而达到理论、方法和实践的有机结合，形成智能化产品设计与制造人才全流程培养。同时，上述授课方案只是将三门课程进行了有机的互融，没有增加课程的授课内容，不会增加学生的课业负担。

三课合一的课程体系图

2.3 制订考核方案

根据授课方案建立三课互通的考核方案，考核内容及分值分配见表1。

（1）“机械原理与机械设计”课程：本课过程考核占25分，主要考核学生在本课程学习过程中的平时成绩，包括课堂表现、课后作业和考勤等内容；理论考核占75分，为课程结束后的闭卷考试，主要考核学生对本课程基本理论知识的掌握情况，以及对各类机构的分析能力。

（2）“数字化设计”课程：本课程考核内容包括过程考核（25分）、工具考核（55分）和理论考核（20分）。过程考核主要考核学生在本课程学习过程中的平时成绩；工具考核在课程结束后的闭卷考试中进行，考核形式为使用Pro/E软件绘制复杂的三维零件，并将三维零件装配成指定的运动机构，进一步的对该运动机构进行运动模拟，主要考核学生对Pro/E软件的三维零件图绘制、零件装配和机构运动模拟的掌握情况；理论考核也在课程结束后的闭卷考试中进行，题目形式为结合上述Pro/E软件的机构运动模拟结果对机构的运动学问题、动力学问题、强度和刚度等问题进行分析求解和论证。

（3）“3D打印实践”课程：本课程考核内容包括过程考核（10分）、理论考核（20分）、工具考核（20分）和实践考核（50分）。其中，过程考核主要考查学生在整个实践项目中的表现情况；理论考核主要体现在学生提交的项目报告中，具体为对团队设计的运动机构原理说明、设计说明、相关的设计计算，以及所设计机构的创新性等内容；工具考核主要体现在学生使用Pro/E软件绘制的三维零件图、机构装配图和运动模拟结果等；实践考核主要体现在学生使用3D打印机制造的三维零件的成型效果、机构的装配效果，以及机构能否实现设计目标等内容。

我们在“数字化设计”课程考试中有机地融入了“机械原理与机械设计”课程的理论知识，使学生在掌握Pro/E软件的同时深化了理论认识和熟练运用的能力；在“3D打印实践”课程考核中，将“机械原理与机械设计”课程的理论知识考核，以及Pro/E软件掌握情况的考核融入其中，在项目化教学的驱动下，学生通过运动机构的创新设计，可以更好地掌握机械原理与机械设计相关理论并加以运用，同时也可更熟练地使用Pro/E软件进行三维图形绘制、零件装配和机构运动模拟；另外，在“3D打印实践”课程中，通过实际操作3D打印机将自主绘制的三维零件打印出来，装配成所设计的运动机构，并实现运动目标，使学生进一步掌握3D打印机的实际操作能力。整个课程过程学生将沉浸式地体验智能化的产品设计与制造生产的全流程。

我们还设计了课程考核分值再分配方案，具体见表2。我们将“数字化设计”课程理论考核的20分和“3D打印实践”课程理论考核的20分分配给“机械原理与机械设计”课程，使其总分值为140分；再将“3D打印实践”课程工具考核的20分再分配给“数字化设计”课程，使其总分值为100分；“3D打印實践”课程自身保留实践考核的50分和过程考核的10分，使其总分值为60分。上述分值再分配方案进一步加强了三门课程之间的联系，改变了以往实践课程中的机械化实验过程，也使学生真正经历了由理论到实践的历练，强化了“知行合一”的考核目的。

结语

本文针对我校智能制造专业的实践课教学方案所存在的问题，提出了相应的改革方案。构建了以机械原理与机械设计为理论，以数字化设计为方法，以3D打印为实践的系统化实践课程方案，形成智能化的产品设计与制造人才的全流程培养。方案整合了“机械原理与机械设计”“数字化设计”和“3D打印实践”课程的教学方案，使三门课程不再独立自营，进而使培养过程达到理论、方法和实践的有机融合；建立了三课互通的考核制度，并具有一定创新能力的培养目标。本课程改革方案将原本相对独立的理论课、方法课和实践课视作整体，并建立三者之间的内在联系，进而形成理论联系实际的方法论，以帮助学生达到“知行合一”的学习效果；建立的多课互通的教学改革方案，在改善教学效果的同时，避免对学生造成新的学习负担。

参考文献：

［1］胡昌军，唐友亮.服务智能制造的创新型人才培养探析［J］.黑龙江教育（理论与实践），2019（11）：13.

［2］陈为平，林有希，黄捷，等.3D打印发展规划对工程实训教学的启发［J］.中国现代教育装备，2019（21）：2022.

［3］曾亮华.3D打印技术人才培养改革探索［J］.中国教育技术装备，2018（16）：9798，105.

［4］席卫南.构建“知行合一”的中国特色社会主义理论教学模式［J］.科教导刊，2015（6）：29.

［5］靳凯，樊玉华.基于第二课堂学生需求的工科高校创新型人才培养策略研究［J］.高教学刊，2021，7（22）：4346.

基金项目：常州大学教育教学研究课题“知行合一的智能制造专业实践课程改革探索”（GJY2021081）；常州大学教育教学研究课题“新工科背景下地方高校智能制造专业人才培养模式的研究与实践”（GJY2021069）；常州大学教育教学研究课题“工程教育背景下新工科人才人格培育研究”（GJY2021047）

作者简介：王琦（1988— ），男，辽宁阜新人，博士，讲师，研究方向：实践类课程改革探索；潘海军（1988— ），男，河南周口人，博士，讲师，研究方向：材料成型与控制工程专业教学研究；吴蒙（1992— ），男，江苏淮安人，博士，讲师，研究方向：新工科课程教学研究。