以3D增材制造项目为牵引的项目驱动式教学改革探讨

赵颖　李云伍　李明生　邓兰香　徐常塑

摘 要：为了更好地提升教学效果、培养学生综合能力，文章基于汽车车身结构与设计课程内容与课程目标，提出了一种以3D增材制造项目为牵引的项目驱动式教学改革模式，该模式以“高阶性、创新性与挑战度”为要求，以3D增材制造项目为牵引，构造出具体的结构设计及优化理论与制造实践相结合的教学项目，构建了“设计-优化-制造-测试-应用”全过程的项目驱动教学内容体系。在教学课程实施过程中，学生可充分接触产业前沿，自主探究学习先进理论，并充分锻炼学生解决复杂问题的综合能力，培养出满足产业发展的高素质高能力工程人才全面提升学生能力。

关键词：汽车车身结构与设计 3D增材制造技术 项目驱动教学模式

1 引言

当今世界工业技术发展日新月异，新一轮科技革命和产业变革正重构全球创新版图、重塑全球经济结构、掀起整个工业的迭代浪潮，谁能牢牢把握并引领技术革命、抢占下一轮工业变革的制高点，谁就将在未来的工业体系中把握话语权。工科专业人才将是新技术的缔造者、新业态的开拓者，工业界也对高等院校培养高素质、复合型、创新性专业人才寄予了较高的期望、提出了更高的要求。

目前高等工程教育与产业需求存在一定的脱节，尤其是工程领域，具体表现在于高校毕业生的能力无法适应产业的发展需求。技术的飞速发展促使产业需要的是高素质高能力工程人才。这一现象促使各高校都在思考和探索，如何培养适应产业需求的工程技术人才？在这些探索中，项目驱动式教学模式是提升学生全面能力的有效途径。但是，项目驱动式教学并不是简单的实践性教学，我们要培养适应产业发展的高素养高能力工程人才，需要深入推进具备高阶性、创新性与挑战度的教学改革来构建项目驱动式教学模式及其教学内容[1-2]。

在一系列基于 OBE（Outcome Based Education）理念的教学模式中，项目驱动式教学是一种新型教学模式，打破了传统教学中教师讲、学生听的授课模式，以建构主义为基础，通过项目驱动的方式，让学生成为课堂的主人，学生的学习效率明显提高，主动参与课堂的积极性不断提升[3]。项目驱动式教学重新定位了教与学的关系，将教学内容贯穿不同阶段和不同项目任务中，教师的教与学生的学都围绕项目及项目分解的任务展开，学生可以在实践中发现问题、分析问题、解决问题，学生的专业技能和能力素养得以培养。项目驱动教学可以打破仅仅是认知取向的知识运用，转向实践取向的知识运用，促进学生对知识的综合应用[4-5]。以知识的实践运用为目标的课程，培养了学生的认知能力、合作能力、创新能力和解决实际问题的能力，而不仅是知识的再现和学生认知能力的发展。

《汽车车身结构与设计》系统地讲述了现代汽车车身结构设计方法和理论，适用于车身工程专业和车辆工程专业本科高年级学生和研究生，也可供企业设计工程师参考。本书内容的学习可以使得学生了解车身开发的程序，学会分析车身结构，合理选择设计方案及有关参数，掌握车身总体布置及结构设计的基本方法和工作要点，学会综合运用前期所学基础课程和专业课程的知识，并通过设计训练，为从事汽车车身设计工作打下理论基础，而且引导学生了解进一步提高车身开发技术的方向。

经教学实践可得，授课过程中所存在的“从理念上偏重对理论科学知识的培养，而往往忽略对于工程实践能力的培养；在培养过程中重视专业知识的培养，忽略综合素质的养成。”等问题无法很好地传授汽车车身结构与设计这门课的教学需求，同时深奥的理论与方法使得学生自我学习驱动力不足，理解困难。基于此，本文立足于“高阶性、创新性与挑战度”建设标准，进行项目驱动式教学模式改革和教学内容构建是培养高素质高能力工程技术人才、提升人才培养质量的重要内容。

2 《汽车车身结构与设计》特点分析

《汽车车身结构与设计》这门课程着重反映了现代先进车身的开发理论、方法、技术、手段和流程，主要是培养学生车身布置设计、基于刚度性能和动力学性能设计、车身性能（NVH、碰撞特性、疲劳寿命）分析、车身闭合件设计、解决白车身设计中相关的制造工艺和材料问题等方面的综合能力，重点体现以CAE分析技术来驱动车身性能设计。随着智能网联汽车、智能座舱、飞行汽车等新概念和前沿技术的不断涌现，针对车身结构的新型结构-材料-性能-工艺-测试-应用全过程一体化设计的理念和基础理论变得更复杂，兼具高阶性、创新性和挑战度的课程内容建设变得刻不容缓，其中，高阶性要求知识、能力和素质有机融合，培养学生解决复杂问题的综合能力和高级思维；创新性要求课程内容反映前沿性和时代性，教学形式呈现先进性和互动性，学习结果具有探究性和个性化；挑战度要求课程有一定难度，教与学双方都应对课程有适当的投入度。

3 传统教学模式困境

目前，传统的教学过程仅限于理论讲授，学生仅为被动接受者，教学过程缺乏对学生独立思考和创新性能力的培养，严重制约了学生的实践能力和创新能力。《汽车车身结构与设计》是一门理论、设计与实践强关联的课程，在授课过程中，既需要理论层面的支撑、又需要虚拟仿真分析的性能结果演示、还需要典型部件的制作及加工、更需要典型部件的常规实操试验等。然而，实际授课过程中，存在因课时不足导致内容无法展开、虚拟仿真超算算例不足导致仿真无法一一对接、缺乏理论与实践的结合导致的理解力如空中楼阁等问题，无法针对学生进行一对一授课，难以保证所有学生对课程内容可消化吸收[6]。虽然目前尝试在新工科和教学模式上进行了一些改革，但还存在以下问题需解决：

3.1 成果导向教育理念理解不深刻、不透彻问题

教育理念的先进与否决定了人才培养总体目标的高低、决定了工程师人才所能达到的高度与上限。所谓“临渊羡鱼，不如退而结网”，要想让先进的理念指导教育教学实际，就必须深刻理解、吸收理念本身的精髓所在。“节物风光不相待，桑田碧海须臾改”，现代工业技术的变化对教师的专业视野和技术能力提出了更高的要求，传统的以教师为中心的教学理念必须摒弃、陈旧的教学模式必须改变，然而很多教师难以适应新事物的产生所带来的前所未有的变化，在接受新理念的过程中仍然以旧模式、旧思维布局教学全过程，以至于从顶层设计上就出现偏差，这是亟需解决的首要问题[7]。

3.2 课程体系和教学评价单一问题

教育教学体系的完善与否决定了人才培养的总体质量、决定了工程师人才的最低限。学生在课程前期学习过程中主要以理论基础知识学习为主，由于基础理论课程开课时学生对专业知识了解不够深入，因此对于基础理论课程在专业中的作用不了解；在课程讲授过程中，主要是教师单方面传递知识、建构知识体系，一方面由于教师不能很好地调动学生的积极性、主动性，从而导致学生的学习也如“囫囵吞枣”般全盘接受；另一方面学生没有参与到教学中，只是被动的接受知识，没有主动的思考和提问，无法对所学的知识体系有自己的理解和认识，导致了教学效果不理想，学生缺乏创新性等诸多弊端。教学手段的单一性导致了学生在学习基础理论课程时比较吃力，为了加强学生基础理论课程的学习，要求教师要结合专业实例和项目实际讲解基础理论课程，这不仅增加了课程挑战度，也对教师提出了更高的要求。此外在课程考核时，主要还是以考试的卷面成绩来评价学生对知识的掌握程度，忽视了学生将理论基础知识应用于实践的过程，造成“唯成绩论”、评价体系单一，无法为培养具有理论基础和实践能力的复合创新型人才[8]，这是目前需要解决的第二大问题。

3.3 教育教学人才产出与产业需求脱节问题

目前传统的工程教育教学人才产出与产业需求脱节问题主要存在两方面，一是与产业界对毕业生的动手实践能力和理论研究水平的期望严重不匹配；大学教育普遍重理论、轻实践，毕业生既不懂得企业需要什么样的人才、也不知道如何将理论应用于实践。二是与产业界对具有国际视野、前沿视角的毕业生的渴望严重不对等；传统的教育教学体系培养出来的学生专业能力难以适应产业升级需求，科研水平难以达到产业界需求的现代科技成功转化高度。这是目前需要解决的第三大问题。

4 《汽车车身结构与设计》项目驱动式教学模式探索

以高阶性、创新性与挑战度为指引，以 3D 增材制造为核心内容，构造具体的结构设计及优化理论与制造实践相结合的教学项目，将项目作为《汽车车身结构与设计》课程教学的核心内容，完成以此项目为驱动的《汽车车身结构与设计》教学模式和教学内容构建，核心建设思路如图1所示。

4.1 项目驱动式教学模式的培养目标和能力体系

以“高阶性、创新性与挑战度”为要求，以项目驱动为手段，提出课程定位、教学内容、教学方式和考核评价体系等多方面的改革标准，明确以“学理反思、学理研究”为教学目标导向，以学科知识应用与整合为中心，夯实学生“应用、理解、记忆”的基本学习能力，培养学生“合作、创新、多元”的跨学科综合能力，强化学生“分析、评价、总结”的高阶思维能力。通过培养这些与职业要求相匹配的能力和素养，可以更快的帮助学生建立信心，更好地适应社会需求，增加就业竞争力。

4.2 项目驱动式教学的具体教学模式

以突出高阶性、强化创新性、体现挑战度为要求，从项目构建、项目与理论结合、项目实施和过程评价四个方面分析项目驱动式教学模式的构建：

（1）项目构建：根据课程目标和“高阶性、创新性与挑战度”要求，学校与企业或社会资源合作，以解决实际问题为目的，共同确定项目的背景和需求，并选择适合的项目主题，给学生提供真实的实践场地。同时，为激发学生的兴趣和动力，还会进行项目组成员的分工，鼓励学生跨学科合作，使他们能够在团队协作中解决问题；

（2）项目与理论结合：项目实施前，通过集体引导式授课，学习相关的理论知识要点，使学生建立起解决问题的理论框架；在项目实施时，学生将理论知识应用到实际项目中，通过实践活动加深对理论的理解和掌握。在此过程中，教师会对学生提供指导反馈，帮助学生将理论与项目实践相结合，培养学生的综合素质；

（3）项目实施方式：项目实施过程中，将传统的教师讲授为主变革为学生自主设计实验的新型教学模式，实现“被动灌输”到“主动汲取”的转变。学生会提前按照项目计划和角色分工来执行项目任务，通过数据收集、分析、实验等方式进行实践，以探索问题的解决方案，并通过实际操作来培养实践技能。此外，学生在企业提供的实践场地或设备中，能真实了解到企业工作需求和工作流程，从而更好地适应职业环境；

（4）过程组织与评价：建立多元考核评价体系，在多元考核评价体系中，考核评价体系不再只追求结果，而是引入对过程的考核，增加实验过程的评价在成绩考核中的比例。学生通过项目报告和答辩的形式，展示项目成果，并接受同行、专家和教师的评价，促进学生之间的交流与学习。

4.3 以3D增材制造项目为牵引，构建“设计-优化-制造-测试-应用”全过程的项目驱动教学内容体系

3D增材制造目前大多数院校的教学活动集中在3D建模和打印环节，但在工业领域，不仅仅要求产品的外形，还需要满足产品结构和载荷等性能指标的要求，学校培养的学生距离企业的岗位要求存在较大的差距[9-10]。基于以上思考，拟基于《汽车车身结构与设计》构建“设计-优化-制造-测试-应用”全过程的项目驱动教学内容体系：

（1）设计阶段：在设计阶段，引导学生学习相关汽车设计理论、产品设计的基本原则和方法、CAD 等工程制图软件等，同时学习和理解 3D 增材制造等先进制造技术的原理、工艺以及应用范围。在此过程中，学生根据实际需求自主提出可行且具有挑战性的设计项目，并进行初步设计；

（2）优化阶段：学习车身结构优化设计相关理论，同时学会应用仿真分析工具，对不同设计方案进行验证分析，并使用 CAD、ANSYS、Abaqus、HyperWorks 等仿真分析软件对结构相关参数进行调整和优化，满足产品性能需求的同时，以提高产品的性能和可制造性；

（3）制造阶段：在方案优化后，学生需学习 3D 增材制造相关设备的操作和维护知识，了解不同车身材料的选择和处理技巧，同时也要学习质量控制方法，保证打印质量和制造精度等；

（4）测试阶段：通过实验对样机进行功能测试和性能评估，记录测试结果并进行数据分析，根据数据分析结果评估设计的有效性，提出改进意见；

（5）应用阶段：将打印制造的产品应用到实际场景中，观察和记录产品的表现和应用效果，最后讨论和总结项目经验，分享项目成果。

5 结语

本文基于《汽车车身结构与设计》课程在教学过程中所遇到的问题，构建出了基于“高阶性、创新性与挑战度”的项目驱动式教学模式的培养目标和能力体系，以培养学生的“自主学习”、“突破创新”、“团队协作”“克服困难”等高阶能力为目标，以构建“高阶性、创新性与挑战度”的项目驱动式教学模式为着力点，涵盖知识、能力和素质三个维度，指导学生能力全面提升；构建出了基于“高阶性、创新性与挑战度”的项目驱动式教学的具体教学模式和实施方案，在教学课程实施，让学生充分接触产业前沿，自主探究学习先进理论，并充分锻炼学生解决复杂问题的综合能力，培养出满足产业发展的高素质高能力工程人才；构建出了以 3D 增材制造项目为核心内容的教学内容体系并进行示范，全面提升学生能力。以 3D 增材制造项目为核心，前后贯通，有机融合“工程制图”“材料力学”“结构力学”“汽车设计基础”“智能制造技术”等一系列专业课程知识，梳理出基础性、先进性、实用性、创新性统筹兼顾的教学内容体系，构建出系统、连贯的专业知识与能力培养教学体系，以项目为基础开发出一批高质量、可复制的教学方案。

基金项目：西南大学教育教学改革研究项目（No.2022JY077）；重庆市教育教学改革一般项目（No. 223054）。

参考文献：

[1]吴珏，高伟萍，温奇灵，等. “两性一度”理念在新能源专业课程教学中的实践-以“电池材料与器件”课程为例[J]. 云南化工，2023，50（11）.

[2]梅瑞斌，包立，张欣. 基于“两性一度”的研究型虚拟仿真教学平台设计与开发[J]. 机械设计，2023，40（09）.

[3]姚永玉，陈智勇，宋伟志. OBE理念下汽车构造课程思政建设与实践[J]. 汽车实用技术，2023，48（21）.

[4]韩莎莎，薛凯琳. OBE理念视域下高校大学生创新创业课程项目式教学研究[J]. 山西青年，2023（08）.

[5]曹亮，李颖，任春元，等. 基于OBE理念的农学创新人才培养实践教学模式探索[J]. 现代农业科技，2023（23）.

[6]郭呈怡，王镇威，朱命冬. 基于翻转课堂教学模式的大数据分析创新课程项目化教学设计[J]. 河南教育（高等教育），2023（08）.

[7]涂佳黄，高艳丽，梁经群. 新形势下高校教学模式改革的探索[J]. 科学咨询（科技·管理），2023（08）.

[8]王姗姗. 后疫情时代混合式教学模式初探——以高校研究生教学为例[J]. 甘肃科技，2021，37（17）.

[9]吴宏，刘佳敏. “双一流”建设下增材制造与生物医学交叉学科人才培养机制创新与实践[J]. 科教文汇，2023（20）.

[10]牛飞，杨东生，许俊伟，等. 面向3D打印的设计制造一体化探索[J]. 宇航总体技术，2023，7（05）.