融入PDCA循环模式的3D打印与逆向工程技术实践教学改革

2024-10-23邵敏武通海张彦鹏栗茂林沈瑶

中国教育技术装备 2024年19期

摘要在工程训练实践课程体系中新建3D打印与逆向工程技术课程，将3D打印技术、三维设计技术、三维扫描技术、逆向工程技术相互交叉结合，在整个授课过程中不仅融合了创新设计的内容，还融入PDCA循环模式，增强学生的兴趣，提升了教学质量。

关键词逆向工程技术；PDCA循环模式；工程训练；实践教学；3D打印技术

中图分类号：G642.44 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2024）19-0157-03

0 引言

在新工科建设背景下，高等教育人才的培养需要服务经济产业的转型和升级，高校实践工程训练相关课程应与时俱进，持续地改革创新，紧跟当前科技发展的新方向、新理念和新方法，将新技术引入实践课程内容。教学改革的重点是知识的跨学科应用，同时需要强调创新思维的发展和培养，提升学生的工程实践能力[1]。

随着工业4.0时代的到来，“互联网+”新背景下的3D打印技术与逆向工程技术成为新技术的代表，近年来发展迅速。随着3D打印技术的发展及其工业应用的普及，国内一些主要大学已经将对3D打印的学习和3D打印实践作为工程训练实践教学过程中的教学内容。然而，相关教学往往集中在3D打印工艺学习方面，缺少对学生创新创造能力进行锻炼和综合实践运用的机会。一些高校在3D打印技术教学中添加了三维扫描的内容，但也只是使用扫描得到的数据进行3D打印制造加工，并没有将扫描数据检测环节和逆向工程技术添加到3D打印技术的教学中，更没有创建全周期的PDCA循环学习系统[3-5]。

1 PDCA循环

PDCA循环理论是质量管理专家Watson K等[2]提出的一种科学的质量管理方法，包含设计、实施、验证和操作四个阶段。PDCA循环以解决问题为导向，控制循环连续运行，循环次数多，且不断增长。PDCA循环可以科学地管理工作流程，提高连续循环的工作质量。

PDCA循环模式在美国许多大学被78d9b14b69cb791f4fe1f0458c70e46e广泛应用于课堂教学。一些国内医学类高校在医学和护理学实践教学中也融入了PDCA循环模式，效果良好。但在工程实践教学中使用PDCA循环模式的大学还很少，目前主要是用于实践教学质量管理，较少用于教学内容设置。将PDCA循环模式用于工程训练实践教学更寥寥无几，与3D打印技术教学相结合的几乎没有。

2 西安交通大学在教学改革前的状态和进行

教学改革后解决的主要问题

1）学校原有的工程训练实习各工种中既没有3D打印工种，也没有逆向工程技术工种。进行教学改革后，将3D打印技术与逆向工程技术相结合的这一新工种加入工程训练实习，让学生可以紧跟新时代和新技术的发展，学习并掌握现代加工的相关知识和技能。

2）学校原有工程训练实习中的教学形式和教学方法相对来说比较单一，教学的效果和质量都有待提高。学校原有的工程训练实习实践性比较强，实践的时间很集中，不仅班级多，而且学生人数也多，以教师的讲授、示范以及学生的模仿和操作实践学习为主。在整个教学过程中，学生的兴趣、实践的效果和最终的实践质量均有待提高。经过教学改革，在整个授课过程中首先融合创新设计的内容，其次是逐层地建设融入PDCA循环模式的教学模式，在教学中通过循环反馈不断优化教学方法，以激发学生的兴趣，同时进一步提高实践教学质量。

3）在学校原有的工程训练实践中，学生难以理解质量和优化的概念。通过教学改革，在工程训练实践过程中融入质量管理学的PDCA循环模式，主要通过增加三维扫描测量和逆向工程方面的优化内容，帮助学生在学习新技术的同时理解质量和优化的概念。

4）学校原有的工程训练实习较少体现学科交叉。以多个工种的操作技能训练为主，各个工艺技术之间相对独立且缺少交叉，学生所学的知识与技能存在孤立的现象。通过教学改革，将3D打印技术、三维设计技术、三维扫描技术和逆向工程技术相互交叉结合，融入PDCA循环模式，并将这些知识和技术交叉串联到一起，探索并构建出具有实用性、创新性和有效性的教学体系。

3 教学改革的内容

为了适应新工科建设的发展需求，紧跟新时代、新技术、新方法，学校在工程训练实习的课程体系中开设3D打印与逆向工程技术课程。

在课程建设中，从新工科人才培养的角度出发，注重学科知识的交叉，侧重工程素养的培养，将PDCA循环模式引入工程训练实践教学，分别从教学模式、教学方法、教学内容等方面进行改革探索，不仅可以增强学生的工程实践能力，还可以提高学生的创新能力、质量管理意识和工程素养。

具体实施内容如下。

1）在工程训练的课程体系中开设3D打印与逆向工程技术课程；将3D建模设计、3D打印技术、三维扫描技术、三维测量技术、逆向工程技术相互交叉融合，培养学生的综合能力，如图1所示。

2）在课程的教学准备和教学实施过程中融入PDCA循环模式，包含四个阶段：即教师设计实践项目（Plan）—指导学生完成实践内容（Do）—考评学生实践情况（Check）—总结经验并改进（Action）。在整个教学过程中，通过教师与学生之间的讲授指导和反馈沟通形成闭环，引导学生进行创新设计和探索，提高学生的学习兴趣。将这四个阶段循环往复进行，不断建设并完善课程，不断提高教学质量，从而实现螺旋式上升。

3）在课程的实践内容设置中融入PDCA循环模式的教学内容。实践过程中，以学生为核心，学生设计作品（Plan）—打印作品（Do）—检验评价作品（Check）—优化改进（Action）四个阶段不断循环，完善作品整体性能质量，从而在提升学生设计创新能力、解决工程问题能力的同时，让学生熟悉PDCA循环的概念、模式和流程，同时从创新设计出发，增强学生的创新意识和创新能力，让学生理解质量的概念，提升质量管理意识。

4）在教学内容PDCA大循环中的小环节也融合PDCA循环。以打印作品（Do）和优化改进（Action）阶段为例。在学生实践打印作品（Do）阶段中，建立并完善该模块的实践教学内容，在实践内容中设置融入PDCA循环模式的教学内容，要求学生完成设计工艺过程（Plan）—打印零件（Do）—用三维扫描仪检测加工质量（Check）—再设计工艺参数优化改进（Action）四个阶段，并通过PDCA循环提高零件的加工质量，通过不同的工艺设计（3D打印设备选择、零件不同的摆放位置、不同摆放方向、不同的打印参数设置），进行加工后的对比，提升学生对3D打印工艺的理解和学习。融入PDCA循环模式的打印作品（Do）阶段工程训练流程如图2所示。

在学生实践优化改进（Action）阶段中，将逆向工程技术融入该环节，要求学生完成选择参照物及确定改进目标（Plan）—用三维扫描仪和逆向设计软件对参照物进行数模建立（Do）—检查数模与改进后的目标差距（Check）—用逆向软件改进优化设计（Action）四个阶段，在优化产品的同时，完成完整的逆向工程实践流程，加强学生对逆向工程技术的理解和学习，如图3所示。

5）在3D打印与逆向工程技术创新实践教学平台软硬件建设中，将教学目标、教学内容相结合，构建包含创新设计分模块、3D打印加工制造分模块、三维表面扫描测量分模块、逆向工程分模块在内的综合性3D打印与逆向工程技术创新实践教学平台。该平台面向全校各专业学生开放，兼顾人才培养、学科建设等多元目标，用于探索创新型教学机制，为学生提供更为优良的工业实践和创新实训环境。

6）在教学内容的建设上，让学生获取面向新工科的核心知识点：①3D打印方法分类及其工作原理、应用特点；②3D打印原型设计和工艺参数影响；③3D打印材料的发展状况和各种材料成形技术。同时让学生获取其他知识点：①三维扫描建模过程；②三维扫描检测不同3D打印工艺参数对成品精度的影响；③逆向工程的流程和关键技术、产品创新设计的方法等。

7）在面向目标学生群体的定制化菜单中设计系列化的3D打印课程与培训内容。

①针对不同学科不同专业的学生，设置不同的教学方案和课程内容，学生可以根据专业需求选择。例如：针对非理工科学生，进行8学时的3D打印初阶实训教学；针对工科学生，进行16学时的进阶实训教学；针对医学院学生，进行与医学交叉的3D打印实训教学；针对工业设计、艺术类学生，进行8学时的艺术相关3D打印实训教学等。

②根据不同学习需求的学生，设置不同的教学方案和培训内容供学生选择。例如：对参加科技竞赛的学生进行针对性的3D打印加工课程训练；对自主实践的学生进行基础化、细致化的3D打印加工指导。

4 教学改革的成效

教学改革的成效：1）显著提高了本科生对现代增材制造加工技术的理解和掌握；2）显著增强了学生的工程设计能力；3）有效培养了学生的逆向工程思维和逆向工程设计能力；4）激发了学生的创新意识、创新性思维和创新能力；5）强化了学生的质量意识和质量观念；6）增强了学生的动手实践和团队合作能力。

从项目组教师在教学过程中的感受、对学生的问卷调查和学生的反映来看，该教学改革所采用的教学模式和教学内容都取得了显著的效果，达到了预设的教学目的，学生对教学效果满意度高。

5 参考文献

[1] 周峥嵘，何流洪.读懂新形势抓住新机遇实现新跨越：新工科范式下工程训练中心的建设[J].高教学刊，2021（6）：69-71，75.

[2] Watson K， Modgil S， Modgil C. Quality in Education[M].London：Cassel，1997.

[3] 王光艳，冷光明，罗青龙.3D打印技术在高等教育中的应用与发展[J].中国教育技术装备，2016（16）：36-37.

[4] 郭文霞，张海川.工程训练开设3D打印技术实训课程的探索与实践[J].中国现代教育装备，2019（15）：49-51.

[5] 杨洋，李金良，耿冬妮，等.工程训练3D打印实训教学的探索与实践[J].中国现代教育装备，2016（17）：88-89.

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2024.19.157

*项目来源：教育部产学合作协同育人项目“新工科背景下3D打印与逆向工程技术课程改革”（项目编号：2209044692204