快速成型技术课程教学研究

摘要:基于快速成型技术课程进行教学研究与实践。对该课程教学中存在的问题,如教学方法单一、新技术内容欠缺等进行分析,从多样化的教学方法、最新技术进展内容补充、在线课程建设等方面进行创新。实践效果良好,学生的学习积极性和教学效果明显提升。

关键词:在线课程;创新教育;教学研究;快速成型

1快速成型课程教学基本情况

快速成型技术课程教学创新主要基于材料类本科专业(如材料成型及控制工程、材料科学与工程)的专业课程“快速成型技术”开展工作。主要介绍常用快速成型(RP)工艺、材料、设备、数据处理等方面的基础理论与应用。学生经过本课程的学习,能够掌握快速成型技术的基本原理和操作方法,熟悉相应材料及工艺设备,了解相关领域的发展现状和趋势,具备课程方向的工程应用和继续学习能力,为后续的课程及毕业后工作或深造打下基础。目前不少高校的快速成型技术课程教学中仍存在着教学方法单一、技术进展内容欠缺等问题。本文从理论教学内容、课程教学模式、课程教学方式、方法与手段、考核方式以及课程线上资源建设等方面对该课程进行改革创新工作。

2快速成型技术课程教学研究探索

快速成型技术,也称3D打印或增材制造技术课程是目前国内高校中材料类和机械类等工科专业普遍开设的专业课程,该课程所涵盖内容丰富多样,且更新变化速度快,包括理论和实验两个环节。针对该特点,本项目在学生扎实理解和掌握理论知识基础上,强化知行结合的实践应用能力,本着“以学生为中心”的教学理念,在理论和实验环节都进行了教学创新工作。

2.1充实多样的教学内容

本着全面学习快速成型领域的主流先进技术为目的,课程讲授中不但涵盖教材中成熟的技术理论和应用,还通过多种手段补充教材之外的最新行业技术进展情况。教学内容包含精彩的国内外科研进展、科技奖项、行业展会、产品、应用实况、市场资讯等视频资源或图文描述,做到应用案例更新快,形式丰富新颖。例如,在讲授选择性激光烧结/熔化(SLS/SLM)技术章节时,在该技术相应的概念、原理等基础理论基础上,采用视频和图片等形式加入了SLS技术制作武器零件、航空发动机组件等应用实况,介绍了近期我国中车工业研究院突破空客公司专利限制,采用SLM技术制备高强铝合金样件,可满足国内轨道交通和航空航天等高端制造需求。还节选了央视一套《开讲啦》节目中金属3D打印方向的中国工程院院士王华明教授的讲演内容。课后在本课程的线上网络平台中了近期中国增材制造年会中关于SLM技术工业化进程的报道内容,并提供相关主题,供学生扩展学习和讨论。这些丰富的教材内外资源可显著提升学生的学习兴趣,同时自然地融入了思政内容。

2.2以学生为中心的教学模式

采用以学生为中心的教学模式,部分课时采用反转课堂的形式。通过提前选定任务,学生提前预习,出想法或方案,课堂交流讨论的方式,既能调动学生主动性和创造性,又可丰富教学形式,调节课堂氛围,让每位学生都主动地思考,辩证地学习。学生在精心设计的教学活动中可以循序渐进地掌握专业理论知识,并在不同的应用场景设定下辩证地思考判断每种技术的特点、适用性以及发展方向。

2.3灵活合理的教学方法

采用引导式的教学方式,充分利用多媒体教学优势,以提升学习效果。在日常教学课堂中,引入丰富的多媒体资源,涵盖理论和实践内容。针对特定的技术分支,教学内容中既包含基本概念、技术内容的文字描述,也给出工艺流程的示意图和标注,还会播放典型产品演示和生产应用的视频资源并进行互动性评述。这种启发式、参与式和讨论式教学方式显著改善了学生的学习态度和学习效果。2.4全方位考核本项目课程采用全过程考核管理,即多种形式的平时考核与期末考查相结合,贯穿课程始末。考核方式合理多样,考核总成绩由课程论文和作业评价、阶段测验、实验报告、专题报告等过程性评价成绩加权计算。过程性评价分值分配及期末考核内容与教学大纲各章节的学时基本成比例,评分标准明确。为激发学生的积极性,充分体现其个性和爱好,课程论文选题自拟,可针对典型的快速成型技术或样件,从三维建模、数据处理、工艺方法、检测分析等方面任选方向编写论文。从提交情况看,论文选题方向多样,涉及模具工装、装备部件、交通载体、医学应用、艺术设计等多个领域,完成质量普遍较好。结合题汇报和答辩环节,可更加全面公正地对课程学习效果进行考核评价,学生对该考核形式认可度较高。

2.5强化理论和实践的关联性

快速成型课程通常设置有8学时的课内实验。实验环节直接关系到学生对所学理论知识的理解和掌握,更是培养其动手操作和工程应用能力,达到知行结合目的的重要支撑平台。课内实验的学习效果也直接影响到学生在期末考核中的课程论文撰写水平。通过计算机软件自主建模结合线下实物打印的实验开展方式,强化了理论教学与实验操作两个环节相互的关联性和支持性,引导学生在课程方向上发挥主动性和个性爱好,充分利用互动式教学形式在课上及课下进行项目开展。实验内容包括逆向工程技术实验和产品的三维打印实验。逆向工程实验是对教材内容的有益补充和就业创业的加分技能。三维打印实验则可用最小成本的FDM设备让学生充分地体验和应用所学知识在课上的时间完成一个实物样件的打印。基于2次“大实验课”的课程设计,每次实验除了教师的必要讲解和演示,每个学生分组都可有一定的时间对所涉及实验设备进行实物认知和操作体验。鉴于快速成型相关设备均具有灵活多样和柔性化的技术特点,所以根据每次实验的具体目标,学生需要对工艺流程、设备参数、附件和工辅具等进行针对性的设计和选择,以及必要的维护或调整改造。该类设计和操作环节具有很强的训练提升效果,通过一次或几次的实际操作就可使学生相应的理论知识和实践技能有明显的进步提升,也极大地提升了学生的专业热情和就业或深造的信心。2.6在线课程建设与应用本项目团队积极进行了线上课程资源建设,在学校网站的网络教学平台中开设了相应的在线课程。第一版在线课程视频录制采用电脑录屏的方式进行。利用录屏软件按照正常线下课堂时长提前录制好讲课视频。待线上开课时,利用“钉钉”“QQ”等通用软件平台提供的直播功能进行视频播放,教师本人出镜显示在直播界面右上角区域,直播界面右侧下部区域设置为讨论区,可显示签到情况,话题问答情况及实时的主题讨论信息。此版本线上课程在最近疫情期间已经全面运行两个学期,效果良好。近期为积极践行线上线下结合课程的建设,与专业视频制作公司合作进行了新版本的线上课程录制工作。第一个版本面向受众为特定专业班级的学生,通常每次课程为1-2个行政班。老师对学生学习该课程前的知识和技能掌握情况比较了解,对该课程在之后培养环节中起到的支撑作用有所把握,因此针对性强。通常在每次备课时都会设计2-4个课堂中的互动环节,通过选择题、判断题或简答题等形式让同学们在配套的在线课程网络平台上进行作答,及时统计结果并进行分析讨论,每个环节时间都严格控制,从而保证单次线上课程时长较准确地符合课程表时段要求。第二版在线课程录制主要针对线上线下混合课程的开设,面向的受众更加通用化。由于各专业学生课前的知识体系不尽相同,所以要特别注意本课程内容的相应理论基础。在讲授过程中由于没有学生的参与,无法及时接收学生的反馈信息,如对当前知识点的难易程度的感受或兴趣点契合程度等,更无法开展线下课堂中常用的提问、讨论等及时互动环节。此外为达到更好地观看效果,专业视频公司通常鼓励采用纯色背景抠图的方法进行拍摄,授课教师通常无法采用即兴的口语化语言进行诠释,需要提前形成书面形式的脚本,因此话语更加精炼、准确,每次讲授时间也缩短至10~20分钟。这种形式可为线上线下结合方式开展课程学习提供了更加充足的线下互动、练习、答疑和拓展等对应的时间。本次还特别录制了实验部分的实物实景操作环节讲解视频,从而为之后的线上应用提供了更充分的素材支撑,尤其是可以更加从容地应对近年来不确定的疫情形势造成高校学生不能按时到校学习的情况。后续还将持续建设,根据运行情况改进优化,深入发掘线上线下课程优势。

3结语

目前,不少高校的快速成型技术课程教学中仍存在着教学方法单一、技术进展内容更新慢等问题。本文基于笔者对该课程的教学研究和实践经历,提出充实多样的教学内容、学生为中心的教学模式、灵活合理的教学方法、全方位考核、强化理论和实践的关联性、在线课程建设与应用等教学改革与创新内容,引导学生在课程学习中发挥主动性和个性爱好,提升教学效果,取得了较为满意的实践效果,以期对相关工作提供借鉴和参考。

参考文献

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作者：陶凯 郭朝博 张爱民 王会敏 韩璐 康玉辉 单位：河南工学院材料科学与工程学院 河南工学院图书馆 河南工学院机械工程学院