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《3D打印材料与技术》课程的教改认识与实践

作者:未知

  摘要:3D打印技术作为在全球爆发式发展的快速成型制造技术,已经被广泛地引入到我国的教育教学中,这一技术的应用也为制造类、材料类专业的教育工作提供了新的理念与思路。本文针对3D打印技术课程特点及现有的教学问题,提出优化传统教学的创新手段,激发学生的兴趣和创造能力,提高学生思维创新与实践能力。
  关键词:3D打印材料与技术;课程特点;教学创新
  中图分类号:G642.0     文献标志码:A     文章编号:1674-9324(2019)18-0146-02
   一、引言
  21世纪,材料科学已经与能源科学和信息科学并列为现代科学技术的三大支柱。20世纪80年代3D打印技术得以发展與推广,被赋予了“第三次工业革命”的大背景,以3D打印技术为代表的快速成型技术被看作是引发新一轮工业革命的关键要素,其已经超越传统单材均质加工技术的限制,成为可实现多材料、功能梯度材料、多色及真彩色表面纹理贴图制件的直接制造;可跨越多个尺度(从微观结构到零件级的宏观结构)直接制造;并与传统加工工艺结合,可实现多种兼顾精度和形状复杂度的新型加工方法。目前3D打印技术方面人才匮乏,严重阻碍了这一技术的推广应用。3D打印教育教学工作应不断优化3D打印技术,完善3D打印教育创新,使3D打印从象牙塔里的高科技发展,成为融入学校、家庭和社会教育常态的具有革命性影响的技术,对材料专业学生开展3D打印技术的教学工作具有显著必要性。
  文章对3D打印材料与技术的教学形式所面临的问题及采用多元化教学手段等方面的研究改革进行探讨,提出了自己的一些思考。
  二、课程特点及现有问题
  3D打印材料与技术是一种与传统的材料去除加工方法截然相反的材料添加成型技术,基于三维CAD模型数据,通过增加材料逐层制造的方式,采用直接制造与相应数学模型完全一致的三维模型制造方法成型三维物体。基于3D打印显著特征和多样化创新应用,3D打印教育特性体现为:3D打印是蕴含了“思维”的个性化创造工具,让学生体验从无到有的设计过程,让想象变成现实,提升学生的立体思维空间能力。与喷墨打印机、激光打印机只能实现物质的二维结构相比,3D打印能够从虚拟的符号表述转变成实实在在的物体,3D打印课程拥有视觉、触觉的学习方式,打造虚实结合的教育平台,实现将学生的设计思维有效地创造为现实实体,不仅丰富学生的学习环境,而且促进学生的创新活动。
  虽然近年来3D打印技术成为全世界范围内得以迅速推广的快速生成技术,但是在国内不少高校这门技术仅仅是试水教育行业,在学校中的推广和普及仍面临很大的挑战,主要体现在以下两方面:首先是要在教学中充分展示3D打印技术的效果,3D打印机及专业的三维建模软件等软硬件配套设施必不可少,然而目前在高校中3D打印设施很难配套,配置较好的3D打印机价格高昂,而入门级的机器工作效率低,很难满足教学活动需要。其次是3D打印技术是一项涵盖机械设计、机械绘图、软件应用等技术的综合学科,用好3D打印技术对教师和学生的综合素养要求很高,现有的学科知识基础很难全面的完成3D打印的设计和再造。这就首先需要提升教师在使用设备及3D制图软件等方面的培训和深化学习。
  三、课程教学手段改革
  (一)授课采取多种形式,引发学生兴趣
  根据3D打印材料与技术课程独特的特性,课堂教学可充分利用多媒体演示和计算机三维建模手段,在有限学时内最大限度地发挥多媒体教学的效果,让学生系统性地进行新产品的快速设计、CAE分析等,了解现代先进的制造技术引导下的产品快速成型整个产品研发环节的学习。
  课堂教学可开展“以学生为中心”的颠倒师生关系的教学理念,让学生在课下时间通过自学研究完成对新知识的学习,利用上课时间教师通过设计一些问题情境让学生作为老师进行讲解,不仅有利于学生自主学习的积极性,同时,让学生从一味的被灌输知识转为以输出知识为主导的学习模式;同时可以组织学生以团队间的协助合作、交流讨论的形式,实现对新知识的理解吸收与应用研究。
  邀请国内外3D打印技术和3D打印材料研发专家做专题报告和学术前沿讲座,使学生能够倾听到科研专家、专业工程师的莅临指导,更好地了解到3D打印技术的前沿发展动态,拓宽学生和教师的思维知识面,不仅仅局限于课本知识教学,活跃课堂氛围,创新教学模式。
  (二)教学应与实践相结合
  与传统的材料专业教学课程不同,3D打印技术需要实体与模型,采用传统的教学方法缺乏直观的立体感,不利于提高学生的感性认识,学生利用3D打印机打印自己设计的各种成型产品,体验理论设计与现场加工的完美结合,将课程理论知识与实践紧密联系,提高学生的设计能力和动手能力等综合素质,在寓教于乐中促进教学效果的提高。
  3D打印材料与技术是一门理论密切联系实际的课程,是理论性与应用性都很强的交叉学科,目前材料行业快速发展,让学生有机会去3D打印材料生产厂家以及3D打印机械部门参观和学习,了解3D打印技术的最新发展并如何应用于现实生活生产中,同时学生可在实践中开发自己独特的兴趣爱好;鼓励学生最好能利用寒暑假等节假日的时间里去机械厂家进行金工实习培训,不仅能在空余时间锻炼能力,也将对未来的工作生活具有深远的影响。
  (三)工程实训锻炼培训
  在高校原有工程训练中心的基础上,增加三维数字建模的设计以及3D打印快速成型技术的教学服务,让学生近距离地接触仿真的研发、车间和生产线,为教学提供全面实验支持,使学生能将各种理论知识与科研实践相结合,获得解决实际问题的能力。
  (四)创建学习电子平台
  随着电子设备的普及以及数字校园、智能校园、互联网+的发展,在课堂教学、课后自学中有效地利用智能电子设备辅助教学将成为顺应学生心意的教学改革方式。结合3D打印技术课程特点,学生利用班级微信群、QQ群等交流平台进行信息交流、资源共享、专题研讨等,教师根据学生反馈的信息进行有针对性的教学;同时,学生可利用直播平台、微信公众号等自主发布、传授所学到的知识、设计的产品,学以致用,将前沿科技进行普及推广,激发学生自主学习的兴趣和创新能力。   學生亦可以组建团队利用互联网+创新产业平台结合3D打印技术的学习成果成立自主研发的创新项目。互联网平台不仅为生活的发展带来极大的便利,也为未来的工作生活创造无限的可能,3D打印技术将有着巨大的发展潜力,鼓励学生能将理论学习与实际应用智能地结合起来。
  (五)课程成绩评定
  课程考试成绩的评定应以卷面考试为主、平时成绩为辅进行核定,平时成绩不仅包括课堂表现、平时作业,更应将学生课外的自主学习情况进行核定,包括学生的实习、知识传播与拓展等多方面进行。
  四、结束语
  作为本世纪最具发展前景的前沿科技研究热点之一,3D打印材料与技术得到迅速发展,其在航空航天、医学、建筑、电子等领域都有着广发的潜在应用价值,3D打印材料的伟大变革包括3D打印工程材料、导电材料、记忆材料、人体组织器官等从理论研究走向实际应用,将引发技术和社会的革新,为人类的生活带来无限新的可能。我们要积极适应新科技的发展,改革现有的新材料教学内容,改进教学方法,激发学生的学习兴趣和热情,充分调动学生自主学习与科研创造的主动性,提升学生在学习过程中的主导地位,为材料行业培养合格的3D打印技术人才,促进新材料行业的快速发展。
  参考文献:
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  Abstract:3D printing technology,as a global developed rapid prototyping manufacturing technology,has been widely introduced into education teaching in China.The application of this technology also provides new concept and ideas for education work on manufacturing and material science majors.In view of the course features and the existing teaching problems,this paper proposes innovative methods to optimize traditional teaching,stimulate students' interest and creativity,and improve students' thinking innovation and practical ability.
  Key words:3D printing materials and technology;course features;teaching innovation
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