3D打印技术融入车辆工程专业本科教育新探索
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作者:金育安 陈剑斌 杜建科
[摘 要] 3D打印是目前制造领域发展迅速的一项新兴技术，如何将3D打印技术与现代工科高校应用型人才培养进行有机融合，成为高等教学研究的热门课题。车辆工程作为典型的工科类专业具有应用性强、就业形势好的优点，相比其他机械类专业，其专业性强、实践能力要求高等特点又对其本科教育提出了特殊的要求。围绕车辆工程专业的人才培养目标，结合3D打印涉及的关键技术，从成型原理、成型装备以及过程规划三个方面，对车辆工程专业本科培养过程中的教学内容进行初步探索，期望能切实锻炼与提高学生独立解决工程问题、加强团队协作等方面的能力，为车辆工程专业本科教育中引入3D打印技术提供参考与借鉴。
[关键词] 3D打印;车辆工程;本科教育;翻转课堂
[基金项目] 2018年宁波大学教学改革研究项目一般项目“双一流建设背景下3D打印技术在本科生培养中的趋势与挑战”
[作者简介] 金育安（1988—），男，安徽黄山人，工学博士，副教授，研究方向为3D打印技术;陈剑斌（1988—），男，福建泉州人，工学博士，讲师，研究方向为难加工材料制造力学性研究;杜建科（1970—），男，陕西扶风人，工学博士，教授，研究方向为多功能/智能材料与结构力学。
[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2020）31-0248-03 [收稿日期] 2020-02-07
3D打印技术凭借独特的成型方式，不需要传统的刀具、夹具及多道加工工序，直接将工件的三维模型输入3D打印机，由程序控制实现任意复杂形状零件的快速与精确制造，实现了真正意义上的数字化设计与制造。近年来，3D打印技术逐渐应用于科学研究、生物医疗、航空航天、汽车制造、食品加工、设计创作等诸多领域，走进大众生活的同时，也在改变人类的生产与生活方式，对高校的教学内容与方式也带来了很大的影响[1]。3D打印技术集CAD设计、机械设计、控制技术、编程技术等学科于一身，是现代技术特别是信息技术的综合体现，是工科类专业课程教学与知识传播的良好载体[2]。
3D打印的工艺特点与优势给高校的产学研究带来了新的机遇，将其应用到教学实践过程中，对培养学生的动手能力和创新思维有着重要的促进意义[3]。目前各高校对3D打印技术的教育研究多集中在技术本身或宏观教育背景下的实施方法，而很少涉及针对特定学科的人才培养目标展开的教育研究[4]。本文围绕3D打印涉及的关键技术，立足于车辆工程专业的人才培养目标，对面向车辆工程专业的3D打印相关课程的教学内容、教学方案与新模式进行探讨，为培养应用型车辆工程领域人才拓展教学思路。
一、教学内容设计
3D打印技术作为新兴的教学方向，同样也是一项新兴的技术，该技术本身仍有很多值得深入研究的内容，不加选择的用于教学，不仅不利于学生系统地掌握课程内容，还无法将学习的3D打印知识与其专业背景进行有效的结合。基于目前车辆工程专业的人才培养目标，在选择教学内容时需要将现有相关专业课程融入3D打印技术中，而不能脱离现有的课程体系单独开设一门完全崭新的课程。根据不同专业课程的需要，积极进行切入与融合，实现新技术与专业背景的相结合。针对车辆工程的专业背景和社会需求，基于作者对3D打印技术的认知与学习，可以从三个方面开展对3D打印技术的教学。
1.3D打印的成型原理。3D打印之所以能在比较短的时间内在多个领域得到广泛的应用，是因为其独特的增材成型方式解决了传统加工方法的诸多弊端。尽管同时也带来了新的问题，但这并不妨碍3D打印在很多领域成为传统加工的替代工艺。在汽车制造领域，零部件制造方法多以金属的切屑、冲压、锻造以及焊接等传统工艺为主，经过多年的发展与完善，这些传统工艺已经可以满足较高的机械性能与安全性能，并且还在不断进步。然而，受限于材料特性与成型原理，这些传统工艺在汽车整车及其零部件的轻量化设计制造方面始终难以获得较大的突破。尽管在面向轻量化设计的拓扑优化方面的研究已经开展了几十年，但受限于成型工艺始终无法得到实际的应用。3D打印技术完全颠覆了传统的减材或等材成型方式，可以加工任意复杂形状的零部件，为汽车领域的轻量化设计提供了强大的技术手段。因此，通过讲解3D打印技术的成型原理会让学生对技术本身有基本的認知，同时对该课程的学习目的更为明确。
2.3D打印使用的成型装备。3D打印机本质上是一台机器，同样也包含了机械框架、控制模块、电机驱动模块以及诸多电子元器件。掌握各个模块的工作原理以及模块之间的协调机制有助于加深学生对机械设计与制造的基础理论，电工电子技术、计算机应用技术和信息处理技术等相关学科理论知识实际应用的理解。因此，在面向车辆工程专业的本科生讲授3D打印技术课程之前，学生需要掌握机床理论、数控原理、机器人技术等知识内容，让学生对机器的模块化设计概念有更为清晰的认识，这对学生将来从事整车研究开发工作或进一步研究深造都会有很大的帮助。
3.3D打印的过程规划。过程规划是几何模型到机器代码的桥梁，在3D打印机加工之前，需要将数字化模型进行一系列的处理，完成“离散”过程。具体讲，就是对几何模型沿着Z方向进行切片操作，3D打印机根据得到的切片文件进行逐层堆积，获得最终的实体。3D打印的过程规划包括了CAD（Computer aided design）与CAM（Computer aided manufacturing）两个机械类专业学生需要掌握的重要知识点。通过这部分内容的学习，可以加深对先进数字化技术的认识，提高学生的工程实践能力，培养学生的创新设计意识。
二、教学方案实施
车辆工程专业强调培养学生的实践运用能力，在教学过程中要基于本专业的特殊性要求，将教学方法与培养目标紧密结合，通过3D打印技术激发学生对车辆专业知识学习的参与性与主动性。教师必须根据不同教学内容进行正确的引导，培养学生的专业素养。基于以上要求，作者提出采用翻转课堂这种新型教学方式开展教学。 随着课堂教学的不断改革，教学方法正在尝试从以教师为中心转向以学生为中心，一种被称为翻转课堂的新型教学方式颠覆了传统的课堂教学模式。学生在课外时间阅览教师制作的以介绍新概念为主的资料，从而腾出时间在课堂上与教师更多的互动。这种教学方式有利于促进成员间交流，提升学生个人的责任感和积极性。3D打印技术涉及的新知识具有范围宽泛和容易理解的特点，特别适合由教师进行整理概括，学生在课外利用灵活的时间进行学习，而课堂上则由学生将学习过程中遇到的问题或者创造性思想与教师进行沟通。这种教学模式能为师生沟通建立保障，并为学生的实践动手能力提供有效途径，通过实际参与提升学生的理论实践能力，并加深对与3D打印技术相关的新知识的理解程度。此外，在3D打印教学过程中应当重视教学环境和教师与学生的参与方式，实现学生动手动脑能力有效提高。从教师的角度，在前期准备课前学习内容时要特别注意3D打印技术与已学课程的关联度，要将教学大纲与3D打印技术目前的先进研究成果相结合，特别是在车辆工程领域的新成果，抓住3D打印融入车辆领域过程中的重点和难点，给学生提出问题开展教学，坚持运用新知识和新需求引导教学，积极解决车辆工程领域目前存在的问题，促进3D打印技术与车辆工程的相结合。在提升教师的备课能力和对3D打印技术专业基础掌握水平的同时，激发学生的学习兴趣，共同开展研究性学习，提升学习效果，培养其成为为国家和社会所急需的高素质应用型创新人才。
三、实践教学新模式
作为新兴的、有应用前景的教学内容，不仅要将3D打印技术本身掌握透彻，更要与所学专业相结合，利用这项新技术为车辆制造业的发展做出新的贡献。为了更好更快的让学生接触并了解这项高新制造技术，需要尝试一些新的实践教学模式，让实践教学变成现实体验，这将有助于培养3D打印方向的车辆工程专业人才。
1.创建3D打印实验室。实践教学的基础就是让学生有接触硬件、操作机器的机会。虽然3D打印机的种类繁多，价格区间很大，但可以购买一批入门级别的FDM设备让学生拥有亲手操作机器的经历。也可以购买待组装的套件由学生自主完成装配，不仅锻炼学生的动手能力，还能加深学生对打印设备的熟悉程度。此外，可以购买少量工业级的高精度设备供学生观摩学习。
2.校企合作，参观相关企业。通过参观企业能实时掌握市场对该领域人才的需求，也能了解该领域的发展方向。通过加强与地方企业的合作，可以推动3D打印技术与车辆制造领域的发展，为培养行业、企业所需的3D打印技术应用型技术人才，更好地服务地方经济发展打下坚实的基础。
3.邀请3D打印领域的知名人士进行课堂讲学。目前国内有很多高校和研究所的团队对3D打印技术进行研究，邀请该领域的专家举办讲座，这将有助于授课老师更好地掌握该领域的前沿技术，学生听后也能受益匪浅，增强对该技术的学习兴趣。
四、结语
当前，汽車行业正面临着技术与产业变革的关键阶段，朝着前所未有的智能化趋势发展。为满足与之相符的科技需求，高等学校应在专业课程开设与讲授内容上与时俱进，提出相应改革措施。针对车辆工程专业中制造科学与技术的特殊性，本文围绕如何将3D打印技术有机融入车辆工程应用型人才培养，从讲授内容、授课方式和实践教学新模式三个方面提出一些改革思路和建设规划，对培养高质量有车辆工程专业特色的3D打印技术研发和管理类人才，对进一步完善车辆工程专业课程体系有一定推动作用。
参考文献
[1]卢秉恒，李涤尘.增材制造（3D打印）技术发展[J].机械制造与自动化，2013（04）：1-4.
[2]陈思.基于3D打印技术的工业设计专业教学研究与实践[J].工业设计，2019（02）：42-43.
[3]芦欣，卫丽华.3D打印技术融入应用型本科教育的新探究[J].科教导刊，2018（6）：62-64.
[4]刘利剑，周京博，秦志英.3D打印在机械制造综合实践教学中的应用[J].教育教学论坛，2018（8）：46.
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