新工科下的“3D 打印技术”课程科-教结合教学模式与方法改革

吴文征 孙慧超 郭金雨

（吉林大学机械与航空航天工程学院 吉林·长春 130022）

0 引言

目前，国家实施创新驱动发展、“中国制造2025”、“互联网+”、“一带一路”等重大战略，以新技术、新业态、新产业为特点的新经济蓬勃发展，要求工程科技人才具备更高的创新创业能力和跨界整合能力，从而加快新工科建设，助力经济转型升级。[1]而3D 打印技术作为新一代工业革命下新兴的革新性技术，对学生的创新思维激发和培养，以及知识跨界整合能力都提出了新的要求，符合新工科背景下工程技术人才的培养目标。因此，开展“3D 打印技术”课程教学改革具有重要意义。

1 理论课程教学模式改革

现阶段，根据传统的人才培养目标所设计的高等教育人才培养模式，尤其是在工程教育领域，多以课堂大班教学模式为载体，以教师知识讲解为主体，进行学生自由吸收-课后作业巩固-结课理论知识考核这一培养路线。[2]这样的传统模式导致的问题首先在于学生知识的理解吸收浅显的存在于理论认知层面，与实际结合乃至创新创造方面的知识运用缺乏培养与开发；其次，尽管有些教学课程设置有实验课程，但是对于一些新知识体系，这种课堂教学与实践分开进行的培养模式不能达到很好的培养效果，学生在这种培养模式下会出现知识接收运用的断层现象，不能达到提高学生创新创造能力的培养目标。而在新工科背景下，特别是新兴技术-智能制造时代的到来，要求工程技术人才具有较高的创新创业能力，同时具有良好的学科交叉能力，并具备主动创新的动力与积极性。而传统的工程教育培养模式则明显不能实现新的人才培养目标。

本文以新一代工业革命的核心技术——3D打印技术为课程设置，以实施科-教结合的形式对传统教学模式进行改革。3D打印技术作为一项新兴技术，其在智能精密制造、先进制造、生物医学、航空航天等相关领域的研究与应用具有广阔的前景，进行该项课程的教学与指导，可以提升工程技术领域相关人才的创新能力，实践动手能力，学科交叉贯通能力，因此，实现“3D打印技术”课程的高效教学具有重要意义。[3]

首先，作为一门新兴课程，3D 打印本身所具有的新知识、新工艺、新特性，需要学生有一定的了解，可以制定课前理论知识预习任务，让学生在课前对于该技术有初步的背景了解与认知；其次，不同于传统的教师知识灌输，学生被动接受的模式，科-教结合的教学模式下，在学生课前预习理论知识介绍部分的基础上，教师可以直接进行难点疑点答疑式的指导，从而让学生在理论课堂上占据主动，提高教学质量与效率；在课堂中，为了充分利用学生的感官，调动其学习兴趣，提高专注度，应该进行多元化知识传递模式，以文字简介为基础，数据及其可视化图表为理论依据，音视频多媒体教案为知识形象化展示，充分调动学生积极性，减少乃至消除课堂的低效时间；在理论知识讲解课堂的最后5 分钟，设置问题问答环节，对有问题、有想法的学生进行针对性的指导，为鼓励学生发言，可按问题的创新性将学生的提问计入本课程总成绩；理论课课后作业的布置以开放式作业为宗旨，针对3D 打印技术的工艺、材料、原理、应用等各个方面进行拓展，让学生自选角度提出自己的想法或观点，同时预习下一节课的理论背景，为新课程的理论教学环节做好铺垫，循序渐进。

以上科-教结合的教学方法改革，改革措施均是以契合新工科背景下对人才能力的需求为目标进行设置的。通过理论教学课程改革之后，能明显提高学生的上课积极性与课程参与度，极大减少课堂的低效时间，教学课程环节环环相扣，始终保持学生的主动性与学习热情，保证培养质量，使得学生自觉学习，主动求知，在此过程中，使学生的信息检索能力，新事物学习掌握能力与自主思考能力得到良好的培养。

2 实验实践课程设置

3D打印技术是一门集机械、材料、自动化控制为一体的学科交叉型新兴技术，是新工科形势下的技术大趋势，要求工程技术人才具有良好的实践创新能力和学科交叉整合能力，这对传统的工程教育模式提出了新要求。为此，针对原有的理论教学课程模式，实验课实践教学模式，提出了科-教结合的教学模式与方法的改革措施。[4]在理论教学课程进行的同时，穿插进行实验实践课程，并且理论教学课程在需要的时候，可以转移到实验室进行，让学生现学现用，从抽象知识概念到形象设备结构有一个全方位的认知与思考。

随着理论课程的深入，为开拓学生的自主思考能力与创新能力，及时设置设备改进优化实践课程，跟进理论教学的进度，学生通过学习理论课堂上抽象的理论知识，进行自主思考、自主创新，在指导教师的指引下进行设备的改进优化。结合现阶段3D 打印技术所存在的问题，从打印材料、打印工艺、结构优化、打印精度提升、打印速度控制、打印成本控制等多角度进行设备的改进优化。在此过程中，让学生理论联系实践，进一步培养其知识的运用能力与思考拓展能力。这种科-教结合模式的教学模式改革，摒弃掉本科教学培养模式与研究生教学培养的界限，解决了教育断层的问题，从本科阶段开始对学生进行科研思考与科研实践的培养。

在进行3D 打印技术的原理背景介绍学习及深入设备工艺优化课程之后，为达到学以致用、快速学习新事物并加以运用的培养目标，针对不同工艺的3D 打印技术，开设应用实践课程。本课程要求学生自主思考，自主检索信息，在老师的指引下思考各种工艺3D 打印技术在各个领域的应用，并指出应用在现阶段存在的问题以及未来的可行性分析。以学生设计方案、进行方案分析为主，导师评审与答疑为辅。让学生活学活用，认知熟悉从知识背景到设备组装，再到设计优化乃至应用实践的整个环节。

通过实践课程的设置，实现科-教结合的科学指导环节，结合穿插进行的理论教学环节，实现从理论知识讲解到科学优化探究，再到实践应用的全方位、全周期培养，通过改革之后的科-教结合培养模式，使得对学生的自主学习能力。信息检索能力、科学探究能力、自主创新能力等诸多方面有了全方位的培养。通过对学生的设计方案，方案分析与问题阐述等过程的分析，能明显反映出学生自主研究、自主学习能力的提升，方案创新多样且可行，该种科-教结合模式的教学模式改革具有良好的培养效果。

3 课后方案设计任务设置

在课堂教学的同时，应当注重学生课余时间的利用，从而进一步培养其自主创新创业、自主思考的能力。要以兴趣激发为导向，动力激发为手段，布置开放性的设计任务，巩固学生课堂上所学所思，并在整个过程中让学生独立思考，运用所学所思进行对任务进行分析、设计和完善，达到知识的融会贯通、学以致用，以符合新工科背景下的工程技术人才的能力需求。

新工科背景下，要求工程技术人才能快速学习新事物并学以致用，并具备解决问题、自主创新的能力。因此，工程技术人才的培养模式必须具备科-教结合的特征。结合之前的培养模式改革方案，设置针对性的课后设计任务，以充分发挥学生的自主能动性，从3D 打印技术课程出发，设置机构、工艺、材料、原理四个方向，结合高效性、低成本、可靠性、高精度四个要求，布置设计优化任务，要求学生提交设计图纸，原理说明，优化结果数据可视化对比以及原创性说明，以保证设计任务的质量和培养质量。在此过程中，潜移默化地培养学生的兴趣和创新动力，以达到培养目标的需求。

4 结语

通过科-教结合下教学模式与方法改革，针对“3D 打印技术”课程进行了教学模式与方法的革新。从理论教学课堂环节进行改革，增设实践实验环节，增设课后方案设计任务，从课前、课上到课后，充分调动学生的自主学习、自主创新积极性，从以往的教师为主体，学生参与的灌输式教学，改革为以学生自主学习，自主创新为主体，教师辅导的科-教结合式高效培养模式。激发学生的自主学习热情，培养其信息检索能力、自主创新能力、跨学科知识融合整合能力，拓展学生国际视野，提高学生思想层次，建立新工科背景与人才需求下的全方位培养模式，实现实践创新能力强、具备国际竞争力、符合当代国家与社会发展需求的高素质复合型新工科人才的培养。