3D打印技术及应用课程线上线下混合式教学的研究与实践

霍 莹,陈宏博,唐国坤

(吉林化工学院 工程训练中心,吉林 吉林 132022)

教育部在《关于深化本科教育教学改革全面提高人才培养质量的意见》中明确指出,着力打造一大批具有高阶性、创新性和挑战度的线下、线上、线上线下混合、虚拟仿真和社会实践“金课”。教育部高等教育司也提出了要“深化新工科建设,推进产教融合创新平台”等工作,在此时代背景下,促使高校不断地改革教育教学模式显得尤为重要[1-2]。20世纪初,国外各高校纷纷开展了自己的开放式课程项目后,在线学习资源管理和服务进入了一个发展和增长的时期,联合国教科文组织把它称作“开放教育资源”,并且逐渐成为各国高校教育资源建设和在线教学的主流力量。随着“互联网+”和信息化的不断深入,MOOC、微课、翻转课堂等新的教学模式,正在引发教育模式的变革。国内的在线教育在20世纪末才开始了起步。从发展历程来看,中国在线教育经历了从远程教学平台、网络化教学阶段、在线开放课程学习阶段到线上线下有机结合的“互联网+”智慧课堂的四个阶段。现在国内出现了多种APP教学平台,使我国的在线教育进入了网络智能教室的新发展阶段。

通过调研,全国高校的工程训练中心几乎都开展了3D打印课程,但往往都采用传统模式教学,近几年也有采用利用互联网平台上的“3D打印技术”软件系统开展教学的高校,但采用线上线下混合式教学模式的较少。综上,采用线上各类教学平台和线下“3D打印创新技术应用”教学系统相结合的线上线下混合式教学,将对高校创新型、应用型人才的培养具有极大的促进作用。期望通过两者的深度融合,加快实现从以“教”为中心向以“学”为中心转变,从“知识传授”为主向“能力培养”为主转变,从“课堂学习”为主向“多种学习方式”转变,这不但可突出学生的主体性地位,还可以培养学生自主学习的能力,同时提升课堂教学效率[3-4]。

一、课程概况

3D打印技术及应用课程是我校机械类、近机类等专业的工程训练实践课程之一。通过此课程主要是培养学生的工程创新意识、创新能力和动手能力。传统的教学方式是先由教师讲解并演示软件和机器的使用,学生再进行练习操作。由于工程训练全部课程学时有限,理论课程讲完后,学生设计的时间明显不足,也无法满足不同层次学生的学生需求,因此基于互联网平台,提出了建3D打印线上线下混合式教学模式,利用线上“超星学习通”平台丰富学生的知识体系、解决因线下课时限制无法进行自主创新等问题,并利用产学合作协同育人的“互联网+3D打印创新实践课程”教学系统(以下简称“载物网”,网址为http://school.zaiwoo.com)的线下平台培养学生产品研发设计、研制完善、成本控制、经济评价、营销推广等能力,弥补线下3D打印技术教学方法的不足,在教学课程体系上进行改革,从而提高课程的教学质量和教学效果,提高学生提出、分析、解决实际问题的自主创新能力。

二、线上线下混合教学模式的设计与建设

线上线下混合式教学的建设思路是正确地处理好线上与线下教学内容的关系[5]。线上线下教学内容应该做好互相补充、相互促进,而不是重复相同的教学内容。线上线下混合教学模式应以学生为主体,教师应扮演组织者和引导者的角色,在学生的学习过程中提供对应的教育服务,让学生更好地进行学习,获取知识,将所学知识融会贯通[6]。

(一) 线上课程设计(课前)

本次线上教学使用的是“超星学习通平台”。学习通平台是在线移动教学课程建设平台,可以实时在线进行活动,如课程建设、授课、互动、考核、批改作业、答疑、考试等。通过线上课程的教学,不仅可以突破时间和地域的限制,实现课程相关的理论教学,还能扩宽扩展学生的知识范围,培养学生主动学习能力[7]。

教师作为组织者,首先要根据教学目标确定教学内容。线上的课程有3D打印基本理论知识、课程任务的发放(教师会根据各专业特点设定不同的课程任务)和载物网的使用。学生可以根据教师提供的线上资源在规定时间内完成线上的学习,如有问题可随时向指导教师提问,并与小组同学进行讨论。线上教学设计见表1。

表1 线上教学设计

(二) 线下课程(课中)

线下教学设计见表2。

表2 线下教学设计

1.建模学习

UG (Unigraphics NX)是一款用于三维建模常用的软件,它可为用户的产品设计及加工过程提供了数字化造型和验证手段。其功能强大,用户可以轻松实现各种复杂实体及造型的建构。

线下教学首先利用UG建模软件,进行基础绘图的操作,比如草图的绘制、拉伸、旋转,齿轮等常用工具的使用。学习完成后,同学们就可以利用该软件进行创新设计。

2.设计阶段

此阶段利用工具之一是产学合作协同育人“3D打印创新技术应用”教学系统的平台,此平台是以产品的研发、设计、制作和营销推广生命周期为导向,以互联网、3D打印设备、载物网平台为实施工具,将学生自主设计的作品在真实市场进行互动,从而了解到产品从开发到推广的整个过程,旨在培养学生的创新意识、工程素养和核心素质,提高综合职业能力,并对创客、创新达人和有创业意向的学生具有积极的指导作用。

在该平台上,同学们可以利用在线参数化建模工具设计一些基础零件,如图1所示,这样就简化用UG建模的复杂性。接下来,各小组同学根据线上课程任务,进行模型设计,建模过程中,可使用UG建模软件,也可以使用在线参数化建模工具。

图1 载物网-在线参数化建模界面

3.模型打印阶段

模型设计完成后,课堂上教师先以播放视频的方式,简单回顾线上教学内容“什么是3D打印”“3D打印机是如何打印的”,同时也会播放失败案例,引发学生思考“为什么会造成了当前的失败”,之后教师以现场演示的方式,讲解3D打印机的打印过程,让学生更直观感受打印过程。同时,课程中,老师也会强调打印的参数设计,支撑的选择,以及常用故障的基本处理方法。在设置支撑的过程,教师会添加思政内容“人只有脚踏实地,才能够立足当下”,增强学生脚踏实地的精神,树立正确的价值观。

4.打印装配阶段

打印完成后,同学要利用工具将打印模型进行后处理,并进行组装,如果打印的产品不能很好地装配,同学要根据自己的设计进行修改,及时分析错误所在,并重新进行打印组装,直到产品完成为止。图2是3D打印课程以“指尖旋转陀螺”为例的课程任务。

图2 课程样例

5.载物网营销阶段

此阶段利用的是载物网平台,学生可以将自己设计的作品模型挂在网上进行售卖,也可以通过设置材料、克数等因素完成产品的定制,其他用户也可以在此平台进行购买产品,从而了解产品从开发到推广的整个过程。图3为载物网交互平台界面。

图3 载物网交互平台

(三) 课后练习

课后,学生按照要求撰写实习报告,老师也会将所有学习的课程录制成视频上传到学习通教学平台,以方便同学课后进行巩固复习。同时,在线上学习平台,教师加了一些拓展内容,例如先进的3D打印技术在现实的应用及大国工匠精神等。

同时,对于在建模设计方面比较突出的学生,教师会选拔进入本院组织的竞赛培训班,进一步加强训练,“以赛促教、以赛促学”的精神方式,选拔动手能力强、理论基础扎实、参赛积极性高的同学,为各类竞赛做准备,从而提高学生的工程训练能力[8-10]。

(四) 考核评价机制

本课程的考核模式是线上课程考核(20%)+综合评价考核(80%),线上课程考核主要包括线上课程观看进度、测试和互动情况,综合评价包括组内自评(10%)、组间互评(30%)和教师评价(40%),教师评价根据学生的安全操作、课堂表现、作品完成等情况综合评分。

三、结束语

3D打印技术及应用课程线上线下混合式教学,充分发挥了互联网的优势,“以学生为主体”,依附学习通平台和载物网平台建立了不同层次的3D打印技术的课程体系。针对机类与非机类的基础不同,完成相应的认知实训和基础实训的线上教学课程;利用模型库的基础部件和UG建模,设计不同的创新产品并不断完善,实现产品的不断创新;将材料的市场价格输入到系统制定成本分析和用料量,实现成本控制及经济评价;将设计成的产品利用互联网平台销售,实现产品的营销推广,让学生充分地感受到模型产品从创新设计、打印制作、到营销推广的完整过程,锻炼了学生的自主创新能力和实践应用的能力。同时教师也全方位把握学生的学习效果,明显提高了学生的学习兴趣。