開放式實驗教學是高校實驗教學改革創(chuàng)新的重要途徑,也是傳統(tǒng)授課和自主學習的巧妙結(jié)合.隨著個體行為的增加和流動性的增強,學生想自由地安排學習方式的意愿愈發(fā)強烈,開放式實驗教學應運而生[１Ｇ３].依托學生天馬行空的思維與新鮮奇特的想法,充分發(fā)揮其主觀能動性,聚焦于想嘗試的實驗內(nèi)容,按需選擇儀器設(shè)備,獨立思考設(shè)計實驗方案,自由展開實驗,在這個過程中,主動權(quán)交付于學生之手,教師只起到從旁指導的作用[４Ｇ５].與傳統(tǒng)模式下固定時間、固定實驗內(nèi)容的實驗教學相比,開放式實驗教學更能突出學生的個性發(fā)展,有利于充分地激發(fā)學生創(chuàng)新創(chuàng)造的熱情.我校地面機動裝備實驗教學中心發(fā)揮國家級實驗教學示范中心的輻射作用,以培養(yǎng)學生創(chuàng)新設(shè)計能力為出發(fā)點,整合實驗室現(xiàn)有教學資源創(chuàng)造開放實驗條件,構(gòu)建出柔性開放的實驗環(huán)境.以３D打印技術(shù)實驗教學為例,探索開放課程體系及運行機制,在教學大綱內(nèi)課程實驗、課外實驗選修課、科技創(chuàng)新活動幾類模式下展開實踐,卓有成效.
１開放課程體系
課程體系是實現(xiàn)培養(yǎng)目標的載體,是保障和提高教學質(zhì)量的關(guān)鍵[６].３D打印技術(shù)實驗開放的對象是全校本科生,覆蓋機類、近機類、非機類學生,各學生群體專業(yè)不同、興趣不同,教師須因材施教.３D打印開放課程體系建立在３D打印技術(shù)創(chuàng)新訓練教學資源庫基礎(chǔ)之上,資源庫儲備一系列典型、實用、難度階梯化的３D打印教學案例.教學案例適當?shù)囟鄬W科交叉,多層次實驗項目結(jié)合,明確設(shè)計方案、技術(shù)要點、創(chuàng)新點等,落實到具體實驗項目上,綜合考慮不同年級、不同專業(yè)實驗對象的特點,設(shè)計模塊化、梯度化內(nèi)容,滿足不同層次或要求的教學環(huán)節(jié),并編制實驗大綱、實驗指導書、實驗報告等教學文檔.目前３D打印的實驗項目類型分為:(１)演示型實驗.此類實驗依賴教師課前準備,將已建好的模型導入切片軟件中,為學生講解切片原理,介紹切片相關(guān)參數(shù),實驗過程中學生直觀觀察打印制作過程,獲得基本認知.(２)綜合型實驗.此類實驗要求學生學習三維造型,在熟悉切片基礎(chǔ)上,需要分析高/標準/低精度的切片參數(shù)設(shè)置對于打印效果的影響,探索優(yōu)化打印質(zhì)量的技巧,完成實物制作并進行誤差分析,進而反饋改進建模.從實驗內(nèi)容上,分為一體件和組合件.一體件通常指單一零件的作品,覆蓋范圍較廣,如卡通玩偶、指環(huán)等.組合件由２個或２個以上零件裝配而成,如工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)動機、減速器、軸承等,個性化玩具禮品中鑰匙鏈、眼鏡等.組合件要求在三維造型軟件中仿真運動,分析結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性.多數(shù)組合件是零件分開制作,再經(jīng)后處理手工裝配完成,而３D打印在制作工藝方面有其獨特的優(yōu)越性,某些裝配體由于結(jié)構(gòu)上的特點,３D打印技術(shù)可整體實現(xiàn)一次成型,因此三維模型須針對性地制訂合理的實驗方案.(３)創(chuàng)新型實驗.此類實驗注重綜合能力的提升,要求學生圍繞趣味主題展開設(shè)計與制作.經(jīng)過前幾個階段的訓練,學生理解增材制造理念,對３D打印工藝特點有了深入認識,結(jié)合三維造型將天馬行空的想法變成真實的實物.考核環(huán)節(jié)是課程體系的重要一項,貫穿于整個教學活動中,調(diào)控著教學活動.３D打印開放實驗考核采取三合一模式,實驗設(shè)計方案占２５％,實驗過程表現(xiàn)占３５％,實驗總結(jié)報告占４０％.根據(jù)開放模式比例略有調(diào)整,兼顧作品難度系數(shù)、個人或團隊完成情況,以學生自評、互評、教師評價多形式結(jié)合,納入實驗過程表現(xiàn)考核中,使課程體系更具系統(tǒng)性、互動性.一門實驗課程的結(jié)束并不意味著學習行為的終止,開放模式培養(yǎng)了學生自主學習的習慣,后續(xù)在交流平臺中繼續(xù)分享經(jīng)驗和資源.３D開放課程體系突出以學生為中心培養(yǎng)創(chuàng)新人才的理念,采取多樣化教學方法和手段,靈活建構(gòu)、動態(tài)生成知識,使學生融會貫通所學,激發(fā)出潛力和創(chuàng)造性.
２開放運行機制
３D打印實驗實現(xiàn)時間、場地、實驗內(nèi)容３個維度的開放:時間上,工作日固定課程定時開放,周末提前預約,靈活開放;場地上,各類型實驗室及儀器設(shè)備整體開放,最大限度受益于學生;內(nèi)容上,以教學實驗個性化定制為主,不局限于教學大綱[７Ｇ８].實驗對象可以是班級集體、感興趣的個人或志趣相投的小團隊.對感興趣的個人注重個性化培養(yǎng),強調(diào)主動參與及自我啟發(fā)、多元化理解;對團體參與的學生則鼓勵交流合作,促進互動,能力全面提升.目前的開放模式有課程實驗、實驗選修課、科技創(chuàng)新活動幾類,實現(xiàn)了理論課程結(jié)合實驗課程、課內(nèi)課外的聯(lián)動.課程實驗定位于教學大綱要求的實驗,班級集中參與實驗,注重培養(yǎng)觀察能力,建立專業(yè)認知關(guān)注學習感受;實驗選修課鼓勵探究知識,激發(fā)學生的興趣,適合學生的需求,一般課內(nèi)要求完成３２學時的課程,個人或團隊提交實物作業(yè)及總結(jié)報告[９];科技創(chuàng)新活動則更關(guān)注應用,面向備戰(zhàn)競賽或創(chuàng)新活動的團隊,開展定制化的課程訓練,激發(fā)個性特長,體現(xiàn)學生參與實驗教學的主體性[１０Ｇ１１].幾類開放模式有著交叉融合的學習目標,從認知感知、綜合應用到創(chuàng)新提高,內(nèi)容、層次逐步上升,培養(yǎng)學生對知識的靈活駕馭能力.實驗中心按需開發(fā)了網(wǎng)上預約管理平臺,將實驗項目介紹、約課方式、考核評價等功能全方位納入,使開展實驗的對象、時間、場地等要素線上線下有機統(tǒng)一.然而面對實驗要素的不確定、學生個性化的教學要求,教師管理難度加大,重復勞動增多,引起教學工作量大增,因而還需要進一步探索更有效的開放實驗長效運行機制.
３開放實驗教學成效
３．１課程實驗
機械與車輛學院將３D打印實驗推廣到機械類專業(yè)學生中,例如“精密制造工學基礎(chǔ)”課程實驗以制造工藝為主線,介紹機械領(lǐng)域前沿發(fā)展趨勢,拓寬學生對物體成型方式的認知,系統(tǒng)地了解減材、受壓、增材等成型方式,熟悉制造工藝特點,拓寬眼界.學期中,機械類專業(yè)各班級理論授課進度不盡相同,加之學生個性化的學習需求,剛剛接觸了專業(yè)課的學生處于摩拳擦掌卻又相對懵懂的階段,實驗熱情較高.過去,一般教師會在實驗前把實驗細節(jié)以實驗指導書、課件等形式直接塞給學生,客觀上使很多學生做實驗時會習慣性地依賴教師.而開放模式下,實驗指導教師改變傳統(tǒng)的“教師說學生做”的形式,采用激發(fā)學生興趣的實驗項目,實驗過程互動交流,更容易獲得良好的實驗教學效果.在３D打印實驗中,三維模型切片處理是一個很重要的環(huán)節(jié),造型軟件創(chuàng)建的模型經(jīng)過切片處理,才能將數(shù)據(jù)輸入到打印機中.指導教師針對多樣化的模型,指導學生自主調(diào)節(jié)如切片的層高、熔融溫度、放置角度、噴嘴移動速度等參數(shù),在虛擬環(huán)境下預覽輸出結(jié)果,對噴嘴的行走軌跡、模型結(jié)構(gòu)特點一目了然,從而綜合評價設(shè)計,及時反饋改進建模方案.實驗過程更多地以學生為中心開展,操作主動權(quán)回歸學生手中,潛移默化下促進其主動探索,優(yōu)化模型,實現(xiàn)有效學習,為其在專業(yè)領(lǐng)域的產(chǎn)品設(shè)計奠定基礎(chǔ).
３．２實驗選修課
為了拓寬開放領(lǐng)域,利用３D打印技術(shù)開設(shè)了“實用藝術(shù)品創(chuàng)意設(shè)計與制作”校級選修課,進行開放式學習.本課程涵蓋了藝術(shù)品創(chuàng)新設(shè)計基礎(chǔ)理論及加工手段簡述、基礎(chǔ)三維造型設(shè)計實驗、加工工藝分析、實用藝術(shù)品創(chuàng)意設(shè)計綜合實驗等階段.在第一節(jié)課中,教師集中講授理論內(nèi)容及相關(guān)事項,之后的每次實驗采取預約機制,學生可以充分利用零散的課后時間走進實驗室,充分調(diào)動其自主性和積極性.終極考核階段,教師設(shè)定多實驗課題發(fā)布給學生,學生可就其感興趣的內(nèi)容選擇,完成方案設(shè)計、實驗實施、結(jié)果分析、撰寫報告等環(huán)節(jié),教師就方案可行性與學生探討并從旁引導,通過階段性的信息反饋,了解不同環(huán)節(jié)學生工作進展、工作方法及存在問題,呈現(xiàn)出開放實驗所帶來的“另類”課堂效果,切實獲得高品質(zhì)的學習效果,謀求創(chuàng)新思想、方法教育與動手實踐相結(jié)合,學生不光有知識層面的收獲,執(zhí)行力及交流合作能力也提高不少.圖２(a)是由大二學生根據(jù)“機械原理”課程中學到的差動運動機構(gòu),自主實現(xiàn)三維造型裝配和動畫仿真,最終完成實物制作,可直觀地觀察上下齒輪和衛(wèi)星齒輪的運動狀態(tài),加深了對差動機構(gòu)的理解;圖２(b)是學生為了表達對母校的美好祝愿,設(shè)計并建模的“IBIT”摩天輪,包括底座、旋轉(zhuǎn)輪、旋轉(zhuǎn)軸、銷子以及字母等,“I”“”“B”“I”“T”５個LOGO懸掛在旋轉(zhuǎn)輪切面的五角星的５個角處.第一次制作模型時,學生對旋轉(zhuǎn)輪與底座的配合沒考慮周全,旋轉(zhuǎn)輪安裝到支架上后,圓周運動使得５枚字母LOGO與底座形成干涉.學生意識到作為一個設(shè)計師應有嚴謹?shù)墓ぷ鲬B(tài)度,于是分析設(shè)計方案,從源頭入手修改支架原始模型、創(chuàng)建裝配體,通過運動仿真完善干涉檢查,在二次制作完工后,學生原設(shè)計思路得以以實物完整地呈現(xiàn),摩天輪“活”了過來.基于實驗選修課的開放模式突出個性化教學,以興趣為導向,學生利用可視化三維軟件進行造型設(shè)計、３D打印機實現(xiàn)加工制作,有效地解決產(chǎn)品制作過程出現(xiàn)的問題,在不斷地優(yōu)化成品的摸索中也提高了分析問題及解決問題的能力,最大限度地發(fā)揮學生實踐主體作用和自主學習性.
３．３科技創(chuàng)新
科技創(chuàng)新能力的訓練是對學生綜合能力的鍛煉.科技創(chuàng)新活動多以競賽形式開展,以學生所在學科為背景,通過開展自主式學習與頭腦風暴,使其完成作品設(shè)計制作的任務.結(jié)合國際大學生３D打印機設(shè)計大賽、機械產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計大賽、北京市“實培計劃”暑期集訓等科技創(chuàng)新活動,實踐開放模式.３D打印技術(shù)有按需定制的優(yōu)點,使復雜結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品快速成型成為可能,使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計制造的一體化趨勢顯現(xiàn)[１２Ｇ１３].將３D打印技術(shù)引入科技創(chuàng)新訓練實戰(zhàn)中,針對科技創(chuàng)新多樣化特點,整合實驗教學內(nèi)容,為學生定制模塊化訓練項目,階段性考核合格后,再完成科技作品的方案設(shè)計、制作與調(diào)試.實驗室開放加大力度,集中備賽期間全天候開放,學生在開放環(huán)境中有更大的自由度,跳躍的思維更容易迸發(fā)出創(chuàng)造性的想法.以項目訓練為基石、科技創(chuàng)新活動為導向的開放模式培養(yǎng)了大學生的創(chuàng)新設(shè)計思維及實踐動手能力,順應了產(chǎn)業(yè)界對人才培養(yǎng)的要求.３D打印機設(shè)計大賽的作品,學生通過查閱大量資料,設(shè)計３D打印機結(jié)構(gòu)方案,確定各零件的選材及功用.鋁合金型材連接件是一個難點,學生在詳細了解傳統(tǒng)機加工、鑄造等工藝與增材制造的特點后,制訂了３D打印的制作方案.連接件結(jié)構(gòu)較為復雜,在制作過程中一旦發(fā)現(xiàn)問題及時調(diào)理設(shè)計方案,幾經(jīng)改進后,最后的實物成品既滿足了功能性需求,也保證了強度要求.３D打印技術(shù)大大縮短了參賽作品整體的研制周期及制作成本.２０１６年北京市“雙培計劃”中“大學生機電綜合實踐與創(chuàng)新項目———北京學院”暑期集訓活動作品,來自北京工業(yè)大學和北方工業(yè)大學的學生在我實驗教學中心,根據(jù)柔性制造系統(tǒng)的理念設(shè)計并制作物料裝箱與運載系統(tǒng),包含物料傳送、裝車、轉(zhuǎn)運等過程.學生運用３D打印技術(shù)制作傳動齒輪、伺服電機輸出頭、機械手爪等,組裝好的機械臂轉(zhuǎn)動一定角度夾取物料送至運貨小車,完成拾取和轉(zhuǎn)運動作.
４結(jié)語
以３D打印技術(shù)作為基石,構(gòu)建了開放式實驗課程體系、運行機制,試點個性化教育,針對不同對象探索了基于課程實驗、選修課、科技創(chuàng)新活動的開放模式,鼓勵學生體驗并融入到實驗教學活動中,激發(fā)了學生主動學習的意識,培養(yǎng)了創(chuàng)新精神,提高了實踐能力,同時也推動了實驗教學的改革與創(chuàng)新.
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作者:朱妍妍 李忠新 呂唯唯 單位:北京理工大學機械與車輛學院
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