行魯豫 郭昌龍 葛濤
摘要:3D打印是目前制造領(lǐng)域發(fā)展迅速的一項新興技術(shù),如何將3D打印技術(shù)與現(xiàn)代工科高校應(yīng)用型人才培養(yǎng)進行有機融合,成為高等教學(xué)研究的熱門課題。車輛工程作為典型的工科類專業(yè)具有應(yīng)用性強、就業(yè)形勢好的優(yōu)點,相比其他機械類專業(yè),其專業(yè)性強、實踐能力要求高等特點又對其本科教育提出了特殊的要求。
關(guān)鍵詞:3D打印;車輛工程;本科教育;翻轉(zhuǎn)課堂
3D打印技術(shù)憑借獨特的成型方式,不需要傳統(tǒng)的刀具、夾具及多道加工工序,直接將工件的三維模型輸入3D打印機,由程序控制實現(xiàn)任意復(fù)雜形狀零件的快速與精確制造,實現(xiàn)了真正意義上的數(shù)字化設(shè)計與制造。近年來,3D打印技術(shù)逐漸應(yīng)用于科學(xué)研究、生物醫(yī)療、航空航天、汽車制造、食品加工、設(shè)計創(chuàng)作等諸多領(lǐng)域,走進大眾生活的同時,也在改變?nèi)祟惖纳a(chǎn)與生活方式,對高校的教學(xué)內(nèi)容與方式也帶來了很大的影響。3D打印技術(shù)集CAD設(shè)計、機械設(shè)計、控制技術(shù)、編程技術(shù)等學(xué)科于一身,是現(xiàn)代技術(shù)特別是信息技術(shù)的綜合體現(xiàn),是工科類專業(yè)課程教學(xué)與知識傳播的良好載體。
一、教學(xué)內(nèi)容設(shè)計
1.3D打印的成型原理
3D打印之所以能在比較短的時間內(nèi)在多個領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用,是因為其獨特的增材成型方式解決了傳統(tǒng)加工方法的諸多弊端。盡管同時也帶來了新的問題,但這并不妨礙3D打印在很多領(lǐng)域成為傳統(tǒng)加工的替代工藝。在汽車制造領(lǐng)域,零部件制造方法多以金屬的切屑、沖壓、鍛造以及焊接等傳統(tǒng)工藝為主,經(jīng)過多年的發(fā)展與完善,這些傳統(tǒng)工藝已經(jīng)可以滿足較高的機械性能與安全性能,并且還在不斷進步。然而,受限于材料特性與成型原理,這些傳統(tǒng)工藝在汽車整車及其零部件的輕量化設(shè)計制造方面始終難以獲得較大的突破。盡管在面向輕量化設(shè)計的拓撲優(yōu)化方面的研究已經(jīng)開展了幾十年,但受限于成型工藝始終無法得到實際的應(yīng)用。3D打印技術(shù)完全顛覆了傳統(tǒng)的減材或等材成型方式,可以加工任意復(fù)雜形狀的零部件,為汽車領(lǐng)域的輕量化設(shè)計提供了強大的技術(shù)手段。因此,通過講解3D打印技術(shù)的成型原理會讓學(xué)生對技術(shù)本身有基本的認知,同時對該課程的學(xué)習(xí)目的更為明確。
2.3D打印使用的成型裝備
3D打印機本質(zhì)上是一臺機器,同樣也包含了機械框架、控制模塊、電機驅(qū)動模塊以及諸多電子元器件。掌握各個模塊的工作原理以及模塊之間的協(xié)調(diào)機制有助于加深學(xué)生對機械設(shè)計與制造的基礎(chǔ)理論,電工電子技術(shù)、計算機應(yīng)用技術(shù)和信息處理技術(shù)等相關(guān)學(xué)科理論知識實際應(yīng)用的理解。因此,在面向車輛工程專業(yè)的本科生講授3D打印技術(shù)課程之前,學(xué)生需要掌握機床理論、數(shù)控原理、機器人技術(shù)等知識內(nèi)容,讓學(xué)生對機器的模塊化設(shè)計概念有更為清晰的認識,這對學(xué)生將來從事整車研究開發(fā)工作或進一步研究深造都會有很大的幫助。
3.3D打印的過程規(guī)劃
過程規(guī)劃是幾何模型到機器代碼的橋梁,在3D打印機加工之前,需要將數(shù)字化模型進行一系列的處理,完成“離散”過程。具體講,就是對幾何模型沿著Z方向進行切片操作,3D打印機根據(jù)得到的切片文件進行逐層堆積,獲得最終的實體。3D打印的過程規(guī)劃包括了CAD(Computer aided design)與CAM(Computer aided manufacturing)兩個機械類專業(yè)學(xué)生需要掌握的重要知識點。通過這部分內(nèi)容的學(xué)習(xí),可以加深對先進數(shù)字化技術(shù)的認識,提高學(xué)生的工程實踐能力,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計意識。
二、教學(xué)方案實施
車輛工程專業(yè)強調(diào)培養(yǎng)學(xué)生的實踐運用能力,在教學(xué)過程中要基于本專業(yè)的特殊性要求,將教學(xué)方法與培養(yǎng)目標緊密結(jié)合,通過3D打印技術(shù)激發(fā)學(xué)生對車輛專業(yè)知識學(xué)習(xí)的參與性與主動性。教師必須根據(jù)不同教學(xué)內(nèi)容進行正確的引導(dǎo),培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)。基于以上要求,作者提出采用翻轉(zhuǎn)課堂這種新型教學(xué)方式開展教學(xué)。
隨著課堂教學(xué)的不斷改革,教學(xué)方法正在嘗試從以教師為中心轉(zhuǎn)向以學(xué)生為中心,一種被稱為翻轉(zhuǎn)課堂的新型教學(xué)方式顛覆了傳統(tǒng)的課堂教學(xué)模式。學(xué)生在課外時間閱覽教師制作的以介紹新概念為主的資料,從而騰出時間在課堂上與教師更多的互動。這種教學(xué)方式有利于促進成員間交流,提升學(xué)生個人的責任感和積極性。3D打印技術(shù)涉及的新知識具有范圍寬泛和容易理解的特點,特別適合由教師進行整理概括,學(xué)生在課外利用靈活的時間進行學(xué)習(xí),而課堂上則由學(xué)生將學(xué)習(xí)過程中遇到的問題或者創(chuàng)造性思想與教師進行溝通。這種教學(xué)模式能為師生溝通建立保障,并為學(xué)生的實踐動手能力提供有效途徑,通過實際參與提升學(xué)生的理論實踐能力,并加深對與3D打印技術(shù)相關(guān)的新知識的理解程度。
三、實踐教學(xué)新模式
作為新興的、有應(yīng)用前景的教學(xué)內(nèi)容,不僅要將3D打印技術(shù)本身掌握透徹,更要與所學(xué)專業(yè)相結(jié)合,利用這項新技術(shù)為車輛制造業(yè)的發(fā)展做出新的貢獻。為了更好更快的讓學(xué)生接觸并了解這項高新制造技術(shù),需要嘗試一些新的實踐教學(xué)模式,讓實踐教學(xué)變成現(xiàn)實體驗,這將有助于培養(yǎng)3D打印方向的車輛工程專業(yè)人才。
1. 創(chuàng)建3D打印實驗室。
實踐教學(xué)的基礎(chǔ)就是讓學(xué)生有接觸硬件、操作機器的機會。雖然3D打印機的種類繁多,價格區(qū)間很大,但可以購買一批入門級別的FDM設(shè)備讓學(xué)生擁有親手操作機器的經(jīng)歷。也可以購買待組裝的套件由學(xué)生自主完成裝配,不僅鍛煉學(xué)生的動手能力,還能加深學(xué)生對打印設(shè)備的熟悉程度。此外,可以購買少量工業(yè)級的高精度設(shè)備供學(xué)生觀摩學(xué)習(xí)。
2. 校企合作,參觀相關(guān)企業(yè)。
通過參觀企業(yè)能實時掌握市場對該領(lǐng)域人才的需求,也能了解該領(lǐng)域的發(fā)展方向。通過加強與地方企業(yè)的合作,可以推動3D打印技術(shù)與車輛制造領(lǐng)域的發(fā)展,為培養(yǎng)行業(yè)、企業(yè)所需的3D打印技術(shù)應(yīng)用型技術(shù)人才,更好地服務(wù)地方經(jīng)濟發(fā)展打下堅實的基礎(chǔ)。
四、結(jié)語
當前,汽車行業(yè)正面臨著技術(shù)與產(chǎn)業(yè)變革的關(guān)鍵階段,朝著前所未有的智能化趨勢發(fā)展。為滿足與之相符的科技需求,高等學(xué)校應(yīng)在專業(yè)課程開設(shè)與講授內(nèi)容上與時俱進,提出相應(yīng)改革措施。針對車輛工程專業(yè)中制造科學(xué)與技術(shù)的特殊性,本文圍繞如何將3D打印技術(shù)有機融入車輛工程應(yīng)用型人才培養(yǎng),從講授內(nèi)容、授課方式和實踐教學(xué)新模式三個方面提出一些改革思路和建設(shè)規(guī)劃,對培養(yǎng)高質(zhì)量有車輛工程專業(yè)特色的3D打印技術(shù)研發(fā)和管理類人才,對進一步完善車輛工程專業(yè)課程體系有一定推動作用。
參考文獻
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