基于“3D打印技術(shù)”的汽車設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革探索

張鐵國　劉旭輝　夏塑光　賈愛芹　武欣

摘 要：汽車設(shè)計(jì)是車輛工程專業(yè)的一門專業(yè)必修課程，也是提升學(xué)生專業(yè)綜合能力的一門重要課程。傳統(tǒng)的汽車設(shè)計(jì)課程教學(xué)模式較為注重理論教學(xué)，忽視了實(shí)踐教學(xué)的重要性，導(dǎo)致學(xué)生的創(chuàng)新和應(yīng)用能力得不到實(shí)質(zhì)有效的提升，無法實(shí)現(xiàn)人才培養(yǎng)目標(biāo)與社會需求的對接。針對這種現(xiàn)狀，本文通過3D打印技術(shù)將汽車設(shè)計(jì)課程理論教學(xué)、課內(nèi)實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行了深度融合，培養(yǎng)學(xué)生工程意識及創(chuàng)新意識，提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù) 汽車設(shè)計(jì) 實(shí)踐教學(xué)

1 引言

車輛工程專業(yè)作為新工科專業(yè)代表之一，肩負(fù)著為汽車產(chǎn)業(yè)輸送實(shí)踐能力及創(chuàng)新能力強(qiáng)，同時(shí)具備國際競爭力的高素質(zhì)復(fù)合型新工科人才的使命[1]，汽車設(shè)計(jì)課程是集理論與實(shí)踐為一體的一門專業(yè)核心課程，是培養(yǎng)創(chuàng)新能力及應(yīng)用能力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。國家創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略的提出，對汽車設(shè)計(jì)課程提出了更高的要求，為此汽車設(shè)計(jì)課程理論與實(shí)踐教學(xué)深度融合的改革勢在必行。本文基于當(dāng)前汽車設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革的研究，利用3D打印技術(shù)探索汽車設(shè)計(jì)課程理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)教學(xué)改革措施。

2 課程特點(diǎn)

當(dāng)前汽車設(shè)計(jì)課程在原有的八個(gè)模塊[2]基礎(chǔ)上增加了從動(dòng)橋設(shè)計(jì)模塊，每個(gè)模塊以總成設(shè)計(jì)基本要求、結(jié)構(gòu)方案分析、參數(shù)選擇、載荷計(jì)算、零部件的強(qiáng)度計(jì)算等方面展開論述。各個(gè)模塊內(nèi)容融合了較多先修課程內(nèi)容，涉及知識面較廣，課程難度較大，理論性強(qiáng)，同時(shí)還具有較強(qiáng)的實(shí)踐性[3-6]，教學(xué)內(nèi)容涵蓋理論、實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)三部分，因開設(shè)于大四第一學(xué)期，為畢業(yè)設(shè)計(jì)、實(shí)習(xí)、就業(yè)等環(huán)節(jié)打下良好的基礎(chǔ)。

3 汽車設(shè)計(jì)課程教學(xué)存在的問題

3.1 理論教學(xué)存在的問題

汽車設(shè)計(jì)課程模塊之間較為獨(dú)立，各模塊內(nèi)容較多，涵蓋知識面較廣，教學(xué)任務(wù)大，部分章節(jié)若引入汽車設(shè)計(jì)前沿技術(shù)及知識時(shí)，章節(jié)課時(shí)無法保障有效實(shí)施。部分院校同一專業(yè)存在文理生并存，不同學(xué)制的情況，學(xué)生對課程的理解及認(rèn)識存在較大的差異。先修課程知識點(diǎn)掌握不牢固，對部分章節(jié)中的二維圖或總成結(jié)構(gòu)認(rèn)識不夠清晰。先進(jìn)的汽車設(shè)計(jì)工程案例較少，學(xué)生缺乏行之有效的練習(xí)驗(yàn)證，不利于提高學(xué)生自信心。

3.2 課內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題

因受傳統(tǒng)教學(xué)觀念的影響，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)教學(xué)在整個(gè)教學(xué)過程中處于薄弱環(huán)節(jié)。實(shí)驗(yàn)人數(shù)較多，實(shí)驗(yàn)設(shè)備的拆卸與組裝耗費(fèi)時(shí)間長，學(xué)生缺乏對實(shí)驗(yàn)對象深層次的探索以及指導(dǎo)教師的合理引導(dǎo)，導(dǎo)致學(xué)生所撰寫的實(shí)驗(yàn)報(bào)告質(zhì)量不高。實(shí)驗(yàn)對象較為單一，如膜片彈簧離合器總成認(rèn)知實(shí)驗(yàn)，缺乏對其他類型離合器較為深刻的感性認(rèn)識，不利于學(xué)生對離合器總成類型較為系統(tǒng)的了解。設(shè)計(jì)及驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)極少，不利于學(xué)生對基本理論知識的掌握及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

3.3 課程設(shè)計(jì)教學(xué)存在的問題

汽車設(shè)計(jì)的課程設(shè)計(jì)主要分為三個(gè)環(huán)節(jié)：撰寫說明書、制圖、答辯，為期兩周時(shí)間。在時(shí)間安排上，課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)往往是在汽車設(shè)計(jì)課程結(jié)束之后，前期理論教學(xué)環(huán)節(jié)與課程設(shè)計(jì)在時(shí)空上產(chǎn)生脫離，在實(shí)際課程設(shè)計(jì)初期，學(xué)生需要花費(fèi)大量時(shí)間對前期知識點(diǎn)進(jìn)行回顧與總結(jié)，如制圖環(huán)節(jié)，學(xué)生因?qū)Τ叽鐦?biāo)注、制圖軟件的熟悉程度、實(shí)物的感官認(rèn)識深度等因素的影響，學(xué)生在此方面花費(fèi)的時(shí)間較多。另外學(xué)生人數(shù)較多課程設(shè)計(jì)題目及數(shù)據(jù)相近，無法調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，臨近期末，部分同學(xué)基于考研、期末復(fù)習(xí)、工作等因素不能專心完成課程設(shè)計(jì)。這些因素往往會讓學(xué)生對課程設(shè)計(jì)喪失興趣。最終導(dǎo)致內(nèi)容雷同或說明書計(jì)算結(jié)果與圖紙不匹配的情況，不利于培養(yǎng)創(chuàng)新意識，無法有效提高分析問題及解決問題的能力。

4 汽車設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革探索

4.1 當(dāng)前汽車設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革研究

4.1.1 當(dāng)前教學(xué)模式改革研究

三年疫情，傳統(tǒng)的教學(xué)模式受到了極大的挑戰(zhàn)，面對這突如其來的變化，我國各地高校紛紛開展線上教學(xué)，基本上實(shí)現(xiàn)了預(yù)定的教學(xué)目標(biāo)，但也暴露出其線上教學(xué)的弊端，盡管如此，線上教學(xué)模式也有其不受時(shí)空限制的優(yōu)點(diǎn)，如充分挖掘優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)上教學(xué)資源，可顯著提高教學(xué)效果?；诰€上教學(xué)的優(yōu)勢及線下教學(xué)的不足之處，張婷婷、李勝琴等老師通過對線上線下教學(xué)的實(shí)踐，最后將線上線下混合式教學(xué)作為該校汽車設(shè)計(jì)的教學(xué)模式[7-10]，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性及師生互動(dòng)。為提高學(xué)生在校學(xué)習(xí)收獲和效率，李淑玉老師采用了汽車設(shè)計(jì)模塊化教學(xué)模式[2]，并取得了較好的效果。安曉東針對汽車設(shè)計(jì)中理論部分采用現(xiàn)場教學(xué)與多媒體相結(jié)合的方式，修玉峰老師在在汽車設(shè)計(jì)教學(xué)中指出采用模塊化教學(xué)模式，王豐元等老師采用授課教師與企業(yè)工程師聯(lián)合集中授課的模式，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合[11-13]。王豐元等老師將汽車設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)與模塊化理論教學(xué)進(jìn)行充分的融合，并在汽車設(shè)計(jì)課程考核中引入課程設(shè)計(jì)部分[14]，在很大程度上推動(dòng)學(xué)生應(yīng)用技能的培養(yǎng)。

4.1.2 當(dāng)前教學(xué)方法改革研究

在教學(xué)方法上，相關(guān)學(xué)者也進(jìn)行了積極的教學(xué)改革，以提高教學(xué)效果：李勝琴等老師在汽車設(shè)計(jì)課程改革中采用的有專題講座、項(xiàng)目研究、翻轉(zhuǎn)課堂等[3]；張婷婷等老師分別根據(jù)課程的難易程度結(jié)合啟發(fā)式、問題探究式、任務(wù)驅(qū)動(dòng)式、現(xiàn)場教學(xué)式等教學(xué)方法進(jìn)行改進(jìn)[7]，取得較好的效果；為提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣及其注意力，雷治國采用問題式教學(xué)方法，有效促進(jìn)師生互動(dòng)[15]；薛晶等老師根據(jù)課程重難點(diǎn)的不同結(jié)合項(xiàng)目式教學(xué)法、案例法、答疑授課方式進(jìn)行教學(xué)，較大程度上改善授課效果[5]；李強(qiáng)等教師采用“七三制”教學(xué)理念與方法顯著的提高了學(xué)生綜合素質(zhì)與能力[16]。

4.1.3 當(dāng)前教學(xué)過程評價(jià)及課程設(shè)計(jì)改革相關(guān)研究

在教學(xué)評價(jià)方面，傳統(tǒng)的教學(xué)過程評價(jià)主要以考勤、作業(yè)、實(shí)驗(yàn)、期末測試作為教學(xué)過程評價(jià)依據(jù)，隨著教學(xué)平臺的搭建，教學(xué)過程評價(jià)融合了線上學(xué)習(xí)進(jìn)度及參與度評價(jià)，最大限度調(diào)動(dòng)學(xué)生的參與度及學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。王豐元等學(xué)者將課程設(shè)計(jì)過程考核引入到汽車設(shè)計(jì)課程考核中[14]。

實(shí)踐作為當(dāng)前工程專業(yè)的根本，并已成為國際高等工程教育界的共識[17]，并在以學(xué)生為中心的教育理念的推動(dòng)下，學(xué)者紛紛對汽車設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)進(jìn)行探索，康元春指出教師應(yīng)僅以設(shè)計(jì)任務(wù)布置，時(shí)間安排，工作量要求作為授課內(nèi)容，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生的分析問題解和決問題的能力[18]。邵建旺老師對專業(yè)課程設(shè)計(jì)的教學(xué)模式進(jìn)行了改革與實(shí)踐，并結(jié)合企業(yè)案例，利用計(jì)算機(jī)軟件輔助設(shè)計(jì)，采用分組合作等方式來提高學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作能力、專業(yè)素養(yǎng)、創(chuàng)新能力[19]。

綜上所述，不同學(xué)者紛紛對汽車設(shè)計(jì)課程進(jìn)行了相應(yīng)的探索研究，并取得較好的效果，但針對汽車設(shè)計(jì)課程課內(nèi)實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)、理論教學(xué)深度融合研究較少，為此理論與實(shí)踐的深度融合研究具有重要的意義。

4.2 汽車設(shè)計(jì)課程理論教學(xué)改革探索

汽車設(shè)計(jì)課程內(nèi)容較為抽象，理論課時(shí)較多，理論計(jì)算結(jié)果無參考對象可依，在這一層面上直接影響學(xué)生的興趣及其自信，為此在汽車設(shè)計(jì)理論教學(xué)方面需要引入實(shí)物模型及某一車型的相關(guān)參數(shù)，并將其貫穿理論教學(xué)過程中，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的深度融合。為節(jié)省時(shí)間，全生參與，實(shí)踐教學(xué)中采用小比例的3D打印實(shí)物模型，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場教學(xué)的課堂化?；?D打印技術(shù)并結(jié)合當(dāng)前汽車設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革研究采取如下措施：

課前環(huán)節(jié)的準(zhǔn)備工作：提前告知學(xué)生針對汽車設(shè)計(jì)課程各個(gè)模塊所采用的教學(xué)模式、教學(xué)方式、考核依據(jù)，以引起學(xué)生的足夠重視及其興趣；在實(shí)際理論教學(xué)環(huán)節(jié)之前督促學(xué)生完成模塊總成3D實(shí)物模型的拆卸及裝配，以增強(qiáng)學(xué)生對模型工作原理及其結(jié)構(gòu)有較深的感性認(rèn)知；

課中環(huán)節(jié)的實(shí)施過程：理論教學(xué)中以問題探究式方式開展教學(xué)活動(dòng)，適度引導(dǎo)使其掌握重點(diǎn)突破難點(diǎn)。教學(xué)環(huán)節(jié)應(yīng)注重模塊總成及零部件實(shí)物與工程圖的結(jié)合，提高讀圖能力，鞏固工程制圖基本知識，根據(jù)尺寸精度對載荷的影響，強(qiáng)化尺寸標(biāo)注知識點(diǎn)，培養(yǎng)工匠精神。

課后環(huán)節(jié)的練習(xí)：提供某一車型的相關(guān)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，督促學(xué)生利用辦公軟件完成相應(yīng)模塊的理論計(jì)算，培養(yǎng)學(xué)生對日常辦公軟件的應(yīng)用技能，為后續(xù)的課程設(shè)計(jì)及畢業(yè)設(shè)計(jì)順利的進(jìn)行打下必備的基礎(chǔ)。

測繪與考核環(huán)節(jié)的實(shí)施：根據(jù)學(xué)生對汽車設(shè)計(jì)課程相應(yīng)模塊的理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)際車型對應(yīng)模塊進(jìn)行測繪與比對，提高學(xué)生自信心，培養(yǎng)學(xué)生分析問題及解決問題的能力。并通過此環(huán)節(jié)作為平時(shí)模塊考核主要依據(jù)。

4.3 汽車設(shè)計(jì)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索

汽車設(shè)計(jì)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)應(yīng)較多地引入設(shè)計(jì)類或驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，針對設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以提前鞏固三維軟件繪圖技能，并通過3D打印技術(shù)，完成小比例實(shí)物模型，通過對實(shí)物模型與設(shè)計(jì)尺寸的比對，加深對尺寸精度的選取及配合部位尺寸的界定，不僅可以提高學(xué)生對設(shè)計(jì)尺寸的把控力度，同時(shí)也能鍛煉其對零部件結(jié)構(gòu)的認(rèn)知深度，為培養(yǎng)學(xué)生工程意識提供良好的教學(xué)環(huán)境。

針對課內(nèi)實(shí)驗(yàn)所選取的零部件以現(xiàn)有車型為基礎(chǔ)，做好課內(nèi)實(shí)驗(yàn)3D模型的收集及歸類，為后續(xù)教學(xué)提供實(shí)物模型，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場教學(xué)課堂化，優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì)，提高教學(xué)效果。

4.4 汽車設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)教學(xué)改革探索

汽車設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)有助于學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)，同時(shí)也是提高學(xué)生分析及解決問題能力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前此方面的改革側(cè)重于課程設(shè)計(jì)知識課堂教學(xué)過程化或者通過融入企業(yè)案例等方式來提高課程設(shè)計(jì)質(zhì)量，但對所設(shè)計(jì)的零部件或總成的性能、裝配、尺寸標(biāo)注并未進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)物比對，很大程度上影響學(xué)生對所設(shè)計(jì)內(nèi)容的深層探索。

基于對汽車設(shè)計(jì)課程理論及課內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革措施實(shí)施，學(xué)生在理論計(jì)算及3D打印設(shè)備的應(yīng)用方面已經(jīng)具備相應(yīng)的知識，能夠在較短的時(shí)間內(nèi)完成相應(yīng)的理論計(jì)算及繪圖工作，通過零部件設(shè)計(jì)尺寸與3D打印實(shí)物的對比，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的深層結(jié)合，強(qiáng)化學(xué)生對尺寸的精度、裝配關(guān)系、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性的感性認(rèn)識。課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容以汽車設(shè)計(jì)所涉及的各個(gè)模塊為基礎(chǔ)，以班級為單位開展同一模塊不同方案的課程設(shè)計(jì)，豐富實(shí)物模型，改善課堂教學(xué)環(huán)境，降低理解難度，提高教學(xué)質(zhì)量。

制定合理的課程設(shè)計(jì)評價(jià)機(jī)制：采用答辯方式，以最終的3D打印裝配模型作為獨(dú)立小組之間重要的評分依據(jù)；在小組評分基礎(chǔ)上，以零部件的模型、說明書、制圖作為組內(nèi)成員的主要考評依據(jù)；以考勤作為輔助考評，以此來培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)之間競爭意識及工匠精神，促進(jìn)組內(nèi)學(xué)生的深度協(xié)作，提高專業(yè)素養(yǎng)。

5 結(jié)束語

綜上所述，本文對汽車設(shè)計(jì)課程在教學(xué)過程中存在的問題進(jìn)行了分析，并基于同行對汽車設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革的研究，兼顧學(xué)生興趣、自信、學(xué)習(xí)計(jì)劃及汽車前沿技術(shù)，深層探索汽車設(shè)計(jì)課程理論、課內(nèi)實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)改革措施，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的深度融合。

參考文獻(xiàn)：

[1]周軍超，來升，田建平，廖映華.產(chǎn)教融合背景下的汽車設(shè)計(jì)教學(xué)改革實(shí)踐與探索[J].機(jī)械管理開發(fā)，2021，36（10）：292-293.

[2]李淑玉，王豐元，宋年秀，柳江，鄒旭東.淺談本科”汽車設(shè)計(jì)”課程模塊化教學(xué)改革[J].教育教學(xué)論壇，2013（51）：23-24.

[3]李勝琴，鄧紅星，張邢磊.“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下汽車設(shè)計(jì)課程教學(xué)方法改革[J].中國冶金教育，2020（06）：27-29.

[4]鄭泉，陳黎卿.”汽車設(shè)計(jì)”課程教學(xué)改革的探索與實(shí)踐[J].價(jià)值工程，2010，29（13）：219-220.

[5]薛晶，侯占峰，閆建國，陳智.”汽車設(shè)計(jì)”課程教學(xué)方法改革的探索[J].教育教學(xué)論壇，2015（09）：162-163.

[6]鐘勇，黃鼎鍵，丁志剛.基于“211”理念的”汽車設(shè)計(jì)”課程教學(xué)改革研究[J].機(jī)電技術(shù)，2014（01）：141-143.

[7]張婷婷，張萬枝，呂釗欽，蘇國秀，穆桂脂.”汽車設(shè)計(jì)”教學(xué)模式探索——線下到線上，再到線上線下混合[J].汽車與駕駛維修（維修版），2021（05）：36-37+40.

[8]尹宗軍，蘇蓉，胡玲鳳.新工科背景下汽車設(shè)計(jì)課程教學(xué)翻轉(zhuǎn)課堂的構(gòu)建[J].濰坊學(xué)院學(xué)報(bào)，2020，20（06）：84-89.

[9]葛玉敏.基于混合式教學(xué)的學(xué)生能力培養(yǎng)實(shí)踐研究[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2020，42（03）：112-115+135.

[10]李勝琴，張文會，范東溟.汽車設(shè)計(jì)課程線上線下混合式教學(xué)[J].中國冶金教育，2021（03）：47-50..

[11]安曉東，李亞麗，候軍興，張華陽.新工科和虛擬實(shí)驗(yàn)下汽車設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2021，46（10）：152-154.

[12]修玉峰.“汽車設(shè)計(jì)模塊化教學(xué)”體會[J].大學(xué)教育，2013（24）：103-104.

[13]王豐元，鄒旭東，柳江，林榮會，孫剛，贠海濤，李淑玉，修玉峰.車輛工程專業(yè)汽車設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革及教學(xué)評價(jià)分析[J].大學(xué)教育，2017（10）：32-35.

[14]王豐元，鄒旭東，柳江，宋年秀，石先峰.汽車設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革的實(shí)施與評價(jià)分析[J].教育教學(xué)論壇，2018（06）：91-93.

[15]雷治國，陳銘年.車輛工程專業(yè)“汽車設(shè)計(jì)”課程教學(xué)改革探索[J].福建教育學(xué)院學(xué)報(bào)，2017，18（04）：94-96.

[16]李強(qiáng)，程峰，楊禮康.淺談”汽車設(shè)計(jì)”課程教學(xué)改革[J].吉林省教育學(xué)院學(xué)報(bào)（學(xué)科版），2009，25（01）：143-144+142

[17]鄭燕萍，閔永軍，蔡偉義，萬茂松.汽車設(shè)計(jì)專業(yè)實(shí)踐教學(xué)改革的探討與實(shí)踐[J].蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，11（01）：76-78.

[18]康元春.基于能力培養(yǎng)的”汽車設(shè)計(jì)”課程設(shè)計(jì)教學(xué)研究與改革[J].科技信息，2011（14）：111.

[19]邵建旺，吳旭東，吳憲.汽車設(shè)計(jì)的《專業(yè)課程設(shè)計(jì)》教學(xué)模式改革與實(shí)踐[J].教育現(xiàn)代化，2020，7（38）：81-84.