基于“3D打印技术”的汽车设计课程教学改革探索

张铁国　刘旭辉　夏塑光　贾爱芹　武欣

摘 要：汽车设计是车辆工程专业的一门专业必修课程，也是提升学生专业综合能力的一门重要课程。传统的汽车设计课程教学模式较为注重理论教学，忽视了实践教学的重要性，导致学生的创新和应用能力得不到实质有效的提升，无法实现人才培养目标与社会需求的对接。针对这种现状，本文通过3D打印技术将汽车设计课程理论教学、课内实验、课程设计教学环节进行了深度融合，培养学生工程意识及创新意识，提高学生分析问题、解决问题的能力。

关键词：3D打印技术 汽车设计 实践教学

1 引言

车辆工程专业作为新工科专业代表之一，肩负着为汽车产业输送实践能力及创新能力强，同时具备国际竞争力的高素质复合型新工科人才的使命[1]，汽车设计课程是集理论与实践为一体的一门专业核心课程，是培养创新能力及应用能力的关键环节。国家创新驱动发展战略的提出，对汽车设计课程提出了更高的要求，为此汽车设计课程理论与实践教学深度融合的改革势在必行。本文基于当前汽车设计课程教学改革的研究，利用3D打印技术探索汽车设计课程理论教学与实践教学教学改革措施。

2 课程特点

当前汽车设计课程在原有的八个模块[2]基础上增加了从动桥设计模块，每个模块以总成设计基本要求、结构方案分析、參数选择、载荷计算、零部件的强度计算等方面展开论述。各个模块内容融合了较多先修课程内容，涉及知识面较广，课程难度较大，理论性强，同时还具有较强的实践性[3-6]，教学内容涵盖理论、实验、课程设计三部分，因开设于大四第一学期，为毕业设计、实习、就业等环节打下良好的基础。

3 汽车设计课程教学存在的问题

3.1 理论教学存在的问题

汽车设计课程模块之间较为独立，各模块内容较多，涵盖知识面较广，教学任务大，部分章节若引入汽车设计前沿技术及知识时，章节课时无法保障有效实施。部分院校同一专业存在文理生并存，不同学制的情况，学生对课程的理解及认识存在较大的差异。先修课程知识点掌握不牢固，对部分章节中的二维图或总成结构认识不够清晰。先进的汽车设计工程案例较少，学生缺乏行之有效的练习验证，不利于提高学生自信心。

3.2 课内实验教学存在的问题

因受传统教学观念的影响，导致实验教学在整个教学过程中处于薄弱环节。实验人数较多，实验设备的拆卸与组装耗费时间长，学生缺乏对实验对象深层次的探索以及指导教师的合理引导，导致学生所撰写的实验报告质量不高。实验对象较为单一，如膜片弹簧离合器总成认知实验，缺乏对其他类型离合器较为深刻的感性认识，不利于学生对离合器总成类型较为系统的了解。设计及验证型实验极少，不利于学生对基本理论知识的掌握及创新能力的培养。

3.3 课程设计教学存在的问题

汽车设计的课程设计主要分为三个环节：撰写说明书、制图、答辩，为期两周时间。在时间安排上，课程设计环节往往是在汽车设计课程结束之后，前期理论教学环节与课程设计在时空上产生脱离，在实际课程设计初期，学生需要花费大量时间对前期知识点进行回顾与总结，如制图环节，学生因对尺寸标注、制图软件的熟悉程度、实物的感官认识深度等因素的影响，学生在此方面花费的时间较多。另外学生人数较多课程设计题目及数据相近，无法调动学生的积极性，临近期末，部分同学基于考研、期末复习、工作等因素不能专心完成课程设计。这些因素往往会让学生对课程设计丧失兴趣。最终导致内容雷同或说明书计算结果与图纸不匹配的情况，不利于培养创新意识，无法有效提高分析问题及解决问题的能力。

4 汽车设计课程教学改革探索

4.1 当前汽车设计课程教学改革研究

4.1.1 当前教学模式改革研究

三年疫情，传统的教学模式受到了极大的挑战，面对这突如其来的变化，我国各地高校纷纷开展线上教学，基本上实现了预定的教学目标，但也暴露出其线上教学的弊端，尽管如此，线上教学模式也有其不受时空限制的优点，如充分挖掘优质的网上教学资源，可显著提高教学效果。基于线上教学的优势及线下教学的不足之处，张婷婷、李胜琴等老师通过对线上线下教学的实践，最后将线上线下混合式教学作为该校汽车设计的教学模式[7-10]，充分调动学生的积极性及师生互动。为提高学生在校学习收获和效率，李淑玉老师采用了汽车设计模块化教学模式[2]，并取得了较好的效果。安晓东针对汽车设计中理论部分采用现场教学与多媒体相结合的方式，修玉峰老师在在汽车设计教学中指出采用模块化教学模式，王丰元等老师采用授课教师与企业工程师联合集中授课的模式，实现理论与实践的有机结合[11-13]。王丰元等老师将汽车设计课程设计与模块化理论教学进行充分的融合，并在汽车设计课程考核中引入课程设计部分[14]，在很大程度上推动学生应用技能的培养。

4.1.2 当前教学方法改革研究

在教学方法上，相关学者也进行了积极的教学改革，以提高教学效果：李胜琴等老师在汽车设计课程改革中采用的有专题讲座、项目研究、翻转课堂等[3]；张婷婷等老师分别根据课程的难易程度结合启发式、问题探究式、任务驱动式、现场教学式等教学方法进行改进[7]，取得较好的效果；为提高学生学习兴趣及其注意力，雷治国采用问题式教学方法，有效促进师生互动[15]；薛晶等老师根据课程重难点的不同结合项目式教学法、案例法、答疑授课方式进行教学，较大程度上改善授课效果[5]；李强等教师采用“七三制”教学理念与方法显著的提高了学生综合素质与能力[16]。

4.1.3 当前教学过程评价及课程设计改革相关研究

在教学评价方面，传统的教学过程评价主要以考勤、作业、实验、期末测试作为教学过程评价依据，随着教学平台的搭建，教学过程评价融合了线上学习进度及参与度评价，最大限度调动学生的参与度及学习的主动性。王丰元等学者将课程设计过程考核引入到汽车设计课程考核中[14]。

实践作为当前工程专业的根本，并已成为国际高等工程教育界的共识[17]，并在以学生为中心的教育理念的推动下，学者纷纷对汽车设计课程设计进行探索，康元春指出教师应仅以设计任务布置，时间安排，工作量要求作为授课内容，充分调动学生学习的主动性，培养学生的分析问题解和决问题的能力[18]。邵建旺老师对专业课程设计的教学模式进行了改革与实践，并结合企业案例，利用计算机软件辅助设计，采用分组合作等方式来提高学生团队合作能力、专业素养、创新能力[19]。

综上所述，不同学者纷纷对汽车设计课程进行了相应的探索研究，并取得较好的效果，但针对汽车设计课程课内实验、课程设计、理论教学深度融合研究较少，为此理论与实践的深度融合研究具有重要的意义。

4.2 汽车设计课程理论教学改革探索

汽车设计课程内容较为抽象，理论课时较多，理论计算结果无参考对象可依，在这一层面上直接影响学生的兴趣及其自信，为此在汽车设计理论教学方面需要引入实物模型及某一车型的相关参数，并将其贯穿理论教学过程中，实现理论与实践的深度融合。为节省时间，全生参与，实践教学中采用小比例的3D打印实物模型，实现现场教学的课堂化。基于3D打印技术并结合当前汽车设计课程教学改革研究采取如下措施：

课前环节的准备工作：提前告知学生针对汽车设计课程各个模块所采用的教学模式、教学方式、考核依据，以引起学生的足够重视及其兴趣；在实际理论教学环节之前督促学生完成模块总成3D实物模型的拆卸及装配，以增强学生对模型工作原理及其结构有较深的感性认知；

课中环节的实施过程：理论教学中以问题探究式方式开展教学活动，适度引导使其掌握重点突破难点。教学环节应注重模块总成及零部件實物与工程图的结合，提高读图能力，巩固工程制图基本知识，根据尺寸精度对载荷的影响，强化尺寸标注知识点，培养工匠精神。

课后环节的练习：提供某一车型的相关设计数据，督促学生利用办公软件完成相应模块的理论计算，培养学生对日常办公软件的应用技能，为后续的课程设计及毕业设计顺利的进行打下必备的基础。

测绘与考核环节的实施：根据学生对汽车设计课程相应模块的理论计算结果与实际车型对应模块进行测绘与比对，提高学生自信心，培养学生分析问题及解决问题的能力。并通过此环节作为平时模块考核主要依据。

4.3 汽车设计课内实验教学改革探索

汽车设计课内实验应较多地引入设计类或验证性实验，针对设计型实验，学生可以提前巩固三维软件绘图技能，并通过3D打印技术，完成小比例实物模型，通过对实物模型与设计尺寸的比对，加深对尺寸精度的选取及配合部位尺寸的界定，不仅可以提高学生对设计尺寸的把控力度，同时也能锻炼其对零部件结构的认知深度，为培养学生工程意识提供良好的教学环境。

针对课内实验所选取的零部件以现有车型为基础，做好课内实验3D模型的收集及归类，为后续教学提供实物模型，实现现场教学课堂化，优化教学设计，提高教学效果。

4.4 汽车设计课程设计教学改革探索

汽车设计课程设计有助于学生综合能力的培养，同时也是提高学生分析及解决问题能力的关键环节。目前此方面的改革侧重于课程设计知识课堂教学过程化或者通过融入企业案例等方式来提高课程设计质量，但对所设计的零部件或总成的性能、装配、尺寸标注并未进行相应的实物比对，很大程度上影响学生对所设计内容的深层探索。

基于对汽车设计课程理论及课内实验教学的改革措施实施，学生在理论计算及3D打印设备的应用方面已经具备相应的知识，能够在较短的时间内完成相应的理论计算及绘图工作，通过零部件设计尺寸与3D打印实物的对比，实现理论与实践的深层结合，强化学生对尺寸的精度、装配关系、结构设计合理性的感性认识。课程设计的内容以汽车设计所涉及的各个模块为基础，以班级为单位开展同一模块不同方案的课程设计，丰富实物模型，改善课堂教学环境，降低理解难度，提高教学质量。

制定合理的课程设计评价机制：采用答辩方式，以最终的3D打印装配模型作为独立小组之间重要的评分依据；在小组评分基础上，以零部件的模型、说明书、制图作为组内成员的主要考评依据；以考勤作为辅助考评，以此来培养团队之间竞争意识及工匠精神，促进组内学生的深度协作，提高专业素养。

5 结束语

综上所述，本文对汽车设计课程在教学过程中存在的问题进行了分析，并基于同行对汽车设计课程教学改革的研究，兼顾学生兴趣、自信、学习计划及汽车前沿技术，深层探索汽车设计课程理论、课内实验、课程设计改革措施，实现理论与实践的深度融合。

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