1. 引言
新工科是对传统工科教育进行改革和发展而形成的一种新型工程教育模式，强调以新技术、新产业、新业态和新模式为背景，注重学科交叉融合、创新能力和实践能力的培养，以及对复杂工程问题解决能力的提升[1] [2]。而目前不少工科课程还是以课程讲授和实验操作为主要形式，以考试或者考查为主要评估手段的教学，工科学生课堂学习的主要目标往往更倾向于取得高的分数，而不是实际解决问题能力的提升。解决上述矛盾的方法之一是采用项目制学习，让学生组团带着项目目标去学习。
项目制学习是一种教育模式，学生通过参与设计、实施和完成具有明确目标的实际项目来获取知识和技能，非常契合新工科建设以学生为中心、鼓励学生主动学习的理念，培养其解决问题、创新思维、团队合作和自我管理等能力[3] [4]。华中科技大学在第二课堂中引入项目制本科研究性学习模式，取得了令人瞩目的成绩[5]。Stern A等[6]成功将3个用于帮助残疾人的产品开发项目引入到了研究生阶段工程专业学生的增材制造技术课程教学中，认为3D打印技术作为创新教育手段具有巨大的潜力，有助于学生将想法转化为真实的实物，并建议在增材制造课程的开发过程中采用项目制学习方法。百色学院通过新工科教学改革，将微型项目植入到《增材制造技术》课堂教学中，学生能够通过项目制学习达成掌握相关知识和操作技能的目标，取得了较好的效果[7]。
2. 课程目标
《增材制造技术》是一门学习现代先进制造技术的课程，重点聚焦于增材制造(也常被称为3D打印)的原理、工艺、材料、设备、打印操作、应用及其发展趋势，旨在培养学生的创新思维、设计能力和解决实际工程问题的能力，为学生将来在高端制造领域的工作或研究打下基础。
百色学院《增材制造技术》课程共36个学时，其中24个理论学时，12个实践学时。该课程的课程目标有3个：(1) 了解增材制造的发展历史、现状和应用，了解创客；(2) 理解增材制造技术所对应的岗位、企业员工需要遵守的规范和应具备的安全意识；(3) 掌握增材制造的主要类型、常用材料、主流设备操作方法、前期的模型数据预处理以及制件后处理知识。课程目标用以支撑工程教育的毕业要求7：环境与可持续发展和毕业要求10：沟通。
3个课程目标相互关联，构成了增材制造技术学习过程中逐步深化的认知发展路径。第一个课程目标中的了解通常涉及记忆工作，是最基本的认知层次，学生需要知道增材制造的发展历史、现状、应用以及什么是创客，能够在给定的情境中识别它们。第二个课程目标中的理解是更深的层次，学生不仅能够记忆增材制造技术所对应的岗位、企业员工需要遵守的规范和应具备的安全意识，还能解释这些信息的意义，说明信息之间的联系，以及利用已有知识解释企业员工需要遵守的这些规范和应具备这些安全意识的原因。理解层次的要求类似于“费曼学习法”，即能够用自己简要的语言讲述出所学知识的概念[8]。第三个课程目标中的掌握是最高层次的认知要求，意味着学生不仅能够理解增材制造的相关知识，还能够应用所学知识去解决新问题，进行分析、综合或评价[9] [10]。掌握包括能够灵活运用所学的概念、理论或技能来处理复杂任务，进行创新思考，以及在没有直接指导的情况下自我调整学习策略。利用项目制牵引，让学生在课堂上带着具体的创新任务去学习，能够有效地实现上述3个逐步深化的课程目标。
3. 课程设计、实施和成绩评价
3.1. 课程设计
我们将《增材制造技术》课程的教学内容分解为四部分：(1) 文化篇。主要包括增材制造的特点、发展历史和现状，以及其在各行各业中的应用和作用；(2) 专业篇。是课程的重点，包括增材制造的主要类型、常用材料、主流设备操作方法、前期的模型数据预处理以及制件的后处理等知识；(3) 职业篇。简要介绍增材制造技术所对应的岗位，企业员工需遵守的规范和应具备的安全意识；(4) 创客篇。讲解创客和创客精神，并通过展示一些典型的通过增材制造进行创客制作的案例，激发学生的创新精神。学生采用增材制造技术进行创作的项目活动共12个学时，包括收集和筛选需求、制作数据模型、上机操作、3D打印制品和项目的总结汇报等，贯穿整个上述4部分教学。老师课堂教学和学生创新项目执行穿插进行，最终以学生的项目总结汇报来结束整个课程，具体教学进度的时间安排如图1所示。
Figure 1. A course teaching progress chart
图1. 课程教学进度图
3.2. 方案实施、成果展示和汇报
3.2.1. 成立项目组
在本课程的第一堂，任课教师就将课程目标、进度安排和考核方法罗列出来，让学生清楚地知道如何学习本门课程以及需要达到的目标是什么。同时也告诉学生，课程的平时成绩是通过项目制学习取得的。项目制学习的规则如下：(1) 自愿组合成小项目组，项目组成员2~3人，含组长1人(相当于项目经理)，负责小组任务分配和进度协调；(2) 项目组的任务是按照图1中的课程进度收集和筛选虚拟客户的需求，形成项目开发目标；完成数据模型制作、数据模型的前处理和切片、FDM型3D打印机操作和目标产品制作；完成项目总结和汇报等工作；(3) 项目组的成绩按百分计，后续按比例折换成平时成绩。项目组的成绩分三个档次给分，普通项目组成员的成绩就是项目得分。为了激励项目组组长，第一档次的项目组长加5分，最后一档的减5分，中间档的不增不减。项目组的分组是作为课后作业来完成，分组结果收集汇总后交给任课老师备案。同时，在第一堂课中，老师还将最终项目完成时的书面报告模板和口头汇报要点一并发给学生，让学生提前熟悉目标要求。
3.2.2. 项目需求
工程就是将满足市场或者客户需求的可能性转化为现实的过程。将市场或者客户需求作为项目导向，是确保项目成功、提升产品市场竞争力、优化资源配置和驱动持续创新的关键，工科学生需要有服务市场或客户的意识。因此，本课程在结束第一部分文化篇课程的学习之后，任课老师组织1个学时的课堂讨论，设计让虚拟客户提出需求作为微型项目的任务来源。学生项目组循环充当同伴项目组的虚拟客户，例如项目组1充当项目组2的虚拟客户，项目组2充当项目组3的虚拟客户，如此循环，直至项目组n充当项目组1的虚拟客户，完成闭环。为了能够提出和筛选合理的需求，虚拟客户和项目组的学生都需要掌握3D打印的特点、应用以及主要技术分类等知识，不然无法进行有效地讨论。因此，收集模拟客户需求的讨论过程，也是对文化篇知识点再学习和知识应用的一个过程。
在分析虚拟客户需求和实验室FDM型3D打印机特点之后，项目组筛选形成初步的项目目标并由组长在课堂上口头汇报给任课老师，大多数都是建筑、手办或者玩偶等模型。任课老师对项目目标的可行性进行初步评估并给出建议，然后项目组修改后就作为该项目组的项目目标确认下来。
3.2.3. 数据模型的建立与预处理
在增材制造工艺中，产品设计就是STL数据模型的建立与预处理。在学习第二部分专业篇的“模型数据预处理”知识之后，项目组就可以开始着手建立数据模型和对数据模型进行预处理。
在《增材制造技术》课程中，根据项目目标建立数据模型的方式有三种：(1) 利用实验室的CR-Scan 01型号三维扫描仪进行创建；(2) 直接从网上下载；(3) 利用三维CAD (计算机辅助设计)软件建模导出。由于项目组缺乏虚拟客户需要的实物模型，无法利用三维扫描仪扫描实物模型而通过逆向工程的路径创建数据模型，因而项目组基本都是通过后两种方式获得的数据模型。有的项目组直接是在网上寻找与虚拟客户需求一致或者接近的数据模型进行下载使用，有的项目组是利用前期《计算机辅助制图》课程学到的知识进行建模并导出形成需要的STL数据模型。STL数据模型通常或多或少存在错误，会导致后续打印机识读过程甚至打印过程中产生问题，因此，需要提前对STL数据模型进行检测和修复。本课程采用Creality Print软件对STL数据模型进行检测、修复以及后续的切片处理。
3.2.4. 产品打印
项目组在打印目标产品的时候共分为3步：(1) 数据模型的切片处理；(2) 产品3D打印测试；(3) 正式的3D打印。第一步的数据模型的切片处理就是生成加工程序，是安排学生在上机操作之前作为课后作业完成的。在第二部分专业篇课程学习之后，学生就开始进入到第二步上机打印操作的实践教学环节。上机操作前，学生将自己项目组的数据模型和相应的加工程序让老师检查。主要是检查喷涂温度、层高、打印速度、支撑和填充密度等。如没有明显的问题就可以进行产品的3D打印测试，少量的参数设置问题还便于学生加深对3D打印工艺参数的理解。实验室对学生课程开放的是FDM型3D打印机，打印材料是PLA (聚乳酸)。在3D打印过程中，大部分项目组都或多或少遇到了一些障碍，例如，打印产品与打印平台粘接不牢出现松动，自动生成的支撑过密或者手动添加的支撑数量不够，填充密度过大导致打印总时间过长，数据模型细节不合理导致打印卡顿等。上述打印障碍问题的出现和排除，更有利于学生对相应3D打印操作知识的理解和掌握，也就是更利于本课程目标3的达成。
测试打印的时间是连续3个课时，只有个别项目组完成了自己的产品打印，大部分项目组的目标产品仅仅打印了一部分。课后，项目组根据在打印测试过程中出现的问题，对自己的数据模型和加工程序进行调整和优化，对已打印的半成品进行去除支撑、修剪毛刺、表面打磨和着色等后处理练习。
在上机打印测试并且优化了目标产品模型和加工程序之后进入第三步，开始正式进行项目组目标产品的打印制作，总共6个连续的实践课时。相对于前一次的打印操作测试，目标产品的第二次3D打印顺利很多。项目组基本都可以通过调整数据模型的大小、层高和填充密度等控制总打印时长在4~6小时之间，最终的打印效果也比较理想。当然，也有个别项目组对自己在实践课时打印的产品不太满意，会与3D打印实验室另行预约时间，再次打印制作自己的目标产品，以期能够获得比较满意的效果。
3.2.5. 产品后处理
3D打印目标产品完毕后，将PLA产品从打印平台上取下，去除支撑和毛刺，然后进行表面磨平和上色处理。通过FDM工艺打印的PLA产品，强度不是很大，非常容易进行相应的后处理。图2是部分项目组经过后处理加工之后的产品实物展示。
Figure 2. Some 3D printing products completed by students in the course
图2. 学生在课程中制作完成的部分3D打印产品
3.2.6. 项目汇报
在课程的结尾，每个项目组都需要撰写和提交一份关于项目完成情况的书面报告并进行口头汇报。书面报告和口头汇报包括但不限于以下内容：项目名称、项目组成员、项目需求的收集和筛选依据、产品设计和数据模型创建、3D打印设备操作和产品制作过程、后处理等。在项目汇报的时候，不局限于项目组组长，也可以是表达能力很强的项目组成员进行汇报。项目的总结和汇报是对学生专业知识和工程素养的综合考查。在工程教育认证通用标准的毕业要求中，要求学生具有能够以书面和口头的形式就专业问题进行有效沟通交流的能力(毕业要求10：沟通)。
3.3. 成绩评价
为了不与现有考核制度发生摩擦，本课程依然按照规定，保持平时成绩占40%和期末成绩占60%的比例。期末以书面考查的形式进行，主要对增材制造相关知识的理解和掌握。平时成绩就是项目组的最终成绩，以百分计，后续按比例折换加和到总成绩中。平时成绩包括项目组对同伴项目组需求的提出以及对获取到项目需求的分析和筛选、数据模型的建立与预处理、目标产品的3D打印和后处理、项目总结与汇报等活动完成情况的成绩。鉴于学生项目组之间有成绩的竞争关系，就不将项目组向虚拟客户的交付目标产品作为成绩评定的依据。
在课程结束的时候，任课老师通过雨课堂向学生提供了一项定性调查，其中包括以下问题：(1) 你从当前的《增材制造技术》课程中学到了什么？(2) 你认为自己课程目标的达成度如何？(3) 你的团队选择特定项目的原因是什么？(4) 最终的项目对你的工程知识和技能有何贡献？(5) 你从课程中获得了哪些宝贵的工具？(6) 课程的弱点是什么？如何改进？通过调查，老师可以及时掌握学生自己认为自己对课程目标的达成度情况，同时也便于发现教学中的问题持续改进。
4. 效果和反思
知识的获取应该是主动的、积极的、持续的，但随着高考录取率的逐年提高，近年来地方高校部分学生的学习兴趣缺乏和学习目标不明确，造成课堂学习主动性下降。而项目制学习能够体现“学生中心、成果导向”工程教育理念以及贴合新工科的“在做中学、在学中做”发展方向。《增材制造技术》课程采取项目制学习，可以通过引入微型项目和可预期的学习目标，调度学生的积极性，实现课程目标的达成，效果良好。微型项目开展过程中，还可以加深学生理论知识的掌握和提高再学习动力，最终的期末成绩也比较理想。
从两次教学实践看，《增材制造技术》课程的项目制学习还存在改进空间，例如，实践学时偏短，学生无法打印制作完成尺寸较大的作品；项目组中个别同学参与度低，存在浑水摸鱼现象。下一步可以适当增加课程的实践课时，让学生能够打印较大尺寸的复杂作品；还可以增加多台3D打印机同时在不同工艺参数下的打印操作演示，能够让学生更加直观地学习3D打印工艺参数的影响；增加项目组不同角色成员的任务模块，可以更有针对性地考核到项目组中所有学生学习的达成情况。
基金项目
大学生创新创业训练计划项目“3D打印FDM试件强度改进及评估研究”(项目编号：202410609063)；百色学院本科教学改革工程项目“工程教育认证和产教深度融合背景下的实践教学体系改革与实践——以金属材料工程专业为例”(项目编号：2022JG61)；广西高等教育本科教学改革工程项目“基于现代产业学院的专业链对接产业链建设研究与实践——以生态铝产业学院为例”(项目编号：2024JGB358)。
NOTES
*通讯作者。