以學生為中心的3D打印技術基礎訓練案例教學

文/廣州市增城區職業技術學校 羅鳳微

3D打印技術基礎訓練是近幾年中職院校模具制造技術專業新開發的一門專業技能課程。3D打印與制造技術是以3D數字模型為基礎，通過逐層打印可粘平臺的材料(包括塑料、金屬、生物材料等)來構造產品的技術，廣泛應用在汽車、航空航天、工業設計等工業生產領域，甚至應用在珠寶、教育、科研和醫療領域。開設3D打印技術基礎訓練課程意在使學生理解3D打印軟件的相關基礎知識，掌握3D打印操作的專業技能，提升學生的創新能力和實踐能力。研究表明，堅持以學生為中心，采取案例教學方法可以有效開展3D打印技術基礎訓練的教學。

一、3D打印技術基礎教學問題及歸因

(一)案例教學與3D打印技術基礎訓練

案例教學是教師借助具體案例引導學生在閱讀案例或經歷案例、討論案例和拓展案例中進行互動與交流，從而感受知識、經歷知識的形成過程，獲得知識、技能和方法的一種“做中教、做中學”的教學活動。可見，案例教學也是一種開放的、互動的新型教學方式。

3D打印技術基礎訓練課程尤其適合案例教學。這首先是因為3D打印技術基礎訓練是一門理論與實際結合、訓練與創新并舉的技能課程。學生主要是通過具體案例了解 3D 打印技術的概念和原理，認識 3D 打印機，設計并打印實物。教師帶領學生利用UG8.0三維設計軟件，運用拉伸等命令，設計制作七巧板，來學習無支撐填充實體的設計與打印。引導學生用三維設計軟件Pro/Engineer5.0和3D打印機設計和制造小鑷子，來獲得有支撐填充實體的設計與打印技術。3D打印技術基礎訓練的自身特點決定了其教學必然采用案例教學法。其次，中職學生也比較適合案例教學法，案例來自生活和生產實踐，真實生動。中職學生初中基礎差，不善于邏輯思維，但想象力比較強，特別是動作思維很好，用案例教學法恰好可以揚長避短，長善救失。

(二)開展案例教學的問題及歸因

很多教師都在專業課教學中運用了案例教學法，但仍未持之以恒，形成常態。 為此我們深入課堂了解實際情況，歸因如下。

首先，案例選擇不恰當。案例是案例教學的載體，要做到簡單、真實、典型，具有舉一反三、觸類旁通的作用。但是觀察案例教學課堂，案例選擇不能從生活中的簡單東西入手，不是從學生喜歡的東西入手，而是選擇新奇的、華麗的、復雜的案例。這樣學生興趣不高，案例教學難以有效開展。

其次，案例操作不規范。學生操作比較隨便，不按規范操作，影響技術提高和專業技能的形成。這一方面是教師的示范操作問題，另一方面是設備問題、材料問題、課室問題。案例操作是教學的關鍵，學生是在操作中感悟知識，形成技能的。嚴格地說，只有規范的操作才能生成知識，提高技能。

再次，案例討論不深刻。案例分析討論是學生合作學習的主要方式，但課堂上教師一般把問題丟給學生，讓學生自己討論，致使討論很難進行。問題產生的原因是討論前學生缺乏自主學習的動力，沒有充分準備，問題設計缺乏啟發性、生成性，很難引起學生的興趣和思維碰撞。

總之，在案例教學中，教師忽視了學生的主體作用，不是以學生為中心設計教學過程，致使案例教學不能有效開展。

二、以學生為中心的案例教學及特點

以學生為中心的案例教學就是強調在案例教學過程中，要從學生的學習實際出發，根據學生的認知規律和技能形成規律選擇教學案例，引導學生積極參與案例實踐，學習案例的操作程序和方法，積極展開小組交流與合作，感悟知識，訓練技能，提高專業技能和職業能力。以學生為中心的3D打印技術基礎訓練案例教學具有以下特點。

(一)突出學生主體性和學習實踐性

以學生為中心的3D打印技術基礎訓練案例教學強調學生的主體性和學生學習過程的實踐性，學生的主體性在案例教學中主要體現在三個方面。

第一，學生主動參與到案例中來，深入案例情境，體驗案例角色，把握案例的具體操作過程。如，學習手機殼的設計，學生要進入設計師角色，了解具體工作任務，利用UG8.0三維設計軟件打造一款雙色手機外殼，再和同學一起研究設計操作步驟。

第二，學生一般以小組學習的方式參與案例實踐和研討。雖然是教師引導學習活動，但學生主要以工作中的身份參與，自己發現問題，與同學一起探究問題，直指問題的解決。在用UG設計方法創建手機殼底板時，對如何拉伸產生異議，如何選擇距離和方向成為討論的焦點。這時教師可以因勢利導，引導學生討論或者試驗，以小組探究學習的形式解決問題。

第三，學生的案例學習過程，主要是通過他們自己動手、動腦，感悟知識和技術，總結技能和方法，這一總結、感悟，感性認識到理性認識的升華必須由他們自己完成。這也是案例教學過程中學生主體性與教學實踐性的結合。

(二)強調客觀真實性和案例的綜合性

3D打印技術基礎訓練的案例都是真實的、客觀的。一方面這種案例是具體的、生動的，承載著事物最根本、最重要的屬性，內涵豐富；另一方面它也是綜合的，包含著認識過程、操作過程和思維過程。案例的真實性和綜合性決定了案例教學的真實性和復雜性。學生要在真實環境中，在規范的操作中，根據自己的感受、體驗和理解，發現知識及意義，訓練方法和提高能力。學習遙控器電池后蓋的逆向設計，直觀來看學生是在學習遙控器電池后蓋的逆向設計與打印的UG設計方法和步驟，但是它包含著智能手機搜集材料、選擇模型、執行視圖可視化光柵圖像等一系列技能，并且在設計和打印中理解了逆向設計的含義和價值，幫助學生形成逆向思維的思想方法。

(三)重視教學的啟發性和互動的多元性

3D打印技術基礎訓練案例教學過程實際是教師的啟發推動、學生的自主探究、學生的思維碰撞共同完成的。教師的啟發推動首先體現在案例的選擇，教師只有選擇簡單、有趣、典型的案例，才能激發學生的求知欲，啟動學生的自主學習活動。其次體現教師的因勢利導，發現問題，引起學生的討論，并把研究引向深入。學生的自主探究是整個學習活動的基礎，沒有高質量的自主學習，就沒有良好的小組合作，沒有討論的深刻性。案例討論不只是尋找正確答案，更在于獨立思考、合作探究，提高思維能力。在案例研究中，教師、師傅與學生三方的個體交往，還有教師或師傅與學生群體的交流，以及學生之間的多元的互動，會有效地推動案例教學的進程。

三、以學生為中心的案例教學實踐

開展以學生為中心的案例教學設計，一定要堅持以學生為中心考慮教學目標、教學內容、教學方法、教學手段等諸多因素，一定要選擇具有典型意義的案例，讓學生在動手操作中感悟知識、訓練技能、增長智慧。

(一)以學生為中心的案例教學策略

教學策略是為達成教學目標所采取的系列方法的系統行為，是解決教學問題的方法、技術的操作原則。以學生為中心的案例教學策略必須充分考慮“學生中心”和“案例”這兩個基本因素。

1.案例選擇策略

案例是學生學習知識、學習技能、提高能力、增長智慧的載體，也是教師傳道、授業、解惑的平臺。可見案例應該具有訓練技能、生成知識，以及舉一反三的作用。因此，案例教學所選擇的案例必須具有典型性，這樣才能生成、發散和擴展。如，教學案例中用Pro/Engineer軟件進行彈簧的設計與打印。首先，案例的操作可以使學生學會用Pro/Engineer軟件建立實體文件、創建彈簧上端蓋、彈簧上拉環、彈簧下端蓋、彈簧主體，以及導出與檢測STL文件的方法。其次，在用軟件建模的操作中，學生也熟悉各種指令，并且掌握了插入、旋轉掃描、伸出項等專業術語。更重要的是學生還感悟到：對于一些封閉、半封閉的復雜結構，3D打印技術可以進行快速的成型制造。可見，選擇案例要堅持以學生為中心，根據學生的學習特點選擇易于學生感受，便于學生操作的典型案例。

2.自學指導策略

以學生為中心的案例教學的主體是學生。學生的自主學習是貫穿于整個案例教學過程的。實踐說明學生主體作用的發揮有賴于教師的引導、點撥和推動。自主學習的啟動是教師以任務描述的形式布置任務的結果，自主學習的步驟是教師引導文的指引。如車床大滑板手輪的逆向設計與打印，教師可以這樣引導學生自主學習。首先要求學生明確，要通過車床大滑板手輪的操作案例，學習使用三維光學掃描的逆向設計與打印。其次要明確定制逆向設計流程：采集數據點云數據處理面片處理逆向建模3D打印。在這一過程中，學生不是機械地學習，而是有所發現、有所感悟，這就生成了知識和技能。子云：“不憤不啟，不悱不發”。教師創設憤悱之境，引而不發，是引導學生自主學習的最高境界。

3.小組研討策略

學生學習主體作用的發揮還在于學生團隊的合作學習。3D打印技術基礎訓練案例教學是在以學生為中心的教育理論指導下，教師帶領學生團隊通過描述案例、實踐案例、研究案例、拓展案例的過程，引導學生發現知識、積累經驗，并且通過學生之間的問題討論和觀點碰撞，從而達到構建理論知識和啟迪思維智慧的目的。面對同樣的設計與打印的問題，每個學生都有自己的見解和解決問題的辦法，一方面他想發表自己的見解，期望得到同學的支持和鼓勵；另一方面他也想要看到別人的觀點和方法，希望得到啟示和借鑒，完善自己的方案。這就需要教師開展小組學習或者全班的討論，推動合作學習。

(二)以學生為中心的案例教學過程

以學生為中心的案例教學過程一般包括案例的選擇與描述、案例的操作與討論，以及案例的評價與拓展。下面以無支撐填充實體的設計與打印教學為例，探究以學生為中心的案例教學課堂結構和教學過程。

1.案例選擇

選擇案例是案例教學的第一步，是案例教學能否成功的關鍵。曹明遠、申云波主編的《3D設計與打印實訓教程(機械制造)》選擇的案例“七巧板的設計與打印”就很恰當。首先，七巧板是學生十分熟悉的、頗感興趣的智力玩具。學生看到制作精美的七巧板，必然會興趣盎然，投入到設計和3D打印任務。其次，七巧板包含了三角形、正方形和平行四邊形等基本圖形，設計七巧板圖形包含所應用到UG 8.0 創建的基本繪圖與建模技能，學生在操作中獲得基本方法。再次，利用UG 8.0設計和打印七巧板比較簡單，但也是可生成的，由此可以使學生拓展到無支撐填充實體的設計與打印。

2.案例描述

案例描述要簡單扼要、層次清楚，不能信息不準確、要求不明確。這個案例可以這樣描述：同學們，七巧板是我們熟悉的、流傳久遠的智力玩具，請你們利用UG 8.0三維設計軟件，通過拉伸等命令，設計一款七巧板。

3.案例操作與討論

案例操作是指按要求完成案例的具體工作任務。在完成具體工作任務時，出現操作困難或產生疑問時，學習小組或全班同學進行知識、技能、技術的學習，以及更深層次的研討。這是案例教學的主要環節，是教學重點和難點。首先，要引導學生分析七巧板的幾何結構，然后通過小組討論制定設計七巧板的計劃，制定具體工作步驟。也就是草圖的創建、大三角形的模型創建、中三角形的模型創建、小三角形的模型創建、正方形的模型創建、平行四邊形模型的創建、底座模型的創建，以及STL的導出與檢測等8個步驟。圖形雖然不同但聯系密切，操作技能則大同小異。應該重點解決草圖的創建、大三角形的創建和STL格式模型的導出與檢測。這三點要求學生在自主學習或觀看微課的基礎上，抓住關鍵問題組織討論。如，討論在系統默認草繪XOY平面下，如何按七巧板的圖案將正方形分為7塊。中職學生初中知識基礎差，這個圖形的繪制對他們而言比較有難度，有討論的必要。類似地，完成整個內容的學習。

4.案例評價與拓展

這里所謂評價與拓展，本質上是以評價的形式對上一環節的實踐和討論做理性的思考、反思、總結和擴展應用。讓學生反思學到哪些知識和技能，可以解決什么問題，然后舉一反三去解決類似的問題，也就是無支撐填充實體的設計與打印。

總之，開展以學生為中心的案例教學，有利于提高3D打印技術基礎訓練的學業成績，有利于提高學生的專業能力、創新能力和綜合素養，也有利于提高教師的專業化水平，值得我們進一步探究和實踐。