案例教學在3D打印工藝教學中的應用策略研究

摘要：目的：文章旨在探討案例教學在3D打印工藝教學中的應用，以提高學生的實踐能力、問題分析與解決能力，培養(yǎng)高質(zhì)量復合型人才。方法：首先，結(jié)合實際情況，明確在3D打印課程中應用案例教學的現(xiàn)實意義；其次，闡述在3D打印課程中應用案例教學的基本原則；最后，提出具體的案例教學應用策略，如選擇合適的案例、引導學生提前閱讀案例、組織課堂討論和互動、結(jié)合理論知識和實踐操作等。結(jié)果：將案例教學應用于3D打印課程中，可以使學生在學習理論的基礎上，更好地將知識應用于實際操作中。通過分析與解決實際問題，提高學生的實踐能力、問題分析與解決能力。此外，案例教學還有助于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識，使他們在面對復雜問題時能夠提出創(chuàng)新的解決方案。同時，校企合作和實踐教學平臺的搭建，使學生能夠更好地了解行業(yè)動態(tài)，提前適應職場環(huán)境。結(jié)論：將案例教學應用于3D打印課程中，有助于提高學生的實踐能力、問題分析與解決能力，培養(yǎng)高質(zhì)量復合型人才。因此，教育部門、高職教育機構(gòu)以及教師應充分認識案例教學的重要性，積極探索其在3D打印課程中的實際應用策略。通過改革教學模式、創(chuàng)新教學方法、搭建實踐教學平臺等措施，使3D打印課程更加貼近行業(yè)和社會發(fā)展的需求，為我國增材制造產(chǎn)業(yè)培養(yǎng)更多優(yōu)秀人才。

關鍵詞：案例教學；3D打印工藝教學；應用策略

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1004-9436（2024）04-0-03

0 前言

《增材制造術(shù)語》（GB/T35351-2017）將增材制造定義為“以三維模型數(shù)據(jù)為基礎，通過材料堆積的方式制造零件或?qū)嵨锏墓に嚒薄Ｔ霾闹圃煲喾Q3D打印，其工藝流程包括3D建模、切片路徑規(guī)劃、打印和打印零件的后處理。通過學習3D打印工藝課程，學生可以掌握3D打印技術(shù)的基本原理、應用領域和項目管理等方面的知識，為從事3D打印相關行業(yè)奠定基礎。

1 案例教學在3D打印工藝教學中應用的意義與原則

1.1 意義

1.1.1 提高學生的實踐操作能力

案例教學法通過提供具體的案例，讓學生在實際操作中掌握3D打印技術(shù)。在案例教學過程中，學生可以親自動手操作增材制造設備，了解不同材料的性能，從而提高自己的實踐操作能力。

1.1.2 培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和問題解決能力

案例教學法鼓勵學生進行討論和分析，引導他們從不同角度思考問題。在案例討論過程中，學生可以借鑒他人的經(jīng)驗和教訓，培養(yǎng)創(chuàng)新思維和問題解決能力。

1.1.3 增強學生的團隊協(xié)作能力

案例教學通常以小組形式進行，學生需要與組內(nèi)成員共同完成案例分析和討論。在這個過程中，學生能夠?qū)W會傾聽他人意見、表達自己的觀點，從而提高團隊協(xié)作能力。

1.1.4 激發(fā)學生的學習興趣

案例教學法通過生動、具體的案例，使抽象的3D打印技術(shù)變得更加形象、直觀。這種教學方法可以激發(fā)學生的學習興趣，使他們更愿意投入3D打印工藝課程的學習中。同時，要求學生將所學理論知識與實際操作相結(jié)合，從而培養(yǎng)他們的理論聯(lián)系實際能力。通過案例教學，學生可以更好地了解3D打印技術(shù)在實際應用中的意義和價值［1］。

1.2 原則

1.2.1 針對性與實用性原則

一方面，教師在選擇案例時，應確保案例與課程內(nèi)容緊密相關，具有針對性。案例應涵蓋3D打印工藝的基本原理、設備操作、材料選擇、建模技巧等方面的知識，以便學生能夠全面了解3D打印技術(shù)。

另一方面，案例應來源于實際生產(chǎn)或生活，能夠幫助學生了解3D打印技術(shù)在實際應用中的意義和價值。同時，教師還應引導學生將所學知識運用到實際操作中，提高他們的實踐能力。

1.2.2 啟發(fā)性與互動性原則

教師在組織學生展開案例討論時，應注重啟發(fā)性。教師應引導學生從不同角度思考問題，激發(fā)他們的創(chuàng)新思維。同時，教師還應引導學生借鑒他人的經(jīng)驗，提高自身的問題解決能力。教師在組織學生展開案例討論時，還應注重互動性。教師應鼓勵學生積極參與討論，表達自己的觀點和看法。同時，教師應引導學生傾聽他人的意見，學會與他人合作。

1.2.3 安全性與個性化原則

教師在開展案例教學時，應注重安全性。教師應向?qū)W生介紹3D打印設備的安全操作規(guī)程，提醒學生注意安全。3D打印涉及較復雜的原材料處理，尤其是對金屬粉末的處理。同時，教師還應檢查設備的安全性能，確保學生在實際操作時的安全［2］。

2 案例教學在3D打印工藝教學中的應用策略

2.1 選擇合適的案例

教師在選擇案例時，應充分考慮教學目標、教學內(nèi)容以及學生的實際情況，挑選具有代表性和實用性的案例。

第一，應以教學目標為依據(jù)。例如，如果教學目標是讓學生了解3D打印的基本原理，則可以選擇一些具有代表性的案例，F(xiàn)DM、SLA是3D打印技術(shù)的常見應用案例。

第二，充分考慮教學內(nèi)容。例如，在講解3D打印的工藝流程時，可以選擇一些具有典型性的案例，讓學生了解不同工藝流程在3D打印中的應用優(yōu)缺點。可以選擇一兩個具有代表性的構(gòu)件，結(jié)合構(gòu)件的設計特點和使用要求，讓學生思考選擇哪一種3D打印工藝，并展開小組討論。

第三，充分考慮學生的實際情況。例如，針對初學者，可以選擇一些簡單易懂、操作性強的案例，讓學生能夠快速上手，掌握3D打印的基本操作。而針對有一定基礎的學生，可以選擇一些具有挑戰(zhàn)性的案例，激發(fā)他們深入探究3D打印技術(shù)的興趣。

第四，代表性和實用性相結(jié)合。代表性意味著案例要涵蓋3D打印技術(shù)的主要應用領域，如航空航天、汽車制造、生物醫(yī)學等；實用性則要求案例貼近學生的實際需求，使他們能夠?qū)⑺鶎W知識運用到實際工作中，提高解決問題的能力。

第五，關注行業(yè)動態(tài)和前沿技術(shù)。例如，SLM輔助設計新型液壓閥塊、3DP砂型（芯）打印、SLS打印曲軸鑄模，為學生的職業(yè)發(fā)展打下基礎［3］。

第六，在案例設計中融入思政教學內(nèi)容，結(jié)合3D打印技術(shù)在航空航天等高端領域的應用，以及當前3D打印材料和設備的國內(nèi)外發(fā)展差距，對學生開展思政教育，激發(fā)學生的學習熱情和專業(yè)自豪感，引導學生樹立遠大目標，用所學知識解決重大關鍵技術(shù)難題。

2.2 引導學生提前閱讀案例

在3D打印工藝教學中，為了優(yōu)化課堂討論效果，教師應提前將案例材料提供給學生，并指導學生進行閱讀。這樣可以讓學生在課堂討論前對案例有一定的了解和思考，為課堂討論做好充分的準備。以“SLM技術(shù)在航空發(fā)動機中的應用”為例，學生須提前閱讀案例，了解其背景。隨著航空領域?qū)Ω咝阅芎蜏p重設計的需求不斷增長，航空發(fā)動機關鍵零部件的設計和制造變得越來越復雜。傳統(tǒng)的設計方法往往需要經(jīng)過多次試驗和修改，耗時長、成本高，并且經(jīng)常受限于制造水平，需要犧牲一定的設計功能。而采用SLM（Selective Laser Melting，選擇性激光熔化）技術(shù)進行3D打印，幾乎可以實現(xiàn)設計自由，打破傳統(tǒng)制造的瓶頸，并且可以實現(xiàn)產(chǎn)品的一體化制造和減重，降低成本。

SLM技術(shù)是一種先進的3D打印技術(shù)，它使用激光作為熱源，按照數(shù)字化的三維模型逐層掃描并熔化金屬材料，最終形成三維實體。采用SLM技術(shù)，可以快速制造出具有復雜結(jié)構(gòu)和內(nèi)部通道的航空發(fā)動機零件，而且制造過程不需要模具，大大減少了生產(chǎn)周期和成本。在這個案例中，學生需要了解SLM技術(shù)的工作原理，掌握SLM技術(shù)的設計和制造過程，了解SLM技術(shù)在復雜零件設計中的應用，并分析SLM技術(shù)對航空領域減重設計和制造的影響。通過提前閱讀案例，學生可以在課堂討論中更好地了解SLM技術(shù)在未來高端制造和設計中的應用優(yōu)勢［4］。

2.3 組織課堂討論和互動

在3D打印工藝課程課堂教學中，教師應組織學生展開案例討論，鼓勵學生積極參與，表達自己的觀點和看法。同時，教師應引導學生對不同的觀點進行思考和探討，營造良好的互動氛圍。

以“3DP砂型（芯）打印”為例梳理課堂討論與互動流程。第一，課堂導入。教師簡要介紹3DP砂型（芯）打印的背景和重要性，激發(fā)學生的興趣。同時，引導學生思考3DP砂型（芯）打印與其他增材制造技術(shù)（例如激光增材、電弧增材和等離子增材）的優(yōu)缺點。對比激光增材、電弧增材和等離子增材，3DP不需要能量源，成型尺寸大、成型速度快、設備成本低。與傳統(tǒng)鑄造相比，3DP打印砂型（芯）能簡化流程、降低能耗、縮短周期、改善工藝。

第二，讓學生分組展開討論。將學生分成若干小組，每組學生討論3DP砂型（芯）打印的原理、工藝流程、優(yōu)點和應用領域。鼓勵學生表達自己的觀點和看法，并選擇生活和生產(chǎn)中的合適案例，對3DP砂型工藝應用進行討論。

第三，教師點評。選派每組學生代表匯報本組的討論成果，鼓勵學生提問、發(fā)表意見，形成良好的互動氛圍。教師適時解答學生的疑問，引導學生深入思考。

第四，深入分析。引入相關視頻教學案例，介紹其在3DP砂型（芯）打印領域的核心技術(shù)PCM無模鑄型及其應用。例如，廣東峰華卓立是全球3DP工程領域知名廠商，擁有相關專利100余項、生產(chǎn)高精3DP砂型（芯）打印機、提供復雜零部件的快速鑄造服務。其核心技術(shù)PCM無模鑄型由清華大學顏永年團隊研發(fā)，在泵閥、航天、軍工、新能源汽車等多領域得到應用。學生分組討論該案例中的關鍵成功因素，如專利技術(shù)、產(chǎn)學研合作等。

第五，總結(jié)與拓展。教師總結(jié)本次課堂討論的主要觀點和成果。鼓勵學生針對本次討論的內(nèi)容進行深入思考，如探討3DP砂型（芯）打印在新能源汽車、航空航天等領域的應用前景。通過課堂討論與互動，教師可以引導學生深入了解3DP砂型（芯）打印的原理、工藝和應用，培養(yǎng)學生的思考能力和創(chuàng)新能力。同時，課堂討論與互動也有助于增強學生的團隊合作意識和溝通能力［5］。

2.4 結(jié)合理論知識和實踐操作

在案例教學中，將3D打印工藝的理論知識與實際操作相結(jié)合非常重要，這不僅可以加深學生對理論的理解，還能提高他們解決實際問題的能力。通過使用高性能的激光選區(qū)熔化（SLM）技術(shù)，如德國EOS、美國3D Systems和國內(nèi)的鉑力特、湖南華曙等先進設備，學生可以學習如何運用前沿技術(shù)快速制造高品質(zhì)的復雜零件。同時，通過案例教學，學生可以詳細了解SLM工藝流程，包括前端的設計和準備工作、中端的打印和粉末鋪粉過程、后端的表面處理和熱處理等。每一個階段都是實際操作的重要環(huán)節(jié)，通過理論學習和現(xiàn)場觀摩，學生可以更好地了解和掌握整個SLM打印過程。SLM技術(shù)的優(yōu)勢，如無模鑄型、一體成型、設備自動化水平高、生成周期短，為傳統(tǒng)金屬加工業(yè)帶來了變革。

通過案例教學，學生不僅能學習這些技術(shù)的原理，還能了解到它們在實際生產(chǎn)中的應用和對環(huán)境的影響。由此可見，案例教學是連接3D打印工藝理論知識與實際操作的重要橋梁，通過具體案例分析，學生可以在實踐中深化對3D打印技術(shù)的了解與應用。這樣的教學方法有助于培養(yǎng)符合現(xiàn)代化工業(yè)需求的高技能人才，促進綠色鑄造生產(chǎn)政策的實施，推動鑄造行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

2.5 多元化評價方式

第一，理論知識考核。通過書面考試，如選擇題、簡答題等，考核學生對3DP技術(shù)、SLM技術(shù)、SLS技術(shù)等基本理論知識的掌握程度。

第二，實際操作考核。通過觀察學生在實際操作過程中的表現(xiàn)，如操作熟練度、解決問題的能力、團隊協(xié)作能力等，評估學生的實際操作能力。

第三，創(chuàng)新思維考核。鼓勵學生在實際操作中提出創(chuàng)新性的想法，教師可以觀察學生的創(chuàng)新思維表現(xiàn)，如是否能提出新的設計思路、是否能優(yōu)化工藝流程等。

第四，作品質(zhì)量評價。對學生作品進行質(zhì)量評價，如選擇較簡單易操作的FDM工藝，讓學生完成從設計、制作到處理的全過程，并對學生作品進行評價。

第五，自我評價和同伴評價。鼓勵學生進行自我評價，反思自己在學習過程中的優(yōu)點和不足，同時也可以讓學生互評，從不同角度了解學生的學習效果。

第六，教師評價。教師可以根據(jù)學生的表現(xiàn)，及時提供反饋和建議，以幫助學生了解自己的優(yōu)缺點，進一步提高自己的能力。

通過以上多元化的評價方式，教師可以更全面地了解學生的學習效果，激發(fā)學生的學習興趣和動力，有利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和實踐能力。

3 結(jié)語

案例教學法在3D打印工藝課程教學中的應用具有重要意義。教師應充分利用案例教學法，提高學生的實踐操作能力、創(chuàng)新思維、問題解決能力、團隊協(xié)作能力和理論聯(lián)系實際能力，為培養(yǎng)具有實際應用能力的3D打印技術(shù)人才奠定基礎。在具體實施過程中，要遵循基本原則，充分發(fā)揮案例教學法的優(yōu)勢。本文提出的策略能夠讓學生更好地掌握3D打印技術(shù)，為將來的工作和生活打下堅實的基礎。

參考文獻：

［1］ 曹素紅.核心素養(yǎng)視閾下3D打印課程教學改革探究［J］.中國現(xiàn)代教育裝備，2023（1）：169-171，178.

［2］ 陳沖鋒. 3D打印技術(shù)及應用型人才培養(yǎng)的研究［J］.產(chǎn)業(yè)科技創(chuàng)新，2022，4（6）：114-116.

［3］ 呂方方.高職學校“3D打印”課程與教學現(xiàn)狀的調(diào)研與分析［J］.內(nèi)江科技，2022，43（11）：80-82.

［4］ 張李超，郭強強.基于虛擬現(xiàn)實的3D打印課程沉浸式教學方法研究［J］.科教導刊，2022（24）：128-130.

［5］ 周大帥，劉永志，郭灝，等.基于OBE理念的課程整合優(yōu)化：以“3D打印技術(shù)”課程為例［J］.裝備制造技術(shù)，2022（8）：216-219.

作者簡介：侯娟（1983—），女，安徽淮南人，博士，副教授，研究方向：增材制造。