以學(xué)生為中心的3D打印技術(shù)基礎(chǔ)訓(xùn)練案例教學(xué)

羅鳳微

3D打印技術(shù)基礎(chǔ)訓(xùn)練是近幾年中職院校模具制造技術(shù)專業(yè)新開發(fā)的一門專業(yè)技能課程。3D打印與制造技術(shù)是以3D數(shù)字模型為基礎(chǔ)，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(gòu)造產(chǎn)品的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在汽車、航空航天、工業(yè)設(shè)計等工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，甚至應(yīng)用在珠寶、教育、科研和醫(yī)療領(lǐng)域。開設(shè)3D打印技術(shù)基礎(chǔ)訓(xùn)練課程意在使學(xué)生理解3D打印軟件的相關(guān)基礎(chǔ)知識，掌握3D打印操作的專業(yè)技能，提升學(xué)生的創(chuàng)新能力和實踐能力。研究表明，堅持以學(xué)生為中心，采取案例教學(xué)方法可以有效開展3D打印技術(shù)基礎(chǔ)訓(xùn)練的教學(xué)。

一、3D打印技術(shù)基礎(chǔ)教學(xué)問題及歸因

（一）案例教學(xué)與3D打印技術(shù)基礎(chǔ)訓(xùn)練

案例教學(xué)是教師借助具體案例引導(dǎo)學(xué)生在閱讀案例或經(jīng)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(jīng)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(xué)”的教學(xué)活動。可見，案例教學(xué)也是一種開放的、互動的新型教學(xué)方式。

3D打印技術(shù)基礎(chǔ)訓(xùn)練課程尤其適合案例教學(xué)。這首先是因為3D打印技術(shù)基礎(chǔ)訓(xùn)練是一門理論與實際結(jié)合、訓(xùn)練與創(chuàng)新并舉的技能課程。學(xué)生主要是通過具體案例了解 3D 打印技術(shù)的概念和原理，認識 3D 打印機，設(shè)計并打印實物。教師帶領(lǐng)學(xué)生利用UG8.0三維設(shè)計軟件，運用拉伸等命令，設(shè)計制作七巧板，來學(xué)習(xí)無支撐填充實體的設(shè)計與打印。引導(dǎo)學(xué)生用三維設(shè)計軟件Pro/Engineer5.0和3D打印機設(shè)計和制造小鑷子，來獲得有支撐填充實體的設(shè)計與打印技術(shù)。3D打印技術(shù)基礎(chǔ)訓(xùn)練的自身特點決定了其教學(xué)必然采用案例教學(xué)法。其次，中職學(xué)生也比較適合案例教學(xué)法，案例來自生活和生產(chǎn)實踐，真實生動。中職學(xué)生初中基礎(chǔ)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(xué)法恰好可以揚長避短，長善救失。

（二）開展案例教學(xué)的問題及歸因

很多教師都在專業(yè)課教學(xué)中運用了案例教學(xué)法，但仍未持之以恒，形成常態(tài)。 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(dāng)。案例是案例教學(xué)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(xué)課堂，案例選擇不能從生活中的簡單東西入手，不是從學(xué)生喜歡的東西入手，而是選擇新奇的、華麗的、復(fù)雜的案例。這樣學(xué)生興趣不高，案例教學(xué)難以有效開展。

其次，案例操作不規(guī)范。學(xué)生操作比較隨便，不按規(guī)范操作，影響技術(shù)提高和專業(yè)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(shè)備問題、材料問題、課室問題。案例操作是教學(xué)的關(guān)鍵，學(xué)生是在操作中感悟知識，形成技能的。嚴格地說，只有規(guī)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(xué)生合作學(xué)習(xí)的主要方式，但課堂上教師一般把問題丟給學(xué)生，讓學(xué)生自己討論，致使討論很難進行。問題產(chǎn)生的原因是討論前學(xué)生缺乏自主學(xué)習(xí)的動力，沒有充分準備，問題設(shè)計缺乏啟發(fā)性、生成性，很難引起學(xué)生的興趣和思維碰撞。

總之，在案例教學(xué)中，教師忽視了學(xué)生的主體作用，不是以學(xué)生為中心設(shè)計教學(xué)過程，致使案例教學(xué)不能有效開展。

二、以學(xué)生為中心的案例教學(xué)及特點

以學(xué)生為中心的案例教學(xué)就是強調(diào)在案例教學(xué)過程中，要從學(xué)生的學(xué)習(xí)實際出發(fā)，根據(jù)學(xué)生的認知規(guī)律和技能形成規(guī)律選擇教學(xué)案例，引導(dǎo)學(xué)生積極參與案例實踐，學(xué)習(xí)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(xùn)練技能，提高專業(yè)技能和職業(yè)能力。以學(xué)生為中心的3D打印技術(shù)基礎(chǔ)訓(xùn)練案例教學(xué)具有以下特點。

（一）突出學(xué)生主體性和學(xué)習(xí)實踐性

以學(xué)生為中心的3D打印技術(shù)基礎(chǔ)訓(xùn)練案例教學(xué)強調(diào)學(xué)生的主體性和學(xué)生學(xué)習(xí)過程的實踐性，學(xué)生的主體性在案例教學(xué)中主要體現(xiàn)在三個方面。

第一，學(xué)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(xué)習(xí)手機殼的設(shè)計，學(xué)生要進入設(shè)計師角色，了解具體工作任務(wù)，利用UG8.0三維設(shè)計軟件打造一款雙色手機外殼，再和同學(xué)一起研究設(shè)計操作步驟。

第二，學(xué)生一般以小組學(xué)習(xí)的方式參與案例實踐和研討。雖然是教師引導(dǎo)學(xué)習(xí)活動，但學(xué)生主要以工作中的身份參與，自己發(fā)現(xiàn)問題，與同學(xué)一起探究問題，直指問題的解決。在用UG設(shè)計方法創(chuàng)建手機殼底板時，對如何拉伸產(chǎn)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(dǎo)，引導(dǎo)學(xué)生討論或者試驗，以小組探究學(xué)習(xí)的形式解決問題。

第三，學(xué)生的案例學(xué)習(xí)過程，主要是通過他們自己動手、動腦，感悟知識和技術(shù)，總結(jié)技能和方法，這一總結(jié)、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(xué)過程中學(xué)生主體性與教學(xué)實踐性的結(jié)合。

（二）強調(diào)客觀真實性和案例的綜合性

3D打印技術(shù)基礎(chǔ)訓(xùn)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(nèi)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(xué)的真實性和復(fù)雜性。學(xué)生要在真實環(huán)境中，在規(guī)范的操作中，根據(jù)自己的感受、體驗和理解，發(fā)現(xiàn)知識及意義，訓(xùn)練方法和提高能力。學(xué)習(xí)遙控器電池后蓋的逆向設(shè)計，直觀來看學(xué)生是在學(xué)習(xí)遙控器電池后蓋的逆向設(shè)計與打印的UG設(shè)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(zhí)行視圖可視化光柵圖像等一系列技能，并且在設(shè)計和打印中理解了逆向設(shè)計的含義和價值，幫助學(xué)生形成逆向思維的思想方法。

（三）重視教學(xué)的啟發(fā)性和互動的多元性

3D打印技術(shù)基礎(chǔ)訓(xùn)練案例教學(xué)過程實際是教師的啟發(fā)推動、學(xué)生的自主探究、學(xué)生的思維碰撞共同完成的。教師的啟發(fā)推動首先體現(xiàn)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(fā)學(xué)生的求知欲，啟動學(xué)生的自主學(xué)習(xí)活動。其次體現(xiàn)教師的因勢利導(dǎo)，發(fā)現(xiàn)問題，引起學(xué)生的討論，并把研究引向深入。學(xué)生的自主探究是整個學(xué)習(xí)活動的基礎(chǔ)，沒有高質(zhì)量的自主學(xué)習(xí)，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(xué)生三方的個體交往，還有教師或師傅與學(xué)生群體的交流，以及學(xué)生之間的多元的互動，會有效地推動案例教學(xué)的進程。

三、以學(xué)生為中心的案例教學(xué)實踐

開展以學(xué)生為中心的案例教學(xué)設(shè)計，一定要堅持以學(xué)生為中心考慮教學(xué)目標、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段等諸多因素，一定要選擇具有典型意義的案例，讓學(xué)生在動手操作中感悟知識、訓(xùn)練技能、增長智慧。

（一）以學(xué)生為中心的案例教學(xué)策略

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

1.案例選擇策略

案例是學(xué)生學(xué)習(xí)知識、學(xué)習(xí)技能、提高能力、增長智慧的載體，也是教師傳道、授業(yè)、解惑的平臺?？梢姲咐龖?yīng)該具有訓(xùn)練技能、生成知識，以及舉一反三的作用。因此，案例教學(xué)所選擇的案例必須具有典型性，這樣才能生成、發(fā)散和擴展。如，教學(xué)案例中用Pro/Engineer軟件進行彈簧的設(shè)計與打印。首先，案例的操作可以使學(xué)生學(xué)會用Pro/Engineer軟件建立實體文件、創(chuàng)建彈簧上端蓋、彈簧上拉環(huán)、彈簧下端蓋、彈簧主體，以及導(dǎo)出與檢測STL文件的方法。其次，在用軟件建模的操作中，學(xué)生也熟悉各種指令，并且掌握了插入、旋轉(zhuǎn)掃描、伸出項等專業(yè)術(shù)語。更重要的是學(xué)生還感悟到：對于一些封閉、半封閉的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，3D打印技術(shù)可以進行快速的成型制造。可見，選擇案例要堅持以學(xué)生為中心，根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)特點選擇易于學(xué)生感受，便于學(xué)生操作的典型案例。

2.自學(xué)指導(dǎo)策略

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

3.小組研討策略

學(xué)生學(xué)習(xí)主體作用的發(fā)揮還在于學(xué)生團隊的合作學(xué)習(xí)。3D打印技術(shù)基礎(chǔ)訓(xùn)練案例教學(xué)是在以學(xué)生為中心的教育理論指導(dǎo)下，教師帶領(lǐng)學(xué)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(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)知識、積累經(jīng)驗，并且通過學(xué)生之間的問題討論和觀點碰撞，從而達到構(gòu)建理論知識和啟迪思維智慧的目的。面對同樣的設(shè)計與打印的問題，每個學(xué)生都有自己的見解和解決問題的辦法，一方面他想發(fā)表自己的見解，期望得到同學(xué)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(xué)習(xí)或者全班的討論，推動合作學(xué)習(xí)。

（二）以學(xué)生為中心的案例教學(xué)過程

以學(xué)生為中心的案例教學(xué)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(shè)計與打印教學(xué)為例，探究以學(xué)生為中心的案例教學(xué)課堂結(jié)構(gòu)和教學(xué)過程。

1.案例選擇

選擇案例是案例教學(xué)的第一步，是案例教學(xué)能否成功的關(guān)鍵。曹明遠、申云波主編的《3D設(shè)計與打印實訓(xùn)教程（機械制造）》選擇的案例“七巧板的設(shè)計與打印”就很恰當(dāng)。首先，七巧板是學(xué)生十分熟悉的、頗感興趣的智力玩具。學(xué)生看到制作精美的七巧板，必然會興趣盎然，投入到設(shè)計和3D打印任務(wù)。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(shè)計七巧板圖形包含所應(yīng)用到UG 8.0 創(chuàng)建的基本繪圖與建模技能，學(xué)生在操作中獲得基本方法。再次，利用UG 8.0設(shè)計和打印七巧板比較簡單，但也是可生成的，由此可以使學(xué)生拓展到無支撐填充實體的設(shè)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(xué)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(shè)計軟件，通過拉伸等命令，設(shè)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(wù)。在完成具體工作任務(wù)時，出現(xiàn)操作困難或產(chǎn)生疑問時，學(xué)習(xí)小組或全班同學(xué)進行知識、技能、技術(shù)的學(xué)習(xí)，以及更深層次的研討。這是案例教學(xué)的主要環(huán)節(jié)，是教學(xué)重點和難點。首先，要引導(dǎo)學(xué)生分析七巧板的幾何結(jié)構(gòu)，然后通過小組討論制定設(shè)計七巧板的計劃，制定具體工作步驟。也就是草圖的創(chuàng)建、大三角形的模型創(chuàng)建、中三角形的模型創(chuàng)建、小三角形的模型創(chuàng)建、正方形的模型創(chuàng)建、平行四邊形模型的創(chuàng)建、底座模型的創(chuàng)建，以及STL的導(dǎo)出與檢測等8個步驟。圖形雖然不同但聯(lián)系密切，操作技能則大同小異。應(yīng)該重點解決草圖的創(chuàng)建、大三角形的創(chuàng)建和STL格式模型的導(dǎo)出與檢測。這三點要求學(xué)生在自主學(xué)習(xí)或觀看微課的基礎(chǔ)上，抓住關(guān)鍵問題組織討論。如，討論在系統(tǒng)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(xué)生初中知識基礎(chǔ)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(nèi)容的學(xué)習(xí)。

4.案例評價與拓展

這里所謂評價與拓展，本質(zhì)上是以評價的形式對上一環(huán)節(jié)的實踐和討論做理性的思考、反思、總結(jié)和擴展應(yīng)用。讓學(xué)生反思學(xué)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(shè)計與打印。

總之，開展以學(xué)生為中心的案例教學(xué)，有利于提高3D打印技術(shù)基礎(chǔ)訓(xùn)練的學(xué)業(yè)成績，有利于提高學(xué)生的專業(yè)能力、創(chuàng)新能力和綜合素養(yǎng)，也有利于提高教師的專業(yè)化水平，值得我們進一步探究和實踐。

[基金項目：此文系廣東教育學(xué)會2021年度教育科研規(guī)劃小課題“中職《3D打印技術(shù)》案例教學(xué)研究”編號：（GDKXKT 26725）的研究成果。]