以学生为中心的3D打印技术基础训练案例教学

罗凤微

3D打印技术基础训练是近几年中职院校模具制造技术专业新开发的一门专业技能课程。3D打印与制造技术是以3D数字模型为基础，通过逐层打印可粘平台的材料（包括塑料、金属、生物材料等）来构造产品的技术，广泛应用在汽车、航空航天、工业设计等工业生产领域，甚至应用在珠宝、教育、科研和医疗领域。开设3D打印技术基础训练课程意在使学生理解3D打印软件的相关基础知识，掌握3D打印操作的专业技能，提升学生的创新能力和实践能力。研究表明，坚持以学生为中心，采取案例教学方法可以有效开展3D打印技术基础训练的教学。

一、3D打印技术基础教学问题及归因

（一）案例教学与3D打印技术基础训练

案例教学是教师借助具体案例引导学生在阅读案例或经历案例、讨论案例和拓展案例中进行互动与交流，从而感受知识、经历知识的形成过程，获得知识、技能和方法的一种“做中教、做中學”的教学活动。可见，案例教学也是一种开放的、互动的新型教学方式。

3D打印技术基础训练课程尤其适合案例教学。这首先是因为3D打印技术基础训练是一门理论与实际结合、训练与创新并举的技能课程。学生主要是通过具体案例了解 3D 打印技术的概念和原理，认识 3D 打印机，设计并打印实物。教师带领学生利用UG8.0三维设计软件，运用拉伸等命令，设计制作七巧板，来学习无支撑填充实体的设计与打印。引导学生用三维设计软件Pro/Engineer5.0和3D打印机设计和制造小镊子，来获得有支撑填充实体的设计与打印技术。3D打印技术基础训练的自身特点决定了其教学必然采用案例教学法。其次，中职学生也比较适合案例教学法，案例来自生活和生产实践，真实生动。中职学生初中基础差，不善于逻辑思维，但想象力比较强，特别是动作思维很好，用案例教学法恰好可以扬长避短，长善救失。

（二）开展案例教学的问题及归因

很多教师都在专业课教学中运用了案例教学法，但仍未持之以恒，形成常态。 为此我们深入课堂了解实际情况，归因如下。

首先，案例选择不恰当。案例是案例教学的载体，要做到简单、真实、典型，具有举一反三、触类旁通的作用。但是观察案例教学课堂，案例选择不能从生活中的简单东西入手，不是从学生喜欢的东西入手，而是选择新奇的、华丽的、复杂的案例。这样学生兴趣不高，案例教学难以有效开展。

其次，案例操作不规范。学生操作比较随便，不按规范操作，影响技术提高和专业技能的形成。这一方面是教师的示范操作问题，另一方面是设备问题、材料问题、课室问题。案例操作是教学的关键，学生是在操作中感悟知识，形成技能的。严格地说，只有规范的操作才能生成知识，提高技能。

再次，案例讨论不深刻。案例分析讨论是学生合作学习的主要方式，但课堂上教师一般把问题丢给学生，让学生自己讨论，致使讨论很难进行。问题产生的原因是讨论前学生缺乏自主学习的动力，没有充分准备，问题设计缺乏启发性、生成性，很难引起学生的兴趣和思维碰撞。

总之，在案例教学中，教师忽视了学生的主体作用，不是以学生为中心设计教学过程，致使案例教学不能有效开展。

二、以学生为中心的案例教学及特点

以学生为中心的案例教学就是强调在案例教学过程中，要从学生的学习实际出发，根据学生的认知规律和技能形成规律选择教学案例，引导学生积极参与案例实践，学习案例的操作程序和方法，积极展开小组交流与合作，感悟知识，训练技能，提高专业技能和职业能力。以学生为中心的3D打印技术基础训练案例教学具有以下特点。

（一）突出学生主体性和学习实践性

以学生为中心的3D打印技术基础训练案例教学强调学生的主体性和学生学习过程的实践性，学生的主体性在案例教学中主要体现在三个方面。

第一，学生主动参与到案例中来，深入案例情境，体验案例角色，把握案例的具体操作过程。如，学习手机壳的设计，学生要进入设计师角色，了解具体工作任务，利用UG8.0三维设计软件打造一款双色手机外壳，再和同学一起研究设计操作步骤。

第二，学生一般以小组学习的方式参与案例实践和研讨。虽然是教师引导学习活动，但学生主要以工作中的身份参与，自己发现问题，与同学一起探究问题，直指问题的解决。在用UG设计方法创建手机壳底板时，对如何拉伸产生异议，如何选择距离和方向成为讨论的焦点。这时教师可以因势利导，引导学生讨论或者试验，以小组探究学习的形式解决问题。

第三，学生的案例学习过程，主要是通过他们自己动手、动脑，感悟知识和技术，总结技能和方法，这一总结、感悟，感性认识到理性认识的升华必须由他们自己完成。这也是案例教学过程中学生主体性与教学实践性的结合。

（二）强调客观真实性和案例的综合性

3D打印技术基础训练的案例都是真实的、客观的。一方面这种案例是具体的、生动的，承载着事物最根本、最重要的属性，内涵丰富;另一方面它也是综合的，包含着认识过程、操作过程和思维过程。案例的真实性和综合性决定了案例教学的真实性和复杂性。学生要在真实环境中，在规范的操作中，根据自己的感受、体验和理解，发现知识及意义，训练方法和提高能力。学习遥控器电池后盖的逆向设计，直观来看学生是在学习遥控器电池后盖的逆向设计与打印的UG设计方法和步骤，但是它包含着智能手机搜集材料、选择模型、执行视图可视化光栅图像等一系列技能，并且在设计和打印中理解了逆向设计的含义和价值，帮助学生形成逆向思维的思想方法。

（三）重视教学的启发性和互动的多元性

3D打印技术基础训练案例教学过程实际是教师的启发推动、学生的自主探究、学生的思维碰撞共同完成的。教师的启发推动首先体现在案例的选择，教师只有选择简单、有趣、典型的案例，才能激发学生的求知欲，启动学生的自主学习活动。其次体现教师的因势利导，发现问题，引起学生的讨论，并把研究引向深入。学生的自主探究是整个学习活动的基础，没有高质量的自主学习，就没有良好的小组合作，没有讨论的深刻性。案例讨论不只是寻找正确答案，更在于独立思考、合作探究，提高思维能力。在案例研究中，教师、师傅与学生三方的个体交往，还有教师或师傅与学生群体的交流，以及学生之间的多元的互动，会有效地推动案例教学的进程。

三、以学生为中心的案例教学实践

开展以学生为中心的案例教学设计，一定要坚持以学生为中心考虑教学目标、教学内容、教学方法、教学手段等诸多因素，一定要选择具有典型意义的案例，让学生在动手操作中感悟知识、训练技能、增长智慧。

（一）以学生为中心的案例教学策略

教学策略是为达成教学目标所采取的系列方法的系统行为，是解决教学问题的方法、技术的操作原则。以学生为中心的案例教学策略必须充分考虑“学生中心”和“案例”这两个基本因素。

1.案例选择策略

案例是学生学习知识、学习技能、提高能力、增长智慧的载体，也是教师传道、授业、解惑的平台。可见案例应该具有训练技能、生成知识，以及举一反三的作用。因此，案例教学所选择的案例必须具有典型性，这样才能生成、发散和扩展。如，教学案例中用Pro/Engineer软件进行弹簧的设计与打印。首先，案例的操作可以使学生学会用Pro/Engineer软件建立实体文件、创建弹簧上端盖、弹簧上拉环、弹簧下端盖、弹簧主体，以及导出与检测STL文件的方法。其次，在用软件建模的操作中，学生也熟悉各种指令，并且掌握了插入、旋转扫描、伸出项等专业术语。更重要的是学生还感悟到：对于一些封闭、半封闭的复杂结构，3D打印技术可以进行快速的成型制造。可见，选择案例要坚持以学生为中心，根据学生的学习特点选择易于学生感受，便于学生操作的典型案例。

2.自学指导策略

以学生为中心的案例教学的主体是学生。学生的自主学习是贯穿于整个案例教学过程的。实践说明学生主体作用的发挥有赖于教师的引导、点拨和推动。自主学习的启动是教师以任务描述的形式布置任务的结果，自主学习的步骤是教师引导文的指引。如车床大滑板手轮的逆向设计与打印，教师可以这样引导学生自主学习。首先要求学生明确，要通过车床大滑板手轮的操作案例，学习使用三维光学扫描的逆向设计与打印。其次要明确定制逆向设计流程：采集数据点云数据处理面片处理逆向建模3D打印。在这一过程中，学生不是机械地学习，而是有所发现、有所感悟，这就生成了知识和技能。子云：“不愤不启，不悱不发”。教师创设愤悱之境，引而不发，是引导学生自主学习的最高境界。

3.小组研讨策略

学生学习主体作用的发挥还在于学生团队的合作学习。3D打印技术基础训练案例教学是在以学生为中心的教育理论指导下，教师带领学生团队通过描述案例、实践案例、研究案例、拓展案例的过程，引导学生发现知识、积累经验，并且通过学生之间的问题讨论和观点碰撞，从而达到构建理论知识和启迪思维智慧的目的。面对同样的设计与打印的问题，每个学生都有自己的见解和解决问题的办法，一方面他想发表自己的见解，期望得到同学的支持和鼓励;另一方面他也想要看到别人的观点和方法，希望得到启示和借鉴，完善自己的方案。这就需要教师开展小组学习或者全班的讨论，推动合作学习。

（二）以学生为中心的案例教学过程

以学生为中心的案例教学过程一般包括案例的选择与描述、案例的操作与讨论，以及案例的评价与拓展。下面以无支撑填充实体的设计与打印教学为例，探究以学生为中心的案例教学课堂结构和教学过程。

1.案例选择

选择案例是案例教学的第一步，是案例教学能否成功的关键。曹明远、申云波主编的《3D设计与打印实训教程（机械制造）》选择的案例“七巧板的设计与打印”就很恰当。首先，七巧板是学生十分熟悉的、颇感兴趣的智力玩具。学生看到制作精美的七巧板，必然会兴趣盎然，投入到设计和3D打印任务。其次，七巧板包含了三角形、正方形和平行四边形等基本图形，设计七巧板图形包含所应用到UG 8.0 创建的基本绘图与建模技能，学生在操作中获得基本方法。再次，利用UG 8.0设计和打印七巧板比较简单，但也是可生成的，由此可以使学生拓展到无支撑填充实体的设计与打印。

2.案例描述

案例描述要简单扼要、层次清楚，不能信息不准确、要求不明确。这个案例可以这样描述：同学们，七巧板是我们熟悉的、流传久远的智力玩具，请你们利用UG 8.0三维设计软件，通过拉伸等命令，设计一款七巧板。

3.案例操作与讨论

案例操作是指按要求完成案例的具体工作任务。在完成具体工作任务时，出现操作困难或产生疑问时，学习小组或全班同学进行知识、技能、技术的学习，以及更深层次的研讨。这是案例教学的主要环节，是教学重点和难点。首先，要引导学生分析七巧板的几何结构，然后通过小组讨论制定设计七巧板的计划，制定具体工作步骤。也就是草图的创建、大三角形的模型创建、中三角形的模型创建、小三角形的模型创建、正方形的模型创建、平行四边形模型的创建、底座模型的创建，以及STL的导出与检测等8个步骤。图形虽然不同但联系密切，操作技能则大同小异。应该重点解决草图的创建、大三角形的创建和STL格式模型的导出与检测。这三点要求学生在自主学习或观看微课的基础上，抓住关键问题组织讨论。如，讨论在系统默认草绘XOY平面下，如何按七巧板的图案将正方形分为7块。中职学生初中知识基础差，这个图形的绘制对他们而言比较有难度，有讨论的必要。类似地，完成整个内容的学习。

4.案例评价与拓展

这里所谓评价与拓展，本质上是以评价的形式对上一环节的实践和讨论做理性的思考、反思、总结和扩展应用。让学生反思学到哪些知识和技能，可以解决什么问题，然后举一反三去解决类似的问题，也就是无支撑填充实体的设计与打印。

总之，开展以学生为中心的案例教学，有利于提高3D打印技术基础训练的学业成绩，有利于提高学生的专业能力、创新能力和综合素养，也有利于提高教师的专业化水平，值得我们进一步探究和实践。

[基金项目：此文系广东教育学会2021年度教育科研规划小课题“中职《3D打印技術》案例教学研究”编号：（GDKXKT 26725）的研究成果。]