丁國華 梁莉蒙 王永霞

（蚌埠學(xué)院機(jī)械與車輛工程學(xué)院 安徽·蚌埠 233030）

0 引言

從基于問題的學(xué)習(xí)法（PBL）的各種定義中，最常見的定義是一種由學(xué)生驅(qū)動的教學(xué)法，學(xué)生可以通過解決與教學(xué)任務(wù)有關(guān)的開放式問題的經(jīng)驗(yàn)來完成學(xué)習(xí)任務(wù)。PBL采用解決實(shí)際工程問題去激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)概念和原理，而不是通過課堂講授以傳統(tǒng)的方式直接陳述事實(shí)和概念。PBL流程不僅專注于使用已確定的解決方案解決問題，而且還允許開發(fā)其他所需的技能和特性，如知識獲取能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作和溝通能力等。盡管聽起來像陳詞濫調(diào)，但它能有效地鼓勵學(xué)生學(xué)習(xí)如何學(xué)習(xí)。PBL學(xué)習(xí)過程中，每個學(xué)生在小組中承擔(dān)一定的任務(wù)，在項(xiàng)目輪換時其任務(wù)也會隨之變化，學(xué)生能從反思和推理中構(gòu)建自己的學(xué)習(xí)。PBL教學(xué)過程中，教師的作用是通過支持、指導(dǎo)和監(jiān)控學(xué)生學(xué)習(xí)過程從而達(dá)到促進(jìn)學(xué)習(xí)的目的。教師必須鼓勵學(xué)生，建立學(xué)生解決問題的信心，同時也要擴(kuò)展他們對問題的理解。在PBL教學(xué)中，通常由學(xué)生決定他們需要學(xué)什么，然后教師要以最適當(dāng)?shù)姆绞絺魇谒璧闹R。

3D打印成型設(shè)計(jì)是一種特殊的設(shè)計(jì)技術(shù)，為使3D增材制造的優(yōu)勢盡可能發(fā)揮出來，目前該技術(shù)仍不斷地改進(jìn)和發(fā)展。對于工程師來說，采用3D打印成型技術(shù)進(jìn)行零件設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，既是機(jī)遇也是挑戰(zhàn)。3D打印成型技術(shù)可以制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零部件，與傳統(tǒng)制造方法不同，它不需太多考慮工藝方面的問題。而且工程師可以有機(jī)會創(chuàng)造更多更新的設(shè)計(jì)，以適應(yīng)更大范圍的市場、不同的目標(biāo)客戶群體甚至個人客戶量身定制產(chǎn)品。

雖然3D打印成型消除了傳統(tǒng)制造業(yè)的許多約束，但它也提出了一些新的要求。因此，在3D打印成型設(shè)計(jì)時，工程師需要改變設(shè)計(jì)方法，學(xué)習(xí)適合3D打印成型的新設(shè)計(jì)技術(shù)。傳統(tǒng)制造的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和規(guī)則規(guī)定一般要求零件形狀應(yīng)盡可能簡單，并考慮諸如分型面、拔模斜度和壁厚等詳細(xì)制造過程。許多設(shè)計(jì)師都接受過這樣的教育和訓(xùn)練，這是他們所學(xué)的或工作的基礎(chǔ)。而3D打印成型的設(shè)計(jì)帶來了根本性的變化，大量的新的設(shè)計(jì)指南正在慢慢進(jìn)入工業(yè)實(shí)踐，新的概念化和詳細(xì)設(shè)計(jì)可能會受到傳統(tǒng)制造工藝的限制，阻礙3D打印成型設(shè)計(jì)自由的充分發(fā)揮。本課程面向本科生開設(shè)的，因?yàn)檫@些學(xué)生有基本的設(shè)計(jì)知識來了解3D打印成型的優(yōu)勢，更重要的是他們的思維模式還沒有被傳統(tǒng)制造工藝的局限所強(qiáng)烈地支配。因此，現(xiàn)在正是傳遞3D打印成型設(shè)計(jì)知識的最佳時機(jī)。

實(shí)際上，很多高校都開設(shè)了一些3D打印成型的課程。與已經(jīng)存在的課程相比，我們所開設(shè)的課程是將基于問題的學(xué)習(xí)方法（PBL）的理論引入到3D打印成型教學(xué)中，本文詳細(xì)描述了PBL模式下課程的教學(xué)設(shè)計(jì)，并與傳統(tǒng)教學(xué)模式相對比，研究了學(xué)生的學(xué)習(xí)成效。

1 教學(xué)設(shè)計(jì)

3D打印成型設(shè)計(jì)課程于2018年春季學(xué)期開始開設(shè)，以后每年重復(fù)一次。圖1顯示了課程的時間表。橫坐標(biāo)上繪制課堂講授內(nèi)容，其中大部分是顯性知識的轉(zhuǎn)移。在縱坐標(biāo)上，繪制了項(xiàng)目的階段。在團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目中，隱性知識被傳遞。在進(jìn)程中，授課內(nèi)容和團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目的狀態(tài)相輔相成，項(xiàng)目實(shí)施與課程學(xué)習(xí)并行啟動。在介紹性課程（引言）之后，學(xué)生們收到了關(guān)于3D領(lǐng)域中三個最重要的加工工藝過程的學(xué)習(xí)。然后在相關(guān)增材制造企業(yè)實(shí)地參觀中得到三種工藝在工業(yè)實(shí)踐中的進(jìn)一步認(rèn)知。在接下來的課程中，學(xué)生們不斷地收到關(guān)于他們當(dāng)前項(xiàng)目狀態(tài)的相關(guān)主題的學(xué)習(xí)，如：設(shè)計(jì)原理、數(shù)據(jù)處理及其軟件、3D打印產(chǎn)品的質(zhì)量、材料的微觀結(jié)構(gòu)等。每節(jié)課結(jié)束時，學(xué)生們都會對3D打印的相關(guān)能力和局限性有新的認(rèn)識。

2 教學(xué)效果評估及方法

本文的研究對象是我校材料成型及控制工程專業(yè)2015級和2016級學(xué)生，其中2015級的42名學(xué)生作為對照組采用傳統(tǒng)課堂授課模式，而2016級的53名學(xué)生作為試驗(yàn)組采用PBL模式（在后期數(shù)據(jù)分析時，將隨機(jī)從中選取42名學(xué)生的資料與2015級的42名學(xué)生進(jìn)行對比分析）。兩組學(xué)生在學(xué)習(xí)本課程前的相關(guān)資料（如：二者的培養(yǎng)方案、學(xué)習(xí)成績、性別等）比較，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。

采用傳統(tǒng)課堂授課方式對2015級學(xué)生進(jìn)行集中授課，主要講解3D打印的分類、前和后處理工藝及關(guān)鍵技術(shù)等。而對于2016級學(xué)生，其教學(xué)設(shè)計(jì)如下：（1）提出問題：采用3D打印典型的應(yīng)用，例如航空航天、建筑、醫(yī)療、藝術(shù)等不同領(lǐng)域，對重要內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)分析。針對學(xué)生提出的問題，授課老師通過指導(dǎo)的方式，讓學(xué)生學(xué)會收集各種工程應(yīng)用信息。（2）檢索、整理和分析文獻(xiàn)：授課老師根據(jù)在教學(xué)應(yīng)用中存在的問題，要求學(xué)生查閱相關(guān)的資料和搜索數(shù)據(jù)庫（Springlink，中國知網(wǎng)等），將總結(jié)出來的文獻(xiàn)應(yīng)用到工程示例中。（3）制備3D打印模型：利用CAD等軟件或逆向工程獲得模型數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行三維重建并應(yīng)用3D打印技術(shù)打印出構(gòu)件或零件。（4）小組討論：根據(jù)總?cè)藬?shù)，隨機(jī)分為6組，每組安排7人左右，進(jìn)行小組討論，各組成員需要安排代表演講摘要，指導(dǎo)老師根據(jù)學(xué)生討論的內(nèi)容，收集資料和3D打印，最終形成工程應(yīng)用的評估方案，幫助學(xué)生找出并制定最佳的3D打印方案，指導(dǎo)學(xué)生操作3D打印機(jī)和實(shí)施模型。

圖1：課程進(jìn)程時間表

表1：兩組學(xué)生期末考核成績比較

表2：兩組學(xué)生對各自教學(xué)方法實(shí)施效果的評價

教學(xué)效果評估最終采用兩種方式，分別是期末評估和問卷調(diào)查。評估的內(nèi)容主要包括三個方面，分別是理論知識，3D打印操作技能和創(chuàng)新思維，總分100分，三者分值各占比40%、30%和30%。該問卷以匿名方式分發(fā)給學(xué)生，問卷的主要內(nèi)容包括提高學(xué)生的3D打印理論知識和基本技能，提高學(xué)生的積極性和自學(xué)能力，增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)造性，培養(yǎng)學(xué)生的興趣、熱情和溝通技巧，以及對教學(xué)的滿意度。評估最終由未參加授課的老師進(jìn)行評估，分為三個級別：無，一般和明顯，分別為0、1和2。

采用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計(jì)數(shù)資料采用頻數(shù)和百分比表示，計(jì)量資料用（±s）表示。采用t檢驗(yàn)分析兩組獨(dú)立樣本的理論知識、3D打印操作技能、創(chuàng)新思維和調(diào)查問卷等方面的差異。

3 結(jié)果分析與討論

3D打印的過程內(nèi)容十分復(fù)雜而廣泛，涉及很多學(xué)科主題，例如材料，物理，化學(xué)和計(jì)算機(jī)等要求學(xué)生掌握較好的CAD知識及材料性能相關(guān)知識，需具有一定機(jī)電、材料成型控制等基本技能的基礎(chǔ)上才能順利開展工件或零件的成型實(shí)踐。因此，良好的工程課程教學(xué)質(zhì)量需要與良好的教學(xué)模式相匹配。在傳統(tǒng)的教學(xué)方式中，雖然也能夠完整系統(tǒng)地解釋學(xué)科知識，但是學(xué)生積極性相對不高，缺乏學(xué)習(xí)興趣，這不利于學(xué)生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)?，F(xiàn)今，在信息化時代，各個學(xué)科的知識都在不斷的更新與完善。在這種環(huán)境下，傳統(tǒng)的課堂教學(xué)模式已經(jīng)無法適應(yīng)當(dāng)前信息化時代的要求?；氐綄W(xué)科專業(yè)上，材料成型與控制工程專業(yè)對學(xué)生的要求主要體現(xiàn)在接受能力方面，著重提高創(chuàng)新能力和培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立解決問題的能力。兩組學(xué)生的期末考試成績比較如表1所示。實(shí)驗(yàn)組學(xué)生三者測試分?jǐn)?shù)均高于對照組，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）。實(shí)驗(yàn)組學(xué)生的最終評估成績也明顯高于對照組（P＜0.05）。

在PBL的教學(xué)過程中，課程的教學(xué)與學(xué)生的學(xué)習(xí)和應(yīng)用并行啟動。試驗(yàn)組團(tuán)隊(duì)對3D打印部件的潛在概念進(jìn)行了頭腦風(fēng)暴。他們發(fā)現(xiàn)或發(fā)明的某個部件，如“大型野生動物GPS發(fā)射器的固定裝置”。在項(xiàng)目實(shí)施過程中，各小組分工合作，其中一組首先開發(fā)了一個設(shè)計(jì)原型，另外幾組各自開發(fā)了FDM原型、SLM原型和SLS原型。通過設(shè)計(jì)原型，學(xué)生們充分展示了他們對3D打印概念的理解。在原型的改進(jìn)過程中，學(xué)生又不斷加深了對相關(guān)知識的理解深度和廣度，同時自主學(xué)習(xí)和團(tuán)隊(duì)溝通能力逐步得到提升。兩組學(xué)生對各自教學(xué)方法實(shí)施效果的評價問卷調(diào)查結(jié)果如表2所示，試驗(yàn)組在提升理論知識、提升基本操作技能、提升創(chuàng)新思維、提高專業(yè)課學(xué)習(xí)興趣和積極性、提升學(xué)習(xí)能力以及對教學(xué)滿意度等6方面具有絕對的優(yōu)勢，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。兩組問卷調(diào)查顯示試驗(yàn)組總體效果評價也高于對照組（P＜0.05）。

本次教學(xué)結(jié)果顯示，通過某種產(chǎn)品開發(fā)和應(yīng)用，從課堂授課過程獲得關(guān)于3D打印相關(guān)的基本概念、理論等知識。引導(dǎo)學(xué)生通過團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目的實(shí)施，獲取3D打印流程中其他方面的隱性知識，逐步加深了學(xué)生對概念、設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和后期處理等方面的見解，體驗(yàn)了整個生產(chǎn)制造流程。通過應(yīng)用PBL，學(xué)生成功地開發(fā)了對工程師很重要的技能，特別是在產(chǎn)品開發(fā)領(lǐng)域。在最后的教學(xué)驗(yàn)收階段，所有團(tuán)隊(duì)都能夠成功地設(shè)計(jì)和制造3D打印部件。另一方面，學(xué)生現(xiàn)在有能力在工業(yè)中實(shí)施和培養(yǎng)先進(jìn)制造技術(shù)，創(chuàng)造附加價值。而且學(xué)生能夠運(yùn)用團(tuán)隊(duì)的力量解決問題，這在當(dāng)今高度技術(shù)化的世界中，對工程師很重要。此外，在項(xiàng)目實(shí)施過程中，導(dǎo)師還收到了學(xué)生的一些積極反饋，積累了第一手信息，以進(jìn)一步改進(jìn)課程的教學(xué)方法，進(jìn)一步增強(qiáng)了教學(xué)的活力。