PBL在3D打印成型工艺课程教学中的应用研究

丁国华 梁莉蒙 王永霞

（蚌埠学院机械与车辆工程学院 安徽·蚌埠 233030）

0 引言

从基于问题的学习法（PBL）的各种定义中，最常见的定义是一种由学生驱动的教学法，学生可以通过解决与教学任务有关的开放式问题的经验来完成学习任务。PBL采用解决实际工程问题去激发学生主动学习概念和原理，而不是通过课堂讲授以传统的方式直接陈述事实和概念。PBL流程不仅专注于使用已确定的解决方案解决问题，而且还允许开发其他所需的技能和特性，如知识获取能力、团队协作和沟通能力等。尽管听起来像陈词滥调，但它能有效地鼓励学生学习如何学习。PBL学习过程中，每个学生在小组中承担一定的任务，在项目轮换时其任务也会随之变化，学生能从反思和推理中构建自己的学习。PBL教学过程中，教师的作用是通过支持、指导和监控学生学习过程从而达到促进学习的目的。教师必须鼓励学生，建立学生解决问题的信心，同时也要扩展他们对问题的理解。在PBL教学中，通常由学生决定他们需要学什么，然后教师要以最适当的方式传授所需的知识。

3D打印成型设计是一种特殊的设计技术，为使3D增材制造的优势尽可能发挥出来，目前该技术仍不断地改进和发展。对于工程师来说，采用3D打印成型技术进行零件设计和生产，既是机遇也是挑战。3D打印成型技术可以制造结构复杂的零部件，与传统制造方法不同，它不需太多考虑工艺方面的问题。而且工程师可以有机会创造更多更新的设计，以适应更大范围的市场、不同的目标客户群体甚至个人客户量身定制产品。

虽然3D打印成型消除了传统制造业的许多约束，但它也提出了一些新的要求。因此，在3D打印成型设计时，工程师需要改变设计方法，学习适合3D打印成型的新设计技术。传统制造的设计准则和规则规定一般要求零件形状应尽可能简单，并考虑诸如分型面、拔模斜度和壁厚等详细制造过程。许多设计师都接受过这样的教育和训练，这是他们所学的或工作的基础。而3D打印成型的设计带来了根本性的变化，大量的新的设计指南正在慢慢进入工业实践，新的概念化和详细设计可能会受到传统制造工艺的限制，阻碍3D打印成型设计自由的充分发挥。本课程面向本科生开设的，因为这些学生有基本的设计知识来了解3D打印成型的优势，更重要的是他们的思维模式还没有被传统制造工艺的局限所强烈地支配。因此，现在正是传递3D打印成型设计知识的最佳时机。

实际上，很多高校都开设了一些3D打印成型的课程。与已经存在的课程相比，我们所开设的课程是将基于问题的学习方法（PBL）的理论引入到3D打印成型教学中，本文详细描述了PBL模式下课程的教学设计，并与传统教学模式相对比，研究了学生的学习成效。

1 教学设计

3D打印成型设计课程于2018年春季学期开始开设，以后每年重复一次。图1显示了课程的时间表。横坐标上绘制课堂讲授内容，其中大部分是显性知识的转移。在纵坐标上，绘制了项目的阶段。在团队项目中，隐性知识被传递。在进程中，授课内容和团队项目的状态相辅相成，项目实施与课程学习并行启动。在介绍性课程（引言）之后，学生们收到了关于3D领域中三个最重要的加工工艺过程的学习。然后在相关增材制造企业实地参观中得到三种工艺在工业实践中的进一步认知。在接下来的课程中，学生们不断地收到关于他们当前项目状态的相关主题的学习，如：设计原理、数据处理及其软件、3D打印产品的质量、材料的微观结构等。每节课结束时，学生们都会对3D打印的相关能力和局限性有新的认识。

2 教学效果评估及方法

本文的研究对象是我校材料成型及控制工程专业2015级和2016级学生，其中2015级的42名学生作为对照组采用传统课堂授课模式，而2016级的53名学生作为试验组采用PBL模式（在后期数据分析时，将随机从中选取42名学生的资料与2015级的42名学生进行对比分析）。两组学生在学习本课程前的相关资料（如：二者的培养方案、学习成绩、性别等）比较，差异无统计学意义（P＞0.05）。

采用传统课堂授课方式对2015级学生进行集中授课，主要讲解3D打印的分类、前和后处理工艺及关键技术等。而对于2016级学生，其教学设计如下：（1）提出问题：采用3D打印典型的应用，例如航空航天、建筑、医疗、艺术等不同领域，对重要内容进行详细分析。针对学生提出的问题，授课老师通过指导的方式，让学生学会收集各种工程应用信息。（2）检索、整理和分析文献：授课老师根据在教学应用中存在的问题，要求学生查阅相关的资料和搜索数据库（Springlink，中国知网等），将总结出来的文献应用到工程示例中。（3）制备3D打印模型：利用CAD等软件或逆向工程获得模型数据，然后进行三维重建并应用3D打印技术打印出构件或零件。（4）小组讨论：根据总人数，随机分为6组，每组安排7人左右，进行小组讨论，各组成员需要安排代表演讲摘要，指导老师根据学生讨论的内容，收集资料和3D打印，最终形成工程应用的评估方案，帮助学生找出并制定最佳的3D打印方案，指导学生操作3D打印机和实施模型。

图1：课程进程时间表

表1：两组学生期末考核成绩比较

表2：两组学生对各自教学方法实施效果的评价

教学效果评估最终采用两种方式，分别是期末评估和问卷调查。评估的内容主要包括三个方面，分别是理论知识，3D打印操作技能和创新思维，总分100分，三者分值各占比40%、30%和30%。该问卷以匿名方式分发给学生，问卷的主要内容包括提高学生的3D打印理论知识和基本技能，提高学生的积极性和自学能力，增强学生的创造性，培养学生的兴趣、热情和沟通技巧，以及对教学的满意度。评估最终由未参加授课的老师进行评估，分为三个级别：无，一般和明显，分别为0、1和2。

采用SPSS统计软件对数据进行分析，计数资料采用频数和百分比表示，计量资料用（±s）表示。采用t检验分析两组独立样本的理论知识、3D打印操作技能、创新思维和调查问卷等方面的差异。

3 结果分析与讨论

3D打印的过程内容十分复杂而广泛，涉及很多学科主题，例如材料，物理，化学和计算机等要求学生掌握较好的CAD知识及材料性能相关知识，需具有一定机电、材料成型控制等基本技能的基础上才能顺利开展工件或零件的成型实践。因此，良好的工程课程教学质量需要与良好的教学模式相匹配。在传统的教学方式中，虽然也能够完整系统地解释学科知识，但是学生积极性相对不高，缺乏学习兴趣，这不利于学生创新思维的培养。现今，在信息化时代，各个学科的知识都在不断的更新与完善。在这种环境下，传统的课堂教学模式已经无法适应当前信息化时代的要求。回到学科专业上，材料成型与控制工程专业对学生的要求主要体现在接受能力方面，着重提高创新能力和培养学生独立解决问题的能力。两组学生的期末考试成绩比较如表1所示。实验组学生三者测试分数均高于对照组，差异具有统计学意义（P<0.05）。实验组学生的最终评估成绩也明显高于对照组（P＜0.05）。

在PBL的教学过程中，课程的教学与学生的学习和应用并行启动。试验组团队对3D打印部件的潜在概念进行了头脑风暴。他们发现或发明的某个部件，如“大型野生动物GPS发射器的固定装置”。在项目实施过程中，各小组分工合作，其中一组首先开发了一个设计原型，另外几组各自开发了FDM原型、SLM原型和SLS原型。通过设计原型，学生们充分展示了他们对3D打印概念的理解。在原型的改进过程中，学生又不断加深了对相关知识的理解深度和广度，同时自主学习和团队沟通能力逐步得到提升。两组学生对各自教学方法实施效果的评价问卷调查结果如表2所示，试验组在提升理论知识、提升基本操作技能、提升创新思维、提高专业课学习兴趣和积极性、提升学习能力以及对教学满意度等6方面具有绝对的优势，差异具有统计学意义（P＜0.05）。两组问卷调查显示试验组总体效果评价也高于对照组（P＜0.05）。

本次教学结果显示，通过某种产品开发和应用，从课堂授课过程获得关于3D打印相关的基本概念、理论等知识。引导学生通过团队项目的实施，获取3D打印流程中其他方面的隐性知识，逐步加深了学生对概念、设计、数据准备和后期处理等方面的见解，体验了整个生产制造流程。通过应用PBL，学生成功地开发了对工程师很重要的技能，特别是在产品开发领域。在最后的教学验收阶段，所有团队都能够成功地设计和制造3D打印部件。另一方面，学生现在有能力在工业中实施和培养先进制造技术，创造附加价值。而且学生能够运用团队的力量解决问题，这在当今高度技术化的世界中，对工程师很重要。此外，在项目实施过程中，导师还收到了学生的一些积极反馈，积累了第一手信息，以进一步改进课程的教学方法，进一步增强了教学的活力。