“增材制造技術(shù)”案例教學(xué)及案例庫建設(shè)探討

陳志浩，黃仲佳，劉桐，王邦倫

近年來，增材制造（Additive Manufacturing，AM）技術(shù)在材料成形、機(jī)械制造、醫(yī)療儀器等工業(yè)領(lǐng)域的實用化應(yīng)用日益廣泛，成為當(dāng)前先進(jìn)制造技術(shù)的典型代表［1-2］.AM以材料堆積法為基礎(chǔ)，綜合了數(shù)控電子、機(jī)械工程、計算機(jī)建模、逆向工程和激光加工等技術(shù)，打破了設(shè)計思想和實物原型之間的壁壘，為企業(yè)提供了一種高效、低成本的設(shè)計方案驗證手段和產(chǎn)品開發(fā)模式［3］.

《中國制造2025》（國發(fā)〔2015〕28號）中明確指出，在未來的五年內(nèi)，要將AM技術(shù)愈加廣泛地融入我國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)中去［4］.AM的發(fā)展和應(yīng)用已為企業(yè)帶來了一系列新的人才需求崗位，包括材料成型模具快速制造、新材料研發(fā)、AM設(shè)備研發(fā)或操作、產(chǎn)品造型設(shè)計、AM設(shè)備裝調(diào)銷售及維保等.目前，我國AM技術(shù)相關(guān)的市場規(guī)模正在以每年40%以上的增速快速發(fā)展，據(jù)統(tǒng)計，中國AM技術(shù)應(yīng)用人才需求已達(dá)800萬左右，其中學(xué)校培養(yǎng)僅占37%左右，其余則需要靠企業(yè)自身培養(yǎng)和社會招聘提供［5］.可見，快速發(fā)展的AM技術(shù)已對我國高素質(zhì)人才的教育和培養(yǎng)提出了迫切的需求和要求，正不斷推動國內(nèi)高校相關(guān)科學(xué)研究和專業(yè)教育教學(xué)的發(fā)展與改革.

目前，我國高校在AM領(lǐng)域的課程教學(xué)開設(shè)歷史短，教學(xué)內(nèi)容建設(shè)和開發(fā)尚處在起步階段，在豐富教學(xué)內(nèi)涵、提高教學(xué)質(zhì)量等方面尚有大量潛力可以挖掘［6］.本文旨在探討案例教學(xué)及案例庫建設(shè)在AM技術(shù)課程教學(xué)中的實踐應(yīng)用和建設(shè)思路，為新工科教學(xué)改革實踐提供有益參考.

1 案例教學(xué)的理論基礎(chǔ)

案例教學(xué)法在教學(xué)過程中強(qiáng)調(diào)以接受知識的對象為中心，認(rèn)為學(xué)生才是知識的主動建構(gòu)者，教師則應(yīng)起幫助、指導(dǎo)和促進(jìn)的作用.如何利用各類外界學(xué)習(xí)要素來調(diào)動學(xué)生的主動性和創(chuàng)造性，是達(dá)到學(xué)生自主完成知識建構(gòu)目的的關(guān)鍵.

案例教學(xué)法最早于1870年在哈佛學(xué)院開始應(yīng)用，并在現(xiàn)代教育教學(xué)中得到了廣泛推廣.該法具有開放性、互動性、情景性等特征，在教學(xué)過程中以學(xué)生為中心，在主動發(fā)現(xiàn)和探索過程中獲得并構(gòu)建自身的知識體系，與常規(guī)教學(xué)模式相比更為注重培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力.作為一種新型教學(xué)模式，教師需要在教學(xué)目標(biāo)的基礎(chǔ)上，組織和引導(dǎo)學(xué)生對案例進(jìn)行資料查閱、獨立思辨、分工協(xié)作、研討交流等活動，在分析與解決問題的過程中完成對案例知識點的理解和掌控.而學(xué)生則借助案例來模擬現(xiàn)實，在對案例的情景化、浸入式學(xué)習(xí)過程中，主動構(gòu)建自身的理論體系，同步提升自身的實踐能力和創(chuàng)新思維，提高自身的綜合素質(zhì).

2 案例教學(xué)在“增材制造技術(shù)”課程的應(yīng)用意義

近年來，案例教學(xué)在我國教育界已經(jīng)得到了普遍的認(rèn)識和接受，許多學(xué)校將其作為課程教學(xué)改革的重要手段，其概念和內(nèi)涵得到了進(jìn)一步的完善和豐富.以案例教學(xué)為途徑來改革傳統(tǒng)教學(xué)模式，應(yīng)用于“增材制造技術(shù)”課程中具有以下意義.

（1）對于“增材制造技術(shù)”這門主要靠感性認(rèn)知結(jié)果獲取新知識的課程，案例教學(xué)方式能夠充分為學(xué)生提供獲得感性認(rèn)知的途徑.“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行”，“增材制造技術(shù)”是一門以應(yīng)用為導(dǎo)向的綜合性課程，其中模型的建模和調(diào)整、材料的成形質(zhì)量把控、打印的過程操作等等，所涉及的知識并非簡單地依靠背誦和記憶能夠掌握，需要通過反復(fù)對各種典型案例中具體設(shè)定角色和情節(jié)的情景式、沉浸式學(xué)習(xí)和感官體驗，進(jìn)而基于感性認(rèn)知有效地上升至理論體系的構(gòu)建和掌握.

（2）對于“增材制造技術(shù)”這門內(nèi)容尚在不斷快速發(fā)展和更迭中的課程，以構(gòu)建主義為核心特征的案例教學(xué)方式有利于培養(yǎng)學(xué)生的持續(xù)自我學(xué)習(xí)能力.AM技術(shù)領(lǐng)域中新技術(shù)和新工藝不斷涌現(xiàn)，要想在未來不被時代淘汰，就需要人才具備持續(xù)的自我學(xué)習(xí)能力.制造業(yè)的傳統(tǒng)教學(xué)模式往往以介紹理論和生產(chǎn)現(xiàn)狀的固定教材為基礎(chǔ)展開課堂教學(xué)，即簡單的一對多填灌式的講授模式，而案例教學(xué)模式下，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中以自身為中心，通過主動發(fā)現(xiàn)和探索過程獲得并構(gòu)建自身的知識體系，這一過程能有效訓(xùn)練并強(qiáng)化學(xué)生自我學(xué)習(xí)的思維模式.

（3）對于“增材制造技術(shù)”這門注重實踐和應(yīng)用的課程，案例教學(xué)方式為學(xué)生動手實踐提供了豐富的舞臺.案例教學(xué)中的各項案例往往取自現(xiàn)實中具有典型意義的問題，具有很好的實踐性和代表性.通過對各種典型案例的反復(fù)實踐操作，在解決問題的同時，能最大程度地鍛煉和提升學(xué)生的實踐能力.

（4）對于“增材制造技術(shù)”這門處于技術(shù)前沿的課程，開放互動、強(qiáng)調(diào)獨立思考和團(tuán)隊協(xié)作的案例教學(xué)方式有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維.目前，我國在高端制造業(yè)領(lǐng)域已走出了學(xué)習(xí)、模仿和跟隨他人技術(shù)的模式，轉(zhuǎn)為自主開拓進(jìn)取、勇于探索的階段，創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)對我國AM行業(yè)的持續(xù)良好發(fā)展將起到關(guān)鍵性的作用.獨立思考是走出創(chuàng)新思維的第一步，案例教學(xué)法在“增材制造技術(shù)”課程教學(xué)過程中弱化了教師的傳授角色，放大了學(xué)生獨立思考、交流討論和團(tuán)隊分工協(xié)作的環(huán)節(jié)，為學(xué)生日后融入和引領(lǐng)企業(yè)創(chuàng)新文化打下堅實的基礎(chǔ).

3 “增材制造技術(shù)”課程案例教學(xué)及案例庫建設(shè)經(jīng)驗探討

案例是指具有一定教學(xué)價值的典型性事例，是綜合有多種媒體表現(xiàn)形式的組合，蘊(yùn)含指定知識點的教學(xué)資源.案例庫則是成體系的多個案例的集合.案例教學(xué)是在教學(xué)大綱的體系下，圍繞著一個個案例，通過多樣化的教學(xué)形式開展系統(tǒng)化教學(xué)，開展案例教學(xué)的核心關(guān)鍵是課程案例庫的建設(shè).

建設(shè)教學(xué)案例庫時要從課程的專業(yè)特色出發(fā)，內(nèi)容應(yīng)具備教學(xué)意義和實際應(yīng)用價值.“增材制造技術(shù)”課程案例庫建設(shè)的基本思路是：整理和提煉各類案例中涵蓋的主要理論知識點、學(xué)習(xí)目標(biāo)等，按照課程大綱的教學(xué)需要，將之組織形成循序漸進(jìn)、成體系的案例庫集合，為學(xué)習(xí)者對增材制造技術(shù)知識體系的掌握與應(yīng)用提供系統(tǒng)的實踐內(nèi)容.

“地方高校要對區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級發(fā)揮支撐作用”是新工科專業(yè)建設(shè)的導(dǎo)向內(nèi)涵.安徽工程大學(xué)作為一所以工為主的安徽省屬多科性高等院校，位處長三角蕪湖市，該地區(qū)近年來蓬勃發(fā)展的制造業(yè)形成了良好的產(chǎn)業(yè)教育平臺，為傳統(tǒng)工科專業(yè)的新工科建設(shè)提供了良好氛圍.在材料成形鑄造、鍛壓和焊接等傳統(tǒng)成形專業(yè)的基礎(chǔ)上，學(xué)校增設(shè)了金屬增材制造專業(yè)，并系統(tǒng)探討了案例教學(xué)在“增材制造技術(shù)”課程的應(yīng)用和方法，進(jìn)行了相關(guān)課程案例庫的內(nèi)容建設(shè)，現(xiàn)將教學(xué)和建設(shè)經(jīng)驗分享總結(jié)如下.

3.1 案例教學(xué)要注意案例的合理設(shè)置和選擇

在案例庫建設(shè)過程中，案例的選擇和提煉是關(guān)鍵.案例應(yīng)與大綱的理論知識點和學(xué)習(xí)目標(biāo)緊密對應(yīng)，在多個案例的設(shè)置過程中，應(yīng)注意案例間先難后易的認(rèn)知順序.內(nèi)容設(shè)置重點是引導(dǎo)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，對案例中涵蓋的知識點進(jìn)行感性認(rèn)識，進(jìn)而對工藝的應(yīng)用范圍、工作原理、優(yōu)點和劣勢等進(jìn)行分析、思辨，目標(biāo)是提升學(xué)生分析、解決實際問題的能力.

選擇的案例在具有典型性和代表性的同時，應(yīng)具備良好的時效性.例如，在熔融沉積FDM制備工藝的學(xué)習(xí)中，課程案例選擇以常規(guī)PLA工程塑料絲材FDM打印的典型案例為基礎(chǔ)，后續(xù)以處于技術(shù)發(fā)展前沿的結(jié)合金屬沉積（BMD）打印和激光熔絲AM兩類案例.其中BMD將捆綁的金屬棒（與聚合物粘合劑混合的金屬粉末）加熱并擠出以創(chuàng)建3D打印金屬部件，激光熔絲AM則以合金絲材為沉積材料，激光熔覆為加熱手段.后續(xù)案例原理相同，但在熔融對象材料、加熱手段和工序等方面加以發(fā)展，更為復(fù)雜.設(shè)置這三個典型案例分別代表著FDM技術(shù)方向中的主流應(yīng)用和前沿發(fā)展方向，兼具了內(nèi)容的現(xiàn)實性和時效性.

選擇的案例要注意與傳統(tǒng)材料成形工藝相結(jié)合.AM作為一種新興的成形制造技術(shù)，其應(yīng)用并非與傳統(tǒng)成形制造業(yè)相割裂，相反，兩者間關(guān)系緊密，水乳相融，傳統(tǒng)成形制造業(yè)是增材制造技術(shù)最大的應(yīng)用領(lǐng)域，AM技術(shù)則是傳統(tǒng)成形制造業(yè)產(chǎn)業(yè)升級的重要一環(huán)［7］.案例庫中與傳統(tǒng)鑄、鍛、焊材料成形工藝相結(jié)合的案例內(nèi)容十分豐富，例如在選擇性燒結(jié)成型（SLS）的工藝案例中，案例對象為可用于鑄造成形的陶瓷型鑄型，學(xué)生需結(jié)合鑄造工藝設(shè)計原則在打印鑄型模型設(shè)計中給出合理的鑄型澆注位置、鑄件尺寸、砂芯和澆冒口系統(tǒng)，擇優(yōu)通過SLS打印出陶瓷鑄型，并在鑄造實驗室中完成澆注成形驗證工作.在“光固化增材工藝”案例中，設(shè)計并打印制備用于企業(yè)砂型造型機(jī)的嵌入式耐磨工程塑料模具；在“金屬選擇激光熔化SLM工藝”案例中，設(shè)計并打印制備蠟?zāi)５慕饘賶盒?，用于批量壓制熔模鑄造用蠟?zāi)?此外，在企業(yè)實習(xí)中，選擇部分應(yīng)用AM技術(shù)的材料成形企業(yè)作為實習(xí)單位，完成樹脂砂型打印工序的參觀和崗位實踐等內(nèi)容.這些案例中AM技術(shù)直接或間接地應(yīng)用于傳統(tǒng)材料成形工藝，加深和開拓了學(xué)生對課程的認(rèn)識和視野.

在案例內(nèi)容設(shè)置過程中要注意思政元素的融入，發(fā)揮AM技術(shù)課程本身的特色，寓社會主義核心價值觀于多樣化案例教學(xué)過程之中，在潛移默化中實現(xiàn)教育目標(biāo).在課堂主講內(nèi)容中重點宣講我國科學(xué)家、企業(yè)家和技術(shù)人員在AM領(lǐng)域中起到的關(guān)鍵性推動作用，提煉其中的愛國情懷、人文精神等要素，轉(zhuǎn)化成核心價值觀教育的具體載體.在課程案例內(nèi)容的打印對象中設(shè)計了系列的富含思政元素的案例，如引導(dǎo)學(xué)生熱愛母校的?；?、校門等模型的設(shè)計和打印案例、引導(dǎo)學(xué)生愛黨愛國的黨徽、歷史偉人、名人頭像、祖國標(biāo)志性建筑模型的設(shè)計和打印等.

3.2 案例教學(xué)要注意教學(xué)方式的多樣化

案例教學(xué)在弱化教師傳授色彩的同時，需要將課堂主角更多地轉(zhuǎn)移給學(xué)生，開放、互動、情景式的多樣化教學(xué)形式是實現(xiàn)轉(zhuǎn)移的重要途徑和特征.為了達(dá)到這一目的，在教學(xué)方法上注重開拓創(chuàng)新，融合了課堂主講、問題預(yù)置、現(xiàn)場指導(dǎo)、小組項目形式推進(jìn)，以及線上互動和反饋等多種方式.

為了將有限的課堂學(xué)時更多地用于案例實踐，充分利用釘釘?shù)染€上平臺，課前將相關(guān)課堂內(nèi)容提前發(fā)送給學(xué)生進(jìn)行預(yù)習(xí)，課后亦可方便收集學(xué)生的課堂實踐結(jié)果反饋，以及課外案例實踐作業(yè)等.上課時在教師對難點要點進(jìn)行講解后，即可直接快速進(jìn)入案例實踐環(huán)節(jié).學(xué)生以小組形式進(jìn)行案例分析探討的互動過程中，教師的主要任務(wù)是思路引導(dǎo)和疑難解答，確保小組良好有序的工作氛圍.

以問題為導(dǎo)向，訓(xùn)練學(xué)生運(yùn)用馬克思唯物辯證法去看待問題、分析問題和解決問題，鍛煉和提升其思維能力.為達(dá)到這一目的，在案例教學(xué)過程中，根據(jù)大綱知識點和實際案例，做好問題的預(yù)置十分重要.例如，在“金屬選擇激光熔化SLM工藝”案例中預(yù)設(shè)了兩個問題要求學(xué)生解答：①激光功率、打印層厚、打印速率、激光間距等工藝參數(shù)與有效熱輸入之間有著怎樣的聯(lián)系，他們的大小對工件的微觀組織和性能會產(chǎn)生怎樣的影響？②給出特定形狀的工件及其在打印過程中的空間位置、打印參數(shù)等，分析工件變形行為，并找出原因和總結(jié)規(guī)律.圍繞這些預(yù)置問題，使學(xué)生在分析討論、思辨及實踐過程更具方向性、針對性和目的性，同時在解決問題后提供了獲得感.

3.3 案例教學(xué)要注意與課內(nèi)外實踐活動、校外企業(yè)實習(xí)相結(jié)合

作為需要大量實踐操作的專業(yè)課程，學(xué)生在AM案例學(xué)習(xí)過程中，需要對案例進(jìn)行調(diào)查閱讀、思考分析、討論交流、方案制定和實踐、過程試錯與調(diào)試等多個環(huán)節(jié).這些內(nèi)容僅靠課堂內(nèi)短暫的案例學(xué)習(xí)和實踐是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，設(shè)置其他相關(guān)實踐課程，引導(dǎo)學(xué)生積極利用課外時間進(jìn)行案例或相關(guān)項目的實踐，積極參與校外企業(yè)實習(xí)實踐活動才能達(dá)到良好的學(xué)習(xí)效果.

專業(yè)課程體系設(shè)置方面，在材料綜合創(chuàng)新實驗中專門設(shè)置了為期2周的實踐環(huán)節(jié)，開展與AM相關(guān)的實踐創(chuàng)新活動.期間，學(xué)生以小組形式進(jìn)行分工合作，互相討論，攜手共進(jìn)，共同完成項目目標(biāo).在模型建模、創(chuàng)新設(shè)計、3D打印和后處理等過程中發(fā)現(xiàn)和解決問題，鍛煉了學(xué)生的團(tuán)隊分工合作能力.此外，為配套教學(xué)環(huán)節(jié)，在生產(chǎn)和企業(yè)實習(xí)階段設(shè)置學(xué)時帶領(lǐng)學(xué)生去蕪湖周邊AM相關(guān)企業(yè)進(jìn)行參觀和實習(xí)，在生產(chǎn)崗位實踐過程中，對AM行業(yè)現(xiàn)狀建立起直觀的認(rèn)識.

AM技術(shù)課程案例的工程背景十分重要，來自企業(yè)的案例能使學(xué)生在學(xué)習(xí)階段即能了解和貼近技術(shù)在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用情況和前沿開發(fā)中的關(guān)切問題.我校金屬AM方向自開設(shè)以來，教師與周邊AM企業(yè)和研究院所積極合作，研討教學(xué)需求，搜集和實踐教學(xué)案例素材，建立的案例庫內(nèi)容大量來自于企業(yè)前沿的生產(chǎn)實踐.這些國內(nèi)AM工業(yè)領(lǐng)域中活的案例、活的方法，給學(xué)生在案例學(xué)習(xí)和實踐中帶來很強(qiáng)的情景帶入感，能迅速消除學(xué)生進(jìn)入企業(yè)相關(guān)技術(shù)崗位時的隔閡，加快技術(shù)融入速度.

興趣是學(xué)生最好的導(dǎo)師，利用好課外豐富的活動時間，可以鞏固課內(nèi)學(xué)習(xí)效果，使理論知識更好地與教學(xué)實踐相融合.為此我們積極引導(dǎo)和開展了AM技術(shù)在第二課堂中的應(yīng)用：鼓勵學(xué)生以AM學(xué)習(xí)興趣小組和社團(tuán)形式開展日常學(xué)習(xí)活動；舉辦AM相關(guān)的創(chuàng)意競賽；申報或參與國家級及省級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目、大學(xué)生校內(nèi)科技項目、各類導(dǎo)師開放課題等等，為學(xué)生提供了開展第二課堂學(xué)習(xí)和實踐的多種途徑.

3.4 案例教學(xué)要注意教學(xué)設(shè)備的配套建設(shè)

各類型AM工藝設(shè)備是AM技術(shù)課程案例教學(xué)順利開展的基礎(chǔ)，上機(jī)操作和觀察是確保學(xué)生獲得直接感性認(rèn)知的必要途徑.為此，一方面，學(xué)校建設(shè)了面向?qū)W生的AM綜合實驗室，擁有一批不同種類有代表性的AM設(shè)備用于教學(xué)和課外實踐活動.此外，通過組織和協(xié)調(diào)，與安徽工程大學(xué)增材制造研究院、專業(yè)科研實驗室，以及部分校外合作單位攜手，利用各方面設(shè)備，開發(fā)了一系列相關(guān)的案例，用于學(xué)生課堂及課外實踐，有效地保障了教學(xué)設(shè)備的配套和完善.

4 結(jié)語

數(shù)字化、智能化是當(dāng)前新技術(shù)革命浪潮的重要特征，隨著智能制造的進(jìn)一步發(fā)展成熟，新的技術(shù)不斷被廣泛應(yīng)用到制造領(lǐng)域，AM技術(shù)也將被推向更高的層面.引入先進(jìn)的案例教學(xué)，建設(shè)完善的案例教學(xué)庫，做好創(chuàng)新實踐型行業(yè)人才的培養(yǎng)平臺，對我國AM行業(yè)的健康可持續(xù)性發(fā)展具有重要意義.