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    “增材制造技术”案例教学及案例库建设探讨

    时间：2023-01-19 14:15:31来源：百花范文网本文已影响人

    陈志浩，黄仲佳，刘桐，王邦伦

    近年来，增材制造（Additive Manufacturing，AM）技术在材料成形、机械制造、医疗仪器等工业领域的实用化应用日益广泛，成为当前先进制造技术的典型代表［1-2］.AM以材料堆积法为基础，综合了数控电子、机械工程、计算机建模、逆向工程和激光加工等技术，打破了设计思想和实物原型之间的壁垒，为企业提供了一种高效、低成本的设计方案验证手段和产品开发模式［3］.

    《中国制造2025》（国发〔2015〕28号）中明确指出，在未来的五年内，要将AM技术愈加广泛地融入我国战略性新兴产业中去［4］.AM的发展和应用已为企业带来了一系列新的人才需求岗位，包括材料成型模具快速制造、新材料研发、AM设备研发或操作、产品造型设计、AM设备装调销售及维保等.目前，我国AM技术相关的市场规模正在以每年40%以上的增速快速发展，据统计，中国AM技术应用人才需求已达800万左右，其中学校培养仅占37%左右，其余则需要靠企业自身培养和社会招聘提供［5］.可见，快速发展的AM技术已对我国高素质人才的教育和培养提出了迫切的需求和要求，正不断推动国内高校相关科学研究和专业教育教学的发展与改革.

    目前，我国高校在AM领域的课程教学开设历史短，教学内容建设和开发尚处在起步阶段，在丰富教学内涵、提高教学质量等方面尚有大量潜力可以挖掘［6］.本文旨在探讨案例教学及案例库建设在AM技术课程教学中的实践应用和建设思路，为新工科教学改革实践提供有益参考.

    案例教学法在教学过程中强调以接受知识的对象为中心，认为学生才是知识的主动建构者，教师则应起帮助、指导和促进的作用.如何利用各类外界学习要素来调动学生的主动性和创造性，是达到学生自主完成知识建构目的的关键.

    案例教学法最早于1870年在哈佛学院开始应用，并在现代教育教学中得到了广泛推广.该法具有开放性、互动性、情景性等特征，在教学过程中以学生为中心，在主动发现和探索过程中获得并构建自身的知识体系，与常规教学模式相比更为注重培养学生的学习能力.作为一种新型教学模式，教师需要在教学目标的基础上，组织和引导学生对案例进行资料查阅、独立思辨、分工协作、研讨交流等活动，在分析与解决问题的过程中完成对案例知识点的理解和掌控.而学生则借助案例来模拟现实，在对案例的情景化、浸入式学习过程中，主动构建自身的理论体系，同步提升自身的实践能力和创新思维，提高自身的综合素质.

    近年来，案例教学在我国教育界已经得到了普遍的认识和接受，许多学校将其作为课程教学改革的重要手段，其概念和内涵得到了进一步的完善和丰富.以案例教学为途径来改革传统教学模式，应用于“增材制造技术”课程中具有以下意义.

    （1）对于“增材制造技术”这门主要靠感性认知结果获取新知识的课程，案例教学方式能够充分为学生提供获得感性认知的途径.“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”，“增材制造技术”是一门以应用为导向的综合性课程，其中模型的建模和调整、材料的成形质量把控、打印的过程操作等等，所涉及的知识并非简单地依靠背诵和记忆能够掌握，需要通过反复对各种典型案例中具体设定角色和情节的情景式、沉浸式学习和感官体验，进而基于感性认知有效地上升至理论体系的构建和掌握.

    （2）对于“增材制造技术”这门内容尚在不断快速发展和更迭中的课程，以构建主义为核心特征的案例教学方式有利于培养学生的持续自我学习能力.AM技术领域中新技术和新工艺不断涌现，要想在未来不被时代淘汰，就需要人才具备持续的自我学习能力.制造业的传统教学模式往往以介绍理论和生产现状的固定教材为基础展开课堂教学，即简单的一对多填灌式的讲授模式，而案例教学模式下，学生在学习过程中以自身为中心，通过主动发现和探索过程获得并构建自身的知识体系，这一过程能有效训练并强化学生自我学习的思维模式.

    （3）对于“增材制造技术”这门注重实践和应用的课程，案例教学方式为学生动手实践提供了丰富的舞台.案例教学中的各项案例往往取自现实中具有典型意义的问题，具有很好的实践性和代表性.通过对各种典型案例的反复实践操作，在解决问题的同时，能最大程度地锻炼和提升学生的实践能力.

    （4）对于“增材制造技术”这门处于技术前沿的课程，开放互动、强调独立思考和团队协作的案例教学方式有利于培养学生的创新思维.目前，我国在高端制造业领域已走出了学习、模仿和跟随他人技术的模式，转为自主开拓进取、勇于探索的阶段，创新型人才的培养对我国AM行业的持续良好发展将起到关键性的作用.独立思考是走出创新思维的第一步，案例教学法在“增材制造技术”课程教学过程中弱化了教师的传授角色，放大了学生独立思考、交流讨论和团队分工协作的环节，为学生日后融入和引领企业创新文化打下坚实的基础.

    案例是指具有一定教学价值的典型性事例，是综合有多种媒体表现形式的组合，蕴含指定知识点的教学资源.案例库则是成体系的多个案例的集合.案例教学是在教学大纲的体系下，围绕着一个个案例，通过多样化的教学形式开展系统化教学，开展案例教学的核心关键是课程案例库的建设.

    建设教学案例库时要从课程的专业特色出发，内容应具备教学意义和实际应用价值.“增材制造技术”课程案例库建设的基本思路是：整理和提炼各类案例中涵盖的主要理论知识点、学习目标等，按照课程大纲的教学需要，将之组织形成循序渐进、成体系的案例库集合，为学习者对增材制造技术知识体系的掌握与应用提供系统的实践内容.

    “地方高校要对区域经济发展和产业转型升级发挥支撑作用”是新工科专业建设的导向内涵.安徽工程大学作为一所以工为主的安徽省属多科性高等院校，位处长三角芜湖市，该地区近年来蓬勃发展的制造业形成了良好的产业教育平台，为传统工科专业的新工科建设提供了良好氛围.在材料成形铸造、锻压和焊接等传统成形专业的基础上，学校增设了金属增材制造专业，并系统探讨了案例教学在“增材制造技术”课程的应用和方法，进行了相关课程案例库的内容建设，现将教学和建设经验分享总结如下.

    3.1 案例教学要注意案例的合理设置和选择

    在案例库建设过程中，案例的选择和提炼是关键.案例应与大纲的理论知识点和学习目标紧密对应，在多个案例的设置过程中，应注意案例间先难后易的认知顺序.内容设置重点是引导学生在学习过程中，对案例中涵盖的知识点进行感性认识，进而对工艺的应用范围、工作原理、优点和劣势等进行分析、思辨，目标是提升学生分析、解决实际问题的能力.

    选择的案例在具有典型性和代表性的同时，应具备良好的时效性.例如，在熔融沉积FDM制备工艺的学习中，课程案例选择以常规PLA工程塑料丝材FDM打印的典型案例为基础，后续以处于技术发展前沿的结合金属沉积（BMD）打印和激光熔丝AM两类案例.其中BMD将捆绑的金属棒（与聚合物粘合剂混合的金属粉末）加热并挤出以创建3D打印金属部件，激光熔丝AM则以合金丝材为沉积材料，激光熔覆为加热手段.后续案例原理相同，但在熔融对象材料、加热手段和工序等方面加以发展，更为复杂.设置这三个典型案例分别代表着FDM技术方向中的主流应用和前沿发展方向，兼具了内容的现实性和时效性.

    选择的案例要注意与传统材料成形工艺相结合.AM作为一种新兴的成形制造技术，其应用并非与传统成形制造业相割裂，相反，两者间关系紧密，水乳相融，传统成形制造业是增材制造技术最大的应用领域，AM技术则是传统成形制造业产业升级的重要一环［7］.案例库中与传统铸、锻、焊材料成形工艺相结合的案例内容十分丰富，例如在选择性烧结成型（SLS）的工艺案例中，案例对象为可用于铸造成形的陶瓷型铸型，学生需结合铸造工艺设计原则在打印铸型模型设计中给出合理的铸型浇注位置、铸件尺寸、砂芯和浇冒口系统，择优通过SLS打印出陶瓷铸型，并在铸造实验室中完成浇注成形验证工作.在“光固化增材工艺”案例中，设计并打印制备用于企业砂型造型机的嵌入式耐磨工程塑料模具；
    在“金属选择激光熔化SLM工艺”案例中，设计并打印制备蜡模的金属压型，用于批量压制熔模铸造用蜡模.此外，在企业实习中，选择部分应用AM技术的材料成形企业作为实习单位，完成树脂砂型打印工序的参观和岗位实践等内容.这些案例中AM技术直接或间接地应用于传统材料成形工艺，加深和开拓了学生对课程的认识和视野.

    在案例内容设置过程中要注意思政元素的融入，发挥AM技术课程本身的特色，寓社会主义核心价值观于多样化案例教学过程之中，在潜移默化中实现教育目标.在课堂主讲内容中重点宣讲我国科学家、企业家和技术人员在AM领域中起到的关键性推动作用，提炼其中的爱国情怀、人文精神等要素，转化成核心价值观教育的具体载体.在课程案例内容的打印对象中设计了系列的富含思政元素的案例，如引导学生热爱母校的校徽、校门等模型的设计和打印案例、引导学生爱党爱国的党徽、历史伟人、名人头像、祖国标志性建筑模型的设计和打印等.

    3.2 案例教学要注意教学方式的多样化

    案例教学在弱化教师传授色彩的同时，需要将课堂主角更多地转移给学生，开放、互动、情景式的多样化教学形式是实现转移的重要途径和特征.为了达到这一目的，在教学方法上注重开拓创新，融合了课堂主讲、问题预置、现场指导、小组项目形式推进，以及线上互动和反馈等多种方式.

    为了将有限的课堂学时更多地用于案例实践，充分利用钉钉等线上平台，课前将相关课堂内容提前发送给学生进行预习，课后亦可方便收集学生的课堂实践结果反馈，以及课外案例实践作业等.上课时在教师对难点要点进行讲解后，即可直接快速进入案例实践环节.学生以小组形式进行案例分析探讨的互动过程中，教师的主要任务是思路引导和疑难解答，确保小组良好有序的工作氛围.

    以问题为导向，训练学生运用马克思唯物辩证法去看待问题、分析问题和解决问题，锻炼和提升其思维能力.为达到这一目的，在案例教学过程中，根据大纲知识点和实际案例，做好问题的预置十分重要.例如，在“金属选择激光熔化SLM工艺”案例中预设了两个问题要求学生解答：①激光功率、打印层厚、打印速率、激光间距等工艺参数与有效热输入之间有着怎样的联系，他们的大小对工件的微观组织和性能会产生怎样的影响？②给出特定形状的工件及其在打印过程中的空间位置、打印参数等，分析工件变形行为，并找出原因和总结规律.围绕这些预置问题，使学生在分析讨论、思辨及实践过程更具方向性、针对性和目的性，同时在解决问题后提供了获得感.

    3.3 案例教学要注意与课内外实践活动、校外企业实习相结合

    作为需要大量实践操作的专业课程，学生在AM案例学习过程中，需要对案例进行调查阅读、思考分析、讨论交流、方案制定和实践、过程试错与调试等多个环节.这些内容仅靠课堂内短暂的案例学习和实践是远远不够的，设置其他相关实践课程，引导学生积极利用课外时间进行案例或相关项目的实践，积极参与校外企业实习实践活动才能达到良好的学习效果.

    专业课程体系设置方面，在材料综合创新实验中专门设置了为期2周的实践环节，开展与AM相关的实践创新活动.期间，学生以小组形式进行分工合作，互相讨论，携手共进，共同完成项目目标.在模型建模、创新设计、3D打印和后处理等过程中发现和解决问题，锻炼了学生的团队分工合作能力.此外，为配套教学环节，在生产和企业实习阶段设置学时带领学生去芜湖周边AM相关企业进行参观和实习，在生产岗位实践过程中，对AM行业现状建立起直观的认识.

    AM技术课程案例的工程背景十分重要，来自企业的案例能使学生在学习阶段即能了解和贴近技术在实际生产中的应用情况和前沿开发中的关切问题.我校金属AM方向自开设以来，教师与周边AM企业和研究院所积极合作，研讨教学需求，搜集和实践教学案例素材，建立的案例库内容大量来自于企业前沿的生产实践.这些国内AM工业领域中活的案例、活的方法，给学生在案例学习和实践中带来很强的情景带入感，能迅速消除学生进入企业相关技术岗位时的隔阂，加快技术融入速度.

    兴趣是学生最好的导师，利用好课外丰富的活动时间，可以巩固课内学习效果，使理论知识更好地与教学实践相融合.为此我们积极引导和开展了AM技术在第二课堂中的应用：鼓励学生以AM学习兴趣小组和社团形式开展日常学习活动；
    举办AM相关的创意竞赛；
    申报或参与国家级及省级大学生创新创业项目、大学生校内科技项目、各类导师开放课题等等，为学生提供了开展第二课堂学习和实践的多种途径.

    3.4 案例教学要注意教学设备的配套建设

    各类型AM工艺设备是AM技术课程案例教学顺利开展的基础，上机操作和观察是确保学生获得直接感性认知的必要途径.为此，一方面，学校建设了面向学生的AM综合实验室，拥有一批不同种类有代表性的AM设备用于教学和课外实践活动.此外，通过组织和协调，与安徽工程大学增材制造研究院、专业科研实验室，以及部分校外合作单位携手，利用各方面设备，开发了一系列相关的案例，用于学生课堂及课外实践，有效地保障了教学设备的配套和完善.

    数字化、智能化是当前新技术革命浪潮的重要特征，随着智能制造的进一步发展成熟，新的技术不断被广泛应用到制造领域，AM技术也将被推向更高的层面.引入先进的案例教学，建设完善的案例教学库，做好创新实践型行业人才的培养平台，对我国AM行业的健康可持续性发展具有重要意义.

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