3D打印在模具領(lǐng)域教學(xué)案例設(shè)計與實施

張永弟 陳佳興 孫寶鈺 楊光

[摘 要] 傳統(tǒng)模具制造方法加工周期長且成本高，往往無法滿足新產(chǎn)品對市場快速響應(yīng)的需求，利用3D打印技術(shù)進(jìn)行模具的快速制造成本低、效率高，特別適合新產(chǎn)品研發(fā)和個性化小批量產(chǎn)品生產(chǎn)。針對“快速模具制造技術(shù)”理論課程，從不同的行業(yè)應(yīng)用出發(fā)，設(shè)計了快速模具教學(xué)案例，并提出案例教學(xué)的四步實施法，讓學(xué)生把理論知識與實踐應(yīng)用緊密結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。

[關(guān)鍵詞] 快速模具;3D打印;教學(xué)案例;直接制模;間接制模

[基金項目] 2020年度教育部第二批新工科研究與實踐項目“面向區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的地方高校傳統(tǒng)工科專業(yè)改造升級探索與實踐項目”（E-ZYJG20200211）;2019年度河北省教育廳研究生專業(yè)學(xué)位教學(xué)案例庫項目“3D打印在快速模具中的應(yīng)用案例庫”（KCJSZ2019070）;2021年度河北省教育廳研究生示范課程項目“先進(jìn)制造技術(shù)”（KCJSX2021075）

[作者簡介] 張永弟（1976—），女，河北景縣人，工學(xué)碩士，河北科技大學(xué)增材制造中心副主任，副教授，主要從事增材制造（3D打印）研究;楊 光（1974—），男，河北石家莊人，工學(xué)博士，河北科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院院長，教授，主要從事增材制造（3D打印）研究。

[中圖分類號] G642.4? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2021）31-0132-04? ? ? [收稿日期] 2021-04-08

一、引言

隨著教育理念的更新，將先進(jìn)的項目成果案例和制造技術(shù)轉(zhuǎn)化為課堂教學(xué)內(nèi)容成為教學(xué)改革的一個重要方向[1]。案例教學(xué)法通過引入具體教育場景，強(qiáng)調(diào)啟發(fā)引導(dǎo)、學(xué)生參與討論等，課題氣氛活躍，受到師生的廣泛認(rèn)可，是培養(yǎng)應(yīng)用型人才的重要教學(xué)方法[2]。我國對全日制工程碩士研究生的培養(yǎng)目標(biāo)是“掌握某一專業(yè)（或職業(yè)）領(lǐng)域堅實的基礎(chǔ)理論和寬廣的專業(yè)知識、具有較強(qiáng)的解決實際問題的能力，能夠承擔(dān)專業(yè)技術(shù)或管理工作、具有良好職業(yè)素養(yǎng)的高層次應(yīng)用型專門人才”。案例教學(xué)需要結(jié)合課程理論知識，把培養(yǎng)學(xué)生的科研創(chuàng)新能力和解決實際問題的能力作為教學(xué)案例設(shè)計的主要內(nèi)容[3]，從知識的系統(tǒng)性、完整性、實用性等方面考慮，激發(fā)學(xué)生的好奇心和學(xué)習(xí)積極性[4]。目前，各級教育主管部門陸續(xù)出臺文件，推動全日制工程碩士培養(yǎng)中的案例教學(xué)實踐。筆者結(jié)合“快速模具制造技術(shù)”課程理論內(nèi)容，從不同行業(yè)應(yīng)用出發(fā)，設(shè)計了3D打印技術(shù)在模具領(lǐng)域的應(yīng)用教學(xué)案例，并提出了教學(xué)案例的四步實施法。

二、案例設(shè)計背景

快速模具（Rapid Tooling，RT）技術(shù)是基于3D打印技術(shù)直接或間接地快速制造模具的技術(shù)，可以把創(chuàng)新設(shè)計快速推向市場，近年來成為研究和應(yīng)用熱點[5-7]?？梢岳?D打印設(shè)備直接制造形狀復(fù)雜的模具，也可以利用3D打印的零件原型間接地翻制模具[8，9]。RT技術(shù)作為一項系統(tǒng)工程技術(shù)，有效融合了機(jī)械、信息、控制、材料和激光技術(shù)等，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到航空航天、醫(yī)療、汽車等制造行業(yè)之中?！翱焖倌＞咧圃旒夹g(shù)”課程是近年來面向機(jī)械工程學(xué)科快速制造研究方向的研究生開設(shè)的專業(yè)課，要求學(xué)生了解快速模具的發(fā)展趨勢，對各種快速模具的制作技術(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域有較全面的認(rèn)識和理解，掌握幾種典型的快速制模技術(shù)并能學(xué)以致用。“快速模具制造技術(shù)”課程要求學(xué)生在對基礎(chǔ)理論進(jìn)行掌握的同時還要有很強(qiáng)的動手能力，因此非常適合使用案例教學(xué)法。教師通過設(shè)計合理的教學(xué)案例，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主分析，理解案例中所包含的各種知識和相關(guān)技術(shù);采用即學(xué)即用、理論與實踐無縫銜接的教學(xué)方法，形成一個為解決問題，帶著任務(wù)探索實踐的學(xué)習(xí)氛圍，最終達(dá)到教學(xué)目標(biāo)[ 10 ]。

三、3D打印在模具領(lǐng)域應(yīng)用的教學(xué)案例設(shè)計

（一）案例設(shè)計原則

1.以學(xué)生為中心。教學(xué)案例設(shè)計應(yīng)以學(xué)生為中心，在學(xué)生掌握一定知識的前提下，以實踐問題引導(dǎo)啟發(fā)，收集相關(guān)知識的典型案例，通過案例的引入、知識點展開、知識點深入、問題的提出與問題的分析，將課堂教學(xué)設(shè)計做得更有針對性，從教學(xué)理念上激勵學(xué)生主動承擔(dān)任務(wù)，完成任務(wù)。把教學(xué)重點放在“學(xué)生學(xué)到了多少”上面，充分利用實驗室軟硬件資源，設(shè)計具有可操作性的案例，注重課程理論與工程實踐的結(jié)合。

2.學(xué)以致用。應(yīng)能保證學(xué)生通過“案例學(xué)習(xí)+項目實踐”對所學(xué)知識進(jìn)行靈活應(yīng)用，基于項目的實踐學(xué)習(xí)能使學(xué)生完全沉浸在一個真實、具體的問題中，學(xué)生自由組成小組合作學(xué)習(xí)，小組成員分工合作，共同尋找問題的解決方案，提高學(xué)生團(tuán)隊協(xié)作和解決工程問題的能力，讓學(xué)生深刻領(lǐng)會團(tuán)隊的重要性，以及只有實踐才能出真知的道理。

3.案例完整性。教學(xué)案例應(yīng)由案例背景、案例目的（案例解決的工程問題）、理論依據(jù)、關(guān)鍵要點等部分組成，根據(jù)所學(xué)知識對這幾部分進(jìn)行總結(jié)，讓學(xué)生能對案例的來龍去脈、分析解決問題的方法和思路等有全面的了解。

4.探究性學(xué)習(xí)。所謂探究式教學(xué)，是指在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生運用科學(xué)的方法進(jìn)行探究式學(xué)習(xí)的教學(xué)活動，是實踐過程中的一種行之有效的教學(xué)方式。在案例教學(xué)中設(shè)計一系列開放式問題，學(xué)生分組討論，教師負(fù)責(zé)引導(dǎo)啟發(fā)。利用確認(rèn)詢問、結(jié)構(gòu)化探究、指導(dǎo)性探究和公開詢問等方式，拓展學(xué)生知識面的寬度，加深學(xué)生對課程內(nèi)容理解的深度。

5.融合與發(fā)散思維訓(xùn)練。融合思維訓(xùn)練即訓(xùn)練學(xué)生使用多個單獨的、離散的信息組合起來達(dá)成一個解決方案。發(fā)散性思維訓(xùn)練即訓(xùn)練學(xué)生從一個提示開始，然后對其進(jìn)行批判性思考，以轉(zhuǎn)向不同的解決方法，為了尋找最優(yōu)方案，集思廣益，對問題進(jìn)行創(chuàng)造性分析。

（二）3D打印在模具領(lǐng)域的應(yīng)用教學(xué)案例

1.3D打印直接制作快速模具案例——個性化透明保持器制作。（1）案例的目的和意義。牙齒結(jié)構(gòu)雖然簡單，但形狀極為復(fù)雜，且具有獨一無二的特點?；?D打印技術(shù)制作個性化透明保持器案例，需要學(xué)生利用光學(xué)掃描、逆向建模、光固化3D打印和吸塑成型等知識，解決傳統(tǒng)保持器制作過程步驟多、精度差的問題，達(dá)到縮短保持器制作流程、提高制作精度和效率的目的。（2）案例理論與實踐結(jié)合。個性化透明保持器制作案例主要包括三個階段：一是牙頜數(shù)模的獲取與處理。學(xué)生通過光學(xué)掃描儀采集牙頜三維數(shù)據(jù)，利用逆向工程對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。這個階段讓學(xué)生把課堂上學(xué)到的光柵掃描、激光掃描理論知識與光學(xué)掃描儀的實際操作使用相結(jié)合，把逆向工程理論與逆向軟件使用相結(jié)合。二是將光固化3D打印牙模作為吸塑模具。通過3D打印實踐，讓學(xué)生掌握3D打印離散堆積的工作原理，以及激光功率、掃描速度等工藝參數(shù)對打印質(zhì)量的影響。三是個性化透明保持器吸塑成型。學(xué)生選擇不同厚度的膜片，通過壓膜機(jī)來完成保持器的吸塑成型，學(xué)生通過實際佩戴感知不同厚度的保持器對牙齒產(chǎn)生的力的大小;理解正壓和負(fù)壓吸塑成型的不同。