3D打印课程教学设计：PBL模式成功应用

（一）PBL模式的课程模型

目前，国内大多数的高职高专的3D打印技术的课程都还未开设正式的校本课程，大部分都是以选修课或者实训课的形式来开设。还有些学校只是考虑到学校的课程建设而购买了3D打印机，没有真正地将它应用于课堂。学生在学习3D打印机的时候，教师只是简单的指导他们如何开启机器进行打印，学生的兴趣被新鲜的事物激起，但是没有得到延续，因为学校没有系统完善的开设3D打印课程。部分沿海地区和经济发达地区的学校所开设的3D打印课程，因为没有统一正式的教材和合适的3D建模软件，教师的课程也是依靠自己对3D打印机的摸索，从而将自身的经验传递给学生。课程内容只是介绍3D打印机的使用和一些复杂的建模软件，这样就导致3D打印课程从灵活的综合实践课程变成了枯燥乏味的软件学习课程，无法激起学生对3D打印课程的兴趣。PBL模式教学模式的课程模型，是以一个问题或者一个项目为学习的起点，项目的设计即为学生创设一个映射真实世界问题的情境。它强调学科的综合，强调学习者之间的合作，主张让学生在真实情境中主动探究，有利于培养学生解决问题的能力、协作交流的能力以及搜集、处理信息的能力。在项目开始过程中，能够充分激起学生的学习兴趣，调动学生们的热情，这样就有利于教学活动的展开和教学内容的进程。

PBL模式教学模式的课程模型一共分成六个部分，分别是：设计项目、制定计划、活动探究、作品设计、成果交流和效果评价。

1.设计项目

项目的设计是整个PBL模式教学模式的课程模型中的第一部分，也是整个教学过程中的第一步，所以项目的设计非常重要。作为PBL教学模型的核心，项目贯穿于整个教学过程的始末，是师生共同关注的焦点，连接着教师的教与学生的学。项目的选取可以是老师来主导设计，也可以由学生讨论设计，然后师生共同商议确定，教师从旁进行指导。在3D打印课程教学中，项目选定，教师就会创设相适应的情境，由情境导入课程，激起学生对项目的兴趣。项目的设计应该是一个贴近生活的问题，学生能够根据自己的了解对项目进行讨论；项目的设计应该包含交叉学科的知识，这样在学习过程中，学生能够综合运用多种学科的知识来解决问题；项目的设计应该强调活动过程中学生之间的小组合作学习，这样才能使学生通过分享获取到更多的知识；项目的设计应该是对现实生活的探究，学生可以充分发挥自己的想象能力和创造能力；项目的设计应该要求学生使用多种信息工具和信息资源，学生可以通过各种方式来获取自己观点的支撑。

2.制定计划

根据课程的教学情况和学生的兴趣，划分项目学习小组，并在组内民主推选组长，然后对小组成员的工作进行划分，各小组在老师的指导下制定各小组的项目学习计划。具体的时间安排能使各小组有着较清晰的工作思路，能够高效地完成小组任务。如：三天内完成资料的收集、什么时间到什么时间确定项目的主体内容等等。在3D打印课程中，项目的计划应该包括：项目完成时间截止、项目的主体内容时间安排、往上搜集资料时间安排等等。总之，提前对小组项目学习活动进行预先设计。

3.活动探究

活动探究是PBL模式教学模式的课程模型的主体部分，学生的主要学习过程都是在这个部分完成的，包括：知识内容的学习、学习技能的锻炼、人际交往能力等等。在这个阶段，学生需要根据小组制定的学习计划，通过小组之间的合作，完成各部分的工作。项目教学活动包括小组内同学之间的合作，小组内同学和小组外同学之间的合作，小组内同学和老师之间的合作以及小组内同学，小组外同学与老师一起的合作，示，共同讨论问题并提出解决方案。在项目活动中，学生有时候还需要实地调查，对必要的细节需要自主观察，因为网上的资料可能不是那么的全面。在3D打印课程中的“家居设计”的项目中，有的小组根据观察小组成员的家居情况，实地考察并记录数据来进行设计完成的。

4.作品设计

作品设计是用来检测学生前期任务完成的质量，小组成员分享自己这段时间所获得的成果。它不同于其他教学活动的特征，在有些情况下，作品设计的过程，往往会随着活动探究过程一起进行。学生在进行活动探究的时候，都会根据当时的所获得的知识内容、数据或者灵感来设计完成部分作品。作品设计的环节，不会只在某个特定的环节进行，随着新的意见和思路，以及伴随着的修改，整个项目流程中都会贯穿着作品设计。

5.成果交流

完成各自的作品设计之后，每位同学在自己的小组内，针对自己获得的研究成果进行小组交流和展示。各小组针对研究成果，在老师的主持下进行交流和展示，其他小组成员都可以发表自己的看法。成果交流的形式可以多种多样，可以通过举办比赛的形式、主题汇报的形式和展览会的形式等等。各小组成员还可以分享自己在项目过程中的体会。最后由教师针对成果交流过程中出现的问题进行相应的指导与分析。6。效果评价在项目活动的最后一个阶段—效果评价，所有的学生和老师都可以充当评价者的角色，学校的老师、感兴趣的同学以及学生的家长等等都可以来参与效果评价。这个过程所评价的不是项目学习的结果，而是整个项目学习的效果，这也是PBL模式的教学模式的课程模型不同于一般的传统的教学模式。评价的内容是从项目的开始到项目结束的整个过程，可以使课题的选择，小组成员的表现，小组项目安排，小组成员之间的合作程度，数据的收集和整理以及最终成果的展示等。

（二）PBL模式的3D打印课程教学设计框架

1.PBL模式的3D打印课程教学

PBL模式的3D打印课程的课堂教学，就是将3D打印课程的课堂教学内容，以一个项目的形式，通过创设项目情境，激起学生对打印内容产生学习兴趣，了解目标内容的各种知识，完成各小组之间的互相协作活动，自主探究新的知识内容，然后大家一起分享自己的学习经历，展示自己的学习成果，由小组组长和老师进行指导评价的过程。学生互相之间一起发现问题，一起解决问题，能够体验到与传统课堂的大不同之处，在知识上，是以设计的项目为中心；在行为上，是以学生的活动为中心。这是以学生为中心的教学过程，老师只是从旁提供指导性帮助。

（三）PBL模式的3D打印课程教学构成要素

PBL模式的3D打印课程教学是一种基于一个项目、一个案例，甚至是一个问题的课堂教学活动，具有真实性，整个活动过程以学生为主，通过学生之间的自主探究，小组协作等完成探究实践，掌握新的知识技能的过程。它以基于项目的学习理论为指导，由内容、活动、情境和结果四大要素构成，如图8-1所示。

图8-1　PBL模式的3D打印课程教学构成要素

内容：指教学过程中围绕某一个特定的项目、案例或者问题来进行探究，内容贴近现实生活，是一种真实情境下的各学科知识的交叉运用，系统而且完整。内容主体有挖掘深度，能够激起学生的学习兴趣。活动：指学生在教学活动中运用的教学工具（如3D打印机等）和一定的研究方法（如实践探究等）解决面临的问题。在实践探究过程中，学生自主收集资料，小组协作讨论，实地测量数据，通过网络平台与他人合作分享成果。情境：指的是能够支持学生进行探究的学习环境，这种环境既可以是真是的实体环境，也可以是虚拟的网络环境。所创设的情境能够促进学生之间的协作学习，使学生能够掌握技术工具。结果：指在整个教学活动过程中，学生获得的学习技能，生活技能和自我管理技能。小组之间的探究成果可以以多种形式呈现，如演示文稿、表格、视频等等。小组成员之间可以相互评价每个人的探究成果。

（四）PBL模式的3D打印课程教学设计流程

PBL模式的3D打印课程的教学设计流程依据PBL模式的课程模型中的六大步骤，教师的教学设计过程依据PBL的课程模型，在课堂上，以学生为中心；在教学活动中，以项目活动为中心。笔者依据该模型，尝试设计了PBL模式的3D打印课程教学设计的流程。在教学任务环节，教师根据课程内容进行初步的项目设计，可以提供几个项目案例供学生参考。进行项目设计的时候，教师可以主动提出课程内容中进行的教学项目，也可以和学生一起讨论确定项目内容。教学分析一般分为课程内容的需求分析、学习者特征的分析和学情分析三个部分：分析目前高职高专学生对3D打印课程的需求，调查分析学生的基本学习情况，分析学生的学习特征。然后确定具体的项目主题和项目内容，针对项目制定计划，计划包括时间安排、项目进度、组员分工等等。根据项目内容进行活动探究，活动的探究可以是创设情境，学习工具，也可以是学习资源的类型。作品设计环节主要包括两个部分，一个是根据计划和活动所设计的的阶段作品，另一个是最后完成所有阶段后整合的完整作品。成果交流环节分为两个模块，小组分享和集体展示，每个小组在进行活动探究或者作品的设计的时候，都可以进行小组分享，例如，发现软件新的操作技巧，学习资源网站等，都可以小组内进行分享；集体展示是所有小组完成作品设计的时候，可以在班级内进行展示和交流。效果评价是在学生完成设计的时候对学生进行评价的时候，评价内容包括小组表现、研究过程和课题意义等，评价的标准不是统一的。知识建构与强化记忆是学生自我总结的过程，学生学会了哪些知识内容和操作技巧等。最后，由老师进行总结，对个小组作品和小组成员进行评价。

图8-2　PBL模式的3D打印课程教学设计流程(www.xing528.com)

（五）PBL模式的3D打印课程教学设计实践

笔者一直在探索怎么样将3D打印技术引入高职高专学生的课堂，3D打印技术有着自身的优势，能够锻炼学生的动手操作能力、创新能力和空间想象能力等。高职高专学生对新鲜事物有着强烈的好奇心，敢于去尝试新鲜事物，但怎么样根据高职高专学生的特点，在教学进程中，让学生保持这份新鲜感和好奇心才是课程的关键。3D打印机自身带来的只是机器的功能实现，而怎么样通过3D打印机这个教学工具，让学生主动探索现实生活中问题，并解决问题才是课程的根本。采用PBL模式的教学模型，能够很好地解决这些问题，根据设计的项目，能够很大程度上发挥3D打印的优势，探索它在这方面的教学潜能，使它不仅仅只扮演着教学工具的角色，同时还是教学活动过程中学生学习的伙伴，使学生更好地理解和应用所学习的知识，提高解决实际问题的能力。经过与学校老师的沟通，笔者决定在2016年三月份在上海出版印刷高等专科学校数字出版专业大一年级的两个班级进行PBL模式的3D打印课程教学设计的实践，并且通过调查问卷的形式调查学生的学习情况，分析PBL模式的3D打印课程教学设计的作用，期望为后续在高职高专学校开展3D打印课程的教师提供一些借鉴。

1.教学任务

这里的教学任务，即课程内容准备，让学生了解学习内容，并且进行适当的准备。根据安排，一般将教学任务分成两个部分，一个部分是知识内容；另一个部分是操作内容。知识内容：根据设计项目的不同，将建模软件的功能分类，将每个项目的功能实现集中讲解，依据项目学习基本的软件操作，让学生进行自主探究学习和小组协作学习。操作内容：学生在整个项目的教学过程中，将自己设计的部分成果进行尝试打印，检验设计成果的实践性。

2.设计项目

在设计项目的时候，需要事先进行教学分析环节，包括学习需求分析、学习者特征分析和学情分析。项目要适合当前阶段的学生，不同阶段的学生所设计的项目不同，高职高专阶段的学生，对事物已经有了一定的认知基础，有自己的独立意识，但对新鲜事物有着强烈的好奇心，对不同的课堂教学方式有着极大的兴趣，所以教师可以根据教学分析来设计项目。项目设计可以是老师自主完成，也可以是与学生讨论完成，此处项目由老师自主设计完成。“家居设计”项目背景是源于上海出版印刷高等专科学校的校企合作企业想要在学习3D打印实训课程的两个班级中，选出五名学生作为该公司的3D打印设计工程师实习生，并且给予奖励。笔者根据公司的要求，考量学生的各方面的综合实践能力：小组协作能力、动手操作能力、创新能力、空间想象能力等，设计出了主题为“家居设计”的项目。“家居设计”项目涉及的模型部分众多，可以充分展现学生的操作技能学习成果和学生的综合实践能力。基于这样的想法，笔者搜集了部分的“家居设计”的资料，进行课堂教学设计。

随着现代信息技术和科学技术发展，3D打印技术应运而生，作为一种新兴的科学技术，已逐渐在教育领域普及开来，3D打印技术因其创新性、先进性、数字型以及操作性等的特点，引起了高等职业教育工作者的浓厚兴趣。许多发达国家纷纷将3D打印技术作为产业发展的重要途径，制定了推动3D打印发展的国家战略和具体推动措施。中国正在进行传统制造业的改革，大力发展制造新型节能环保能源。为了促进产业提质增效升级，亟需3D打印技术来改造提升传统产业。2015年，《国家增材制造产业发展推进计划（2015—2016年）》以及《中国制造2025》相继出台，充分说明了3D打印对于我国经济社会发展的重要性，也彰显了我国发展3D打印产业的决心。随着3D打印行业的迅猛发展，3D打印技术专业人才却相对缺乏，要实现国家3D打印行业及相关本土企业的进一步发展、壮大，高技能人才和熟练技工等专业人才队伍的支撑必不可少。职业教育顺应3D打印行业的发展趋势和新的要求，积极探索3D打印专业人才培养模式、如何开设3D打印专业课程、加强高职高专学生3D打印课程的学习，开展3D打印专业建设，努力培养3D打印人才，向社会输送一批批合格的专业人才。3D打印课程的总体目标是让学生在项目学习过程中，了解新技术的基本理论知识和实践过程，着重培养学生使用新技术改善实际活、促进学习方式、服务社会生活的综合信息处理能力，发展学生的创新能力和动手实践能力。在设计项目过程中，需要对具体的教学目标进行分析，具体如下：（1）知识与技能了解“家居设计”项目实践过程：了解家居模型的组成和特点；能够运用Autodesk123D Design建模软件设计家居模型：掌握3D打印机的基本操作，并且能够打印家居模型。（2）过程与方法通过分组协作探究，套路项目流程；通过搜集整理资料，对“家居设计”建立初步的认识；通过小组讨论，分配任务，共同设计完成项目主题产品；通过组内分享和班级分享的形式，展示小组成果，交流心得。（3）情感态度价值观掌握项目从开始到实践，最后完成的过程，了解项目学习的方法；敢于在小组讨论中展示自己的观点和能力；敢于运用新的技术来实现自己的想法与创意；能够与他人一起合作，提升自己的团队素质；能够站在不同的角度分析同学和自己的作品；通过对项目的学习，能够打印自己的家居设计模型。

3.制定计划

在制定计划环节，根据学生的计算机水平和学习兴趣，老师将学生进行分组，并且至少指导学生完成三个部分，“家居设计”项目的时间安排、项目进度和组员分工，帮助学生小组完成项目实施计划。各小组成员在模型设计的过程中，写出自己设计的元素和特点，并附上名称和草图，用于小组内交流分享。

4活动探究

（1）创设情境

根据项目背景，创设基于现实生活的情境：学生都有自己的家，每个人的家的构造都是不同的，不同的人就有不同家居设计。可以根据自己实际的家居情况，模仿设计自己的卧室，也可以根据自己的想象，设计属于自己的家居模型，还可以设计未来的家居模型。模型的创建可以是内在结构，也可以突出外部特点，可以选择普通家具类型，也可以选择城堡模型等等。情境的创设符合项目的主题，贴近学生的真实生活，但是给予学生充分的想象空间和创造空间，让他们充分发挥自己的能力，让他们在学习的过程中不受限制和拘束。

（2）学习工具

Autodesk123D Design软件是欧特克公司发布的一套适用于普通用户的建模软件，是一款免费的软件，学生可以自行下载安装，这为学生自主建模工作带来了极大的方便。该系列软件为用户提供多种方式生成3D模型：用最简单直接的拖拽3D模型并进行编辑的方式进行建模；或者直接将拍摄好的数码照片在云端处理为3D模型；如果学生喜欢自己动手制作，123D系列软件同样为爱动手的用户提供了多种方式来发挥自己的创造力。不需要复杂的专业知识，任何人都可以轻松使用123D系列产品。123D Design打破了常规专业CAD软件从草图生成三维模型的建模方法，提供了一些简单的三维图形，通过对这些简单图形的堆砌和编辑生成复杂形状。

（3）学习资源

学生可以通过网络平台搜索网上的图片，视频等等，作为自己的学习资源，而且学生可以跟模型制作的特点，参考网上已有的模型。

5.作品设计

在作品设计环节过程一般非为两个步骤，阶段作品设计和完整作品设计。阶段作品设计要求小组成员完成整体家居设计的部分建模过程（桌子、椅子、床），并记录下来，具体见附录3。完整作品设计阶段，小组根据前期分工的结果，整理分析资料，然后开始设计模型，咨询专家（老师），尝试打印，最后总结经验。小组根据自己的设计完成模型，一般要经过打印的切片才可以打印，切片后的模型和预期相比会有很大的出入，这是因为学生建模的时候没有考虑模型的实际大小和复杂程度，以及打印机的辨识能力，所以要求学生咨询专家老师，设计的模型是否能够打印出来。

6.成果交流

成果交流过程不仅仅是出现在作品设计环节之后，在任何一个阶段，任何一个过程，小组成员之间有了灵感，小组之间可以进行分享，例如，学生可以分享自搜集资料的心得，在哪个网站有比较多的资源等等分享给大家。在完成一定的任务之后，小组成员之间也可以互相交流心得和收获，例如，学到了什么新的内容和新的技能等等，这样可以锻炼学生各方面的能力，在项目进程中可以获得更多的成长。完成作品之后，小组之间可以通过幻灯片、视频、文字稿的形式分享自己的成果，和所有的同学一起交流。在效果评价过程中，不以最终结果来评判好坏。评价的标准可以是小组成员在“家居设计”整个学习过程中的表现、小组研究的过程甚至是课题的意义，学生通过PBL模式的教学模式学习了这门课程，发生了哪些变化，有哪些提高，以发现学生的优点为参考标准，为学生的项目实践过程提出指导性意见。

7.知识建构与强化记忆

学生自我进行总结，在“家居设计”的项目过程中，学会哪些知识，掌握了哪些操作技巧。“家居设计”项目中家具模型是由桌子、椅子、沙发、床……卧室、卫生间、客厅、厨房等等构成的。模型的设计是通过“实体”、“绘图”、“合并”、“裁减”等功能来实现，让学生有一个清楚地知识网络。

8.总结

最后，由教师总结“家居设计”项目教学活动的经验，对学生的表现提出表扬。总结每个小组作品的特点，并且挑选符合条件的作品。