閻漢生 周渝明
摘 要:從國(guó)家戰(zhàn)略的高度闡明了快速原型制作技術(shù)對(duì)制造業(yè)創(chuàng)新升級(jí)的重要性。分析了工作過(guò)程導(dǎo)向的課程開(kāi)發(fā)模式和快速原型課程的建設(shè)歷史,將該模式引入高職機(jī)械類專業(yè)的快速原型課程改革。在對(duì)企業(yè)行業(yè)進(jìn)行調(diào)研的基礎(chǔ)上,分析產(chǎn)品快速原型的制作流程,包括快速原型制作、原型后處理和快速模具制造三個(gè)主要環(huán)節(jié),提煉了相應(yīng)崗位所需的職業(yè)能力,開(kāi)發(fā)配套的教學(xué)情境資源。以廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)為試點(diǎn),以省級(jí)實(shí)訓(xùn)基地為依托,在兩年的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行了完整的課程教學(xué)實(shí)踐,取得了良好的效果,證明了該課程模式開(kāi)發(fā)的有效性,同時(shí)對(duì)相關(guān)課程改革建設(shè)提供了有益參考。
關(guān)鍵詞:快速成型;工作過(guò)程;課程研究
中圖分類號(hào):G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):2096-000X(2017)24-0015-04
Abstract: From the height of national strategy, the importance of rapid prototyping technology to the innovation and upgrading of manufacturing industry is clarified. This paper analyzes the curriculum development mode based on the working process and the construction history in rapid prototyping, and applies the mode to rapid prototyping curriculum reform of mechanical major in higher vocational colleges. Based on the investigation of the industry, the paper analyzes the production process of rapid prototyping of products, including rapid prototyping, prototype post processing and rapid tooling, refines the professional ability required for corresponding positions, and develops the supporting situational teaching resources. Taking the major of industrial design of Guangdong College of Industry and Commerce as the experiments and relying on the provincial training base, the complete teaching practice has been carried on in two years with good effect. It has proved that this curriculum pattern development is effective and has provided a useful reference for the reform of related courses.
Keywords: rapid prototyping; working process; curriculum research
快速原型制作是一種傳統(tǒng)機(jī)械切削加工不同的典型的“增材”制造技術(shù),利用離散材料進(jìn)行分層疊加,堆積形成完整零件模型[1]。其優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)減少設(shè)計(jì)、加工、檢查的工具,可以設(shè)計(jì)更復(fù)雜的零件,針對(duì)市場(chǎng)需求快速改變產(chǎn)品??焖僭涂梢宰鳛楦拍罘桨冈u(píng)審和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)驗(yàn)證的載體[2]。
黨和國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)人多次提出,要大力加強(qiáng)以3D打印為代表的快速制造產(chǎn)業(yè),提高我國(guó)制造業(yè)水平,打造新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。習(xí)近平總書(shū)記指出,3D打印技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用很重要,要抓緊產(chǎn)業(yè)化[3]。李克強(qiáng)總理強(qiáng)調(diào)3D打印是制造業(yè)有代表性的顛覆性技術(shù),具有重大價(jià)值。3D制造產(chǎn)業(yè)方興未艾,需要大量專門技術(shù)人才,這是廣大高職院校的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。
從區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展來(lái)看,廣東省不斷加大力度推進(jìn)珠三角的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)轉(zhuǎn)型。提高產(chǎn)品的科技含量和創(chuàng)新水平是企業(yè)發(fā)展的核心動(dòng)力。必須縮短從提出設(shè)計(jì)創(chuàng)意到制作產(chǎn)品原型的流程時(shí)間,并能為細(xì)分市場(chǎng)人群提供個(gè)性化、可定制的小批量產(chǎn)品。《珠江西岸先進(jìn)裝備制造產(chǎn)業(yè)帶布局和項(xiàng)目規(guī)劃(2015-2020年)》中明確指出佛山市重點(diǎn)發(fā)展3d打印等智能裝備[4]。因此廣東制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)需要大批具備較強(qiáng)實(shí)踐能力和應(yīng)用能力的快速原型制作專門人才。
本文研究將分析快速原型制造企業(yè)的生產(chǎn)流程,探討如何將其融入到課堂教學(xué)環(huán)節(jié)中,并進(jìn)行課程的開(kāi)發(fā)和實(shí)踐,檢驗(yàn)相關(guān)成果。
一、關(guān)于工作過(guò)程導(dǎo)向課程開(kāi)發(fā)模式的研究
2004年教育部等部委聯(lián)合頒發(fā)了《職業(yè)院校技能型緊缺人才培養(yǎng)培訓(xùn)指導(dǎo)方案》,提出遵循企業(yè)實(shí)際工作任務(wù)開(kāi)發(fā)“工作過(guò)程系統(tǒng)化”的課程模式。工作過(guò)程導(dǎo)向的第三波高職課程改革已持續(xù)十余年,各級(jí)部門、各類高校在這種模式的課改的理論和實(shí)踐上都取得了豐碩的成果,推進(jìn)了課程教學(xué)改革,提高了高職人才培養(yǎng)質(zhì)量。
南京大學(xué)的崔軍在其博士論文《回歸工程實(shí)踐:我國(guó)高等工程教育改革研究》中,談到了我國(guó)大學(xué)工程教育從課程設(shè)計(jì)和實(shí)施兩個(gè)層面看,主要問(wèn)題有:課程目標(biāo)脫離工業(yè)需求、課程結(jié)構(gòu)分離工程能力、課程內(nèi)容偏離工程實(shí)踐、學(xué)生學(xué)習(xí)游離中心地位[5]。提出了“工程專業(yè)能力”框架和“模塊化的課程結(jié)構(gòu)”,強(qiáng)調(diào)了課程體系中的回歸工程理念。教育部職業(yè)技術(shù)教育中心研究所的姜大源、北京師范大學(xué)的趙志群、深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院的鐘健、寧波職業(yè)技術(shù)學(xué)院的何明友、湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院的彭濤等教育專家,也都對(duì)工作過(guò)程導(dǎo)向的課程體系開(kāi)發(fā)的意義、模式和關(guān)鍵問(wèn)題作過(guò)探討。
常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院的吳榮等在《基于工作過(guò)程的高職工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)課程體系構(gòu)建研究》一文中,以產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程作為研究對(duì)象,提煉典型工作任務(wù),設(shè)置了專業(yè)課程體系。重慶電子工程職業(yè)學(xué)院的陳鴻在《基于工作過(guò)程導(dǎo)向的高職課程開(kāi)發(fā)與實(shí)踐》一文中,將基于工作過(guò)程導(dǎo)向的課程開(kāi)發(fā)的基本思路歸納為:分析職業(yè)→典型工作任務(wù)→制定行動(dòng)領(lǐng)域→設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)情境→確定職業(yè)能力標(biāo)準(zhǔn)[6],并以《電路基礎(chǔ)技能與原理》課程為例,演示了其學(xué)習(xí)情境的建立過(guò)程??傮w來(lái)說(shuō),工作過(guò)程導(dǎo)向的課程開(kāi)發(fā)模式,已被越來(lái)越多的國(guó)內(nèi)外高校認(rèn)可并實(shí)施,效果良好,本課程選擇這種開(kāi)發(fā)模式是合理可行的。
二、關(guān)于快速原型制作課程建設(shè)歷史的研究
由于快速成型技術(shù)是20世紀(jì)90年代才逐漸發(fā)展起來(lái)的新型制造技術(shù),其相關(guān)的設(shè)備、材料昂貴,而我國(guó)高職教育也在近10年進(jìn)入快速發(fā)展階段,幾乎每個(gè)高職院校都面臨著校舍、師資方面的緊缺與招生規(guī)模迅速擴(kuò)大的矛盾,很難有充足師資和經(jīng)費(fèi)投入快速成型技術(shù)這門“非傳統(tǒng)”的新型機(jī)械制造類課程建設(shè)。國(guó)內(nèi)專門開(kāi)設(shè)這門課程的高校屈指可數(shù),大多數(shù)高校采取的方式是在其他課程中穿插單個(gè)章節(jié),講授快速成型的理論知識(shí),例如放在逆向工程、現(xiàn)代制造技術(shù)、珠寶設(shè)計(jì)、數(shù)控技術(shù)等課程中。但還是有不少學(xué)者對(duì)快速成型技術(shù)課程做了理論分析和建設(shè)預(yù)測(cè),積累了不少有益的經(jīng)驗(yàn)。
常州輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院的徐小玉分析了高職教育開(kāi)設(shè)快速成型課程的必要性,并從課程體系、師資隊(duì)伍、實(shí)踐體系等方面論證了該院計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造專業(yè)開(kāi)設(shè)快速成型技術(shù)課程的可行性和迫切性[7]。
齊魯工業(yè)大學(xué)的畢延剛在《3D打印對(duì)高等院校工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)教學(xué)的影響》一文中,從促進(jìn)學(xué)生獲取多學(xué)科知識(shí),加強(qiáng)多領(lǐng)域融合,拓展想象空間,提升設(shè)計(jì)能力,增強(qiáng)設(shè)計(jì)嚴(yán)謹(jǐn)性,增加就業(yè)機(jī)會(huì),推動(dòng)高校產(chǎn)學(xué)研教學(xué)發(fā)展,提高企業(yè)自主研發(fā)能力等方便論述了快速成型技術(shù)對(duì)工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)教學(xué)的作用。
此外,廈門大學(xué)的付澤民、臺(tái)州學(xué)院的張英杰、浙江理工大學(xué)的曹超嬋、廣州市工貿(mào)技師學(xué)院的楊三艷等分別探討了在快速成型技術(shù)在逆向工程、高分子材料加工、首飾工藝設(shè)計(jì)、機(jī)械學(xué)等課程中的應(yīng)用[8-10]。這些積累為后續(xù)研究提供了充分的經(jīng)驗(yàn)資料。
三、課程改革需解決的主要問(wèn)題
目前國(guó)內(nèi)快速成型技術(shù)還在起步階段,大多數(shù)企業(yè)尚未普及。關(guān)于快速成型技術(shù)的研究主要集中在清華、北航、西交大、華科等著名高校,主要以研發(fā)、銷售設(shè)備為主。在課程教學(xué)方面,走在前面的是國(guó)家骨干院校天津輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院,已經(jīng)開(kāi)設(shè)數(shù)控技術(shù)專業(yè)(快速成型方向)。大部分高校有關(guān)快速原型制作課程的形式主要仍以理論教學(xué)為主,著重講解各種快速成型的原理,以理論教學(xué)為主,動(dòng)手操作的實(shí)訓(xùn)較少。多數(shù)需要制作產(chǎn)品模型的院校仍以手工模型制作為主,如石膏、塑料模型,較少引入先進(jìn)的快速成型技術(shù)[11]。究其原因,一方面是教師對(duì)新知識(shí)、新技術(shù)掌握得不夠,相配套的設(shè)備、材料價(jià)格昂貴,較為缺乏,另一方面是在快速原型制作課程方面,高職院校還缺少系統(tǒng)性的研究、缺少實(shí)踐性強(qiáng)的指導(dǎo)教材、缺少完整的教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。
構(gòu)建工作過(guò)程導(dǎo)向的快速原型制作課程主要解決的主要問(wèn)題包括:結(jié)合原型制作相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),在課程的內(nèi)容和形式兩方面進(jìn)行探索,完成課程標(biāo)準(zhǔn)、教學(xué)組織、實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)、考核評(píng)價(jià)、教學(xué)資源、網(wǎng)絡(luò)課程等環(huán)節(jié)的制定,開(kāi)發(fā)相應(yīng)的課程資源,進(jìn)行兩個(gè)學(xué)期左右的教學(xué)實(shí)踐,總結(jié)反饋經(jīng)驗(yàn),不斷優(yōu)化課程設(shè)計(jì),在提煉企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的基礎(chǔ)上融合快速成型等先進(jìn)制造的相關(guān)技術(shù)和理論,使學(xué)生掌握以3D打印為核心的快速原型制作方法和技能,更好的滿足企業(yè)對(duì)人才的需求。
四、研究方法與過(guò)程
(一)研究方法
采用廣泛調(diào)研和集中討論相結(jié)合、工作過(guò)程與教學(xué)項(xiàng)目相結(jié)合,在教學(xué)反饋的基礎(chǔ)上逐步遞進(jìn)不斷完善的課程改革總體實(shí)施方案。方案整體流程是首先在分析研究國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上,形成項(xiàng)目整體的研究思路和方法,再通過(guò)廣泛企業(yè)調(diào)研和同類院校交流,歸納出快速原型制作的崗位能力和人才需求,參考目前該課程教學(xué)還存在的不足,對(duì)比整理出課程的目標(biāo)、定位和形式,結(jié)合職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和專家建議,制定具體的教學(xué)資源和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,通過(guò)兩個(gè)班級(jí)在兩個(gè)學(xué)期內(nèi)的教學(xué)實(shí)踐,接收記錄反饋信息,建立課程質(zhì)量監(jiān)控體系和人才職業(yè)能力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,最后對(duì)課程創(chuàng)新改革效果進(jìn)行評(píng)價(jià)、鑒定。流程如圖1所示。
實(shí)施方案具體從以下幾個(gè)方面進(jìn)行研究分析:
1. 參考快速原型制作相關(guān)行業(yè)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn),把握職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)和能力要求,為課程開(kāi)發(fā)提供理論指導(dǎo)。
2. 圍繞工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)人才培養(yǎng)方案中的具體崗位,調(diào)研相關(guān)企業(yè)人才需求狀況,分析職業(yè)工作內(nèi)容、劃分高職教育的專業(yè)學(xué)習(xí)領(lǐng)域。
3. 比較目前高職院??焖僭椭谱髡n程與國(guó)家職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)接情況,為課程開(kāi)發(fā)提供事實(shí)依據(jù)和基礎(chǔ)。
4. 構(gòu)建遵循教學(xué)客觀規(guī)律的課程內(nèi)容,同時(shí)將國(guó)家職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的各項(xiàng)要求分解歸類并有機(jī)融入課程內(nèi)容,強(qiáng)化學(xué)習(xí)項(xiàng)目和典型工作任務(wù)的萃取,實(shí)現(xiàn)職業(yè)能力課程的轉(zhuǎn)化。
5. 建立課程改革質(zhì)量監(jiān)控體系和人才職業(yè)能力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,完善保障措施,包括師資隊(duì)伍建設(shè)、教材論文出版、競(jìng)賽和考證培訓(xùn)等。
(二)研究過(guò)程
2014年7月至2016年6月間,圍繞《中國(guó)制造2025》和《珠三角改革發(fā)展規(guī)劃綱要》,課題組在佛山順德龍創(chuàng)域快速制造有限公司、杭州先臨三維科技有限公司、廣東省機(jī)械設(shè)計(jì)研究所、佛山朝野科技有限公司等企業(yè)進(jìn)行了深入調(diào)研,圖2為企業(yè)調(diào)研場(chǎng)景。開(kāi)發(fā)快速原型制作技術(shù)課程,在工業(yè)設(shè)計(jì)等專業(yè)進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐,引入對(duì)比研究方法,系統(tǒng)地、科學(xué)地測(cè)量和記錄2個(gè)班課程教學(xué)的全過(guò)程,進(jìn)行評(píng)審優(yōu)化和反饋優(yōu)化,形成穩(wěn)定有效的課程教學(xué)模式。
在研究過(guò)程中,確定了產(chǎn)品快速原型制作的一般工作過(guò)程是“快速成型制作”→“原型后處理”→“快速模具制造與翻?!边@三大環(huán)節(jié),其中快速模具制作與翻模環(huán)節(jié)是否需要得根據(jù)模型批量大小而定。細(xì)節(jié)上要著重搞清快速原型制作在實(shí)際生產(chǎn)流程中的作用及評(píng)價(jià)指標(biāo),包括每一個(gè)階段的原型加工、評(píng)價(jià)、測(cè)試和改進(jìn)的方法。把握好學(xué)習(xí)項(xiàng)目和典型工作任務(wù)萃取的結(jié)合度,實(shí)現(xiàn)職業(yè)能力向課程的轉(zhuǎn)化。在校內(nèi)有限的條件下選擇不同的生產(chǎn)實(shí)例進(jìn)行項(xiàng)目式教學(xué),選擇合適的方式完成原型制作,包括快速成型、快速模具、CNC加工。在考慮原型性能、加工成本、測(cè)試重點(diǎn)等因素的同時(shí),還要滿足知識(shí)性、趣味性、可行性[12]。
課程開(kāi)發(fā)的具體成果有以下幾項(xiàng):
1. 在廣泛調(diào)研企業(yè)的基礎(chǔ)上,分析了快速原型制作工作過(guò)程,提煉崗位職業(yè)能力,圖3為崗位職業(yè)能力培養(yǎng)目標(biāo)。
2. 結(jié)合基于工作工程導(dǎo)向的課程開(kāi)發(fā)理論,設(shè)計(jì)了若干個(gè)具體學(xué)習(xí)情境,體現(xiàn)崗位能力的訓(xùn)練和培養(yǎng)。
3. 構(gòu)建了具體的課程標(biāo)準(zhǔn)、課程教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段、教學(xué)組織、實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)、考核評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、資源共享平臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)課程等課程資源,開(kāi)展教學(xué)實(shí)踐。
4. 聘請(qǐng)教育專家、企業(yè)技術(shù)人員、畢業(yè)學(xué)生參與課程改革的咨詢論證,進(jìn)行了課程的評(píng)審優(yōu)化和反饋優(yōu)化。
5. 以教材和論文的形式總結(jié)了課程開(kāi)發(fā)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),關(guān)鍵問(wèn)題的解決方法。
(三)實(shí)踐條件
課程實(shí)踐過(guò)程依托于筆者單位的廣東省工業(yè)設(shè)計(jì)省級(jí)實(shí)訓(xùn)基地,該實(shí)訓(xùn)基地自2009年開(kāi)始建設(shè),一直是學(xué)院重點(diǎn)發(fā)展項(xiàng)目,包括中央財(cái)政、省級(jí)專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)和學(xué)院自籌資金在內(nèi)先后共投入超過(guò)500萬(wàn)元。在課程調(diào)研前后,參考行業(yè)企業(yè)發(fā)展,對(duì)快速原型制作相關(guān)的設(shè)備進(jìn)行進(jìn)一步補(bǔ)充和升級(jí),以更好的滿足課程教學(xué)的需要。目前和課程教學(xué)相關(guān)的主要設(shè)備包括:Stratasys的FDM 200mc一臺(tái),HTS-300成型機(jī)一臺(tái),太爾時(shí)代的UP BOX22臺(tái),HVC-0真空注型機(jī)一臺(tái),HRCH-1工業(yè)烤箱一臺(tái),專用高性能電腦60臺(tái),大型模型工作臺(tái)9張,各類修模工具100余套。已能較好滿足教學(xué)實(shí)操的需要,圖4為教師演示FDM的控制面板操作。
五、課程實(shí)踐與效果
本課程以產(chǎn)品原型制作師、手板工等職業(yè)崗位能力培養(yǎng)為重點(diǎn),根據(jù)崗位的職業(yè)工作過(guò)程來(lái)組織課程的學(xué)習(xí)領(lǐng)域和學(xué)習(xí)內(nèi)容,并形成若干相對(duì)應(yīng)的典型工作任務(wù)[13]。以職業(yè)行為活動(dòng)作為依據(jù),組織訓(xùn)練項(xiàng)目任務(wù)和課程內(nèi)容。以職業(yè)活動(dòng)的工作流程為依據(jù),組織項(xiàng)目的工作任務(wù)和步驟流程,如圖5所示。
教師發(fā)揮自身優(yōu)勢(shì),在下企業(yè)鍛煉期間與企業(yè)技術(shù)人員合作,編寫(xiě)了針對(duì)快速原型制作職業(yè)技能三、四級(jí)培訓(xùn)的全套6本指導(dǎo)書(shū)。既作為企業(yè)新員工培訓(xùn)手冊(cè),也作為學(xué)生實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書(shū),已在佛山市龍創(chuàng)域快速制造公司和廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院同步使用,達(dá)到了校企合作、互惠雙贏的效果。課程采用教學(xué)做一體化方式,深受學(xué)生喜愛(ài),圖6為學(xué)生分組實(shí)訓(xùn)過(guò)程和作品。
在2014-2016兩年多的課程實(shí)施過(guò)程中,學(xué)生多方面能力得到鍛煉,包括機(jī)械CAD讀圖繪圖能力、產(chǎn)品三維建模能力、快速原型制作能力、快速模具制作能力、團(tuán)隊(duì)合作與創(chuàng)新能力[14]。本校工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)學(xué)生在2015和2016年全國(guó)高職院校技能競(jìng)賽“工業(yè)產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)與快速成型”項(xiàng)目中獲得國(guó)家二等獎(jiǎng)2項(xiàng),省級(jí)一等獎(jiǎng)3項(xiàng)、二等獎(jiǎng)1項(xiàng),在2015年廣東省CAD圖形設(shè)計(jì)職業(yè)技能競(jìng)賽中獲得省級(jí)三等獎(jiǎng)3項(xiàng)。課程教師獲省級(jí)競(jìng)賽職工組一等獎(jiǎng)1項(xiàng),二等獎(jiǎng)2項(xiàng),1人獲評(píng)廣東省技術(shù)能手稱號(hào)。課程改革配套開(kāi)發(fā)的《快速成型與后處理》課程立項(xiàng)為2015年廣東省高職精品開(kāi)放課程。課程的改革與實(shí)踐在多方面均取得了良好的成效。
六、結(jié)束語(yǔ)
本文研究針對(duì)快速原型技術(shù)這一先進(jìn)制造方式,依托廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)教學(xué),經(jīng)過(guò)大量企業(yè)調(diào)研和教學(xué)實(shí)踐,開(kāi)發(fā)了工作過(guò)程導(dǎo)向的快速原型制作課程的教學(xué)形式和課程資源,取得良好效果,為相關(guān)課程建設(shè)提供新的思路和實(shí)踐探索。課程實(shí)踐表明學(xué)生在快速原型制作崗位的職業(yè)能力有了較大提高,為珠三角地區(qū)產(chǎn)業(yè)升級(jí)改造提供了后備力量。
參考文獻(xiàn):
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