基于職業(yè)分析的3D打印一體化課程設(shè)計(jì)

秦鴻驕 趙麗

摘要：近年來，在職業(yè)院校中，一體化課程改革是越來越深入，學(xué)生也因此獲益良多。3D打印作為智能制造和工業(yè)4.0的新興技術(shù)，隨著市場需求不斷增加，備受高職院校青睞，一些高職院校已陸續(xù)開設(shè)相關(guān)專業(yè)和課程。設(shè)計(jì)基于職業(yè)分析的3D打印技術(shù)一體化課程，一方面有利于理實(shí)結(jié)合、方便教學(xué)，另一方面可以總結(jié)工作經(jīng)驗(yàn)，從而促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和實(shí)習(xí)效率。文章以天津市海河教育園區(qū)某高職院校3D打印技術(shù)課程實(shí)踐為例，設(shè)計(jì)總結(jié)了一種基于職業(yè)分析的3D打印一體化課程案例。

關(guān)鍵詞：職業(yè)分析；3D打印；一體化課程

中圖分類號：G712 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-5727（2018）05-0068-05

高等職業(yè)教育以高技能、高素質(zhì)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)為己任，能力是雙高人才不可或缺的核心要素[1]。一方面，高技能、高素質(zhì)的應(yīng)用型人才必須掌握專業(yè)技能，另一方面需要具備基本的職業(yè)道德素養(yǎng)[2]。鑒于此，高等職業(yè)教育的培養(yǎng)目標(biāo)是專業(yè)化的，這就要求我們孕育出比較有特色的課程開發(fā)理念。這其中，依托以往一體化教學(xué)改革中的經(jīng)驗(yàn)，天津市海河教育園區(qū)某高職院校課程開發(fā)依舊選擇了職業(yè)分析作為主要課程設(shè)計(jì)依據(jù)，因?yàn)樗芟蚋呗?D打印一體化課程的目標(biāo)定位、設(shè)置安排、內(nèi)容選擇和教學(xué)實(shí)施提供一個實(shí)際工作過程的參考。

近些年，由于智能制造的發(fā)展和新興產(chǎn)業(yè)需求，3D打印逐漸走下神壇，被廣泛應(yīng)用在加工制造的各個領(lǐng)域。根據(jù)最新修訂的《普通高等學(xué)校高等職業(yè)教育（專科）專業(yè)目錄（2015年）》，高職院校的一些專業(yè)設(shè)有“3D打印”和“增材制造技術(shù)”方向，如機(jī)械制造與自動化專業(yè)（增材制造技術(shù)方向）、航空材料精密成型技術(shù)專業(yè)（航空產(chǎn)品3D打?。┑萚3]。3D打印是增材制造技術(shù)專業(yè)的必修課，配有工程制圖、建模技術(shù)、自動控制等基礎(chǔ)課程。學(xué)生在學(xué)習(xí)這門課程之后，能掌握并理解3D打印技術(shù)在實(shí)際工程應(yīng)用的基礎(chǔ)知識，從而有能力組裝3D打印設(shè)備，設(shè)計(jì)和編寫3D打印程序，根據(jù)生產(chǎn)需要設(shè)計(jì)工程部件，進(jìn)而滿足基于3D打印技術(shù)的工程安裝、調(diào)試、維護(hù)和設(shè)計(jì)的要求。開設(shè)該課程的目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生面向?qū)嶋H工程時的動手、動腦能力，為后續(xù)學(xué)習(xí)工業(yè)設(shè)計(jì)、文化創(chuàng)意、3D打印模具制造等其他課程提供知識和技術(shù)保障。

一、3D打印職業(yè)分析

（一）崗位群分析

通過前期的市場調(diào)研和企業(yè)走訪，可以根據(jù)行業(yè)水平把中國的3D打印產(chǎn)業(yè)所需的人才分為三種類型：一是上游技術(shù)和材料研發(fā)企業(yè)所需的3D打印技術(shù)研究、材料開發(fā)人才；二是中游設(shè)備生產(chǎn)商所需的3D打印機(jī)生產(chǎn)工藝人才；三是下游服務(wù)商所需的3D打印機(jī)營銷、售后服務(wù)以及3D打印服務(wù)等方面的技術(shù)應(yīng)用人才。這三類人才所需掌握的技術(shù)技能如下頁表1所示。

簡言之，相關(guān)崗位群主要涉及3D打印產(chǎn)品設(shè)計(jì)、開發(fā)、制造和管理等崗位，從業(yè)人員主要需要掌握如何操作、加工、維護(hù)激光設(shè)備以及對加工產(chǎn)品進(jìn)行銷售等。以技術(shù)路線為主，通過技能的不斷提高，3D打印初期技術(shù)崗位對應(yīng)技術(shù)員二次晉升可成為技術(shù)工程師，通過業(yè)務(wù)能力的提升，三階段可以晉升為技術(shù)總工程師等；以業(yè)務(wù)人員為主線，有3D打印技術(shù)的人員還可以對相關(guān)服務(wù)和設(shè)計(jì)公司、在線商店和其他相關(guān)單位進(jìn)行技術(shù)操作、咨詢服務(wù)和管理服務(wù)；或者選擇建立一個提供3D產(chǎn)品設(shè)計(jì)和打印服務(wù)的網(wǎng)上商店或?qū)嶓w店。

（二）典型工作過程分析

面向典型工作任務(wù)的3D打印一體化課程的工作過程如圖1所示。

3D打印一體化課程從教學(xué)內(nèi)容上分析，既不同于普通高校開設(shè)的3D打印原理類課程，主要側(cè)重3D打印技術(shù)理論的講授和學(xué)習(xí)，不重視實(shí)踐訓(xùn)練；又不同于中職學(xué)?；蚺嘤?xùn)學(xué)校開設(shè)的3D打印技術(shù)類課程，主要側(cè)重應(yīng)用性實(shí)踐訓(xùn)練，忽略3D打印技術(shù)理論知識的傳授；也不同于普通高職學(xué)校3D打印技術(shù)類課程主要采取基于知識點(diǎn)的傳統(tǒng)教學(xué)形式，而是在教學(xué)中構(gòu)建基于實(shí)際工作過程的3D打印項(xiàng)目設(shè)計(jì)、安裝與調(diào)試仿真情境，讓學(xué)生在仿真情境中以一貫性項(xiàng)目開發(fā)為載體，將3D打印技術(shù)基本理論知識和3D打印成品設(shè)計(jì)、應(yīng)用、設(shè)備管理和維護(hù)技能以及基于3D打印技術(shù)的上位機(jī)界面模型設(shè)計(jì)通過軟件進(jìn)行解構(gòu)與重構(gòu)，使其完全融入到一貫性項(xiàng)目開發(fā)過程中。教學(xué)過程中采用基于工作任務(wù)的教學(xué)方法，是為了讓學(xué)生在完成項(xiàng)目和進(jìn)行任務(wù)的過程中掌握3D打印技術(shù)的基本知識和實(shí)際操作技能[4]。

（三）典型工作任務(wù)分析

以基于3D打印的零件加工這個典型工作任務(wù)的具體過程舉例來說，在企業(yè)生產(chǎn)工作中，經(jīng)常需要操作人員自主設(shè)計(jì)和加工一些工具，加工人員有時也會根據(jù)產(chǎn)品的要求自制一些小工具，以提高工作效率。完成這些任務(wù)的過程是：處理人員接受處理任務(wù)，或者根據(jù)現(xiàn)有模式的要求，根據(jù)功能需求，制定工作計(jì)劃，確定加工工藝，并制備3D打印機(jī)和對應(yīng)打印模式，完成產(chǎn)品的加工、裝配、檢驗(yàn)，合格后交貨。在工作過程中，有關(guān)人員的執(zhí)行要嚴(yán)格遵守安全規(guī)則，在完成工作后，按照現(xiàn)場清理管理、退貨、廢物處理等環(huán)節(jié)進(jìn)行廢物處置。

表2是3D打印材料采購崗位的關(guān)鍵職業(yè)能力對照表。這只是3D打印項(xiàng)目所涉及的其中一個典型工作過程和任務(wù)，經(jīng)過市場調(diào)研和多次論證后，基于相對科學(xué)的典型的工作任務(wù)，把知識點(diǎn)滲透在每一步工作過程中，以項(xiàng)目的方式體現(xiàn)系統(tǒng)性，才是本文所說的3D打印一體化課程設(shè)計(jì)中的思路。一方面，學(xué)生通過現(xiàn)場觀摩、視頻圖片等觀看的方式，感知企業(yè)生產(chǎn)環(huán)境和生產(chǎn)流程，了解安全生產(chǎn)要求、規(guī)章制度和技術(shù)發(fā)展趨勢等，并通過各種方式展示所認(rèn)知的信息；另一方面，學(xué)生能規(guī)范使用工具和設(shè)備（如3D打印機(jī)、SLS切割等），利用工具按圖樣制作零件，并能正確保養(yǎng)和歸置工具和設(shè)備，按照國家標(biāo)準(zhǔn)，完成手工零件繪制和產(chǎn)品三視圖制作，具備一個技術(shù)人員的核心素養(yǎng)。

二、課程整體設(shè)計(jì)

（一）課程目標(biāo)設(shè)計(jì)

1.總體目標(biāo)

本課程通過“數(shù)控磨床組件設(shè)計(jì)”這一貫穿項(xiàng)目以及“數(shù)控機(jī)床風(fēng)機(jī)配置的離心葉輪制作”這一自主項(xiàng)目的訓(xùn)練，使學(xué)生能夠使用3D MAX模型設(shè)計(jì)軟件和組裝好的3D打印機(jī)，根據(jù)工程項(xiàng)目參數(shù)要求，構(gòu)建磨床各部件之間的組裝模型；利用3D MAX建模軟件的內(nèi)部資源、基本操作和3D視覺仿真，根據(jù)項(xiàng)目要求，每個組件的設(shè)計(jì)和安裝可以一步一步完成，整個項(xiàng)目可以調(diào)試。上位機(jī)可用于軟件設(shè)計(jì)，根據(jù)工程要求，數(shù)控磨床可以完成基本操作，編制設(shè)計(jì)軟件的設(shè)計(jì)過程，調(diào)試整機(jī)，具有初步的3D打印設(shè)計(jì)能力和解決3D打印技術(shù)項(xiàng)目實(shí)際問題的能力。

2.能力目標(biāo)

能根據(jù)項(xiàng)目方案需求，進(jìn)行模型設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)的計(jì)算，完成建模；能根據(jù)項(xiàng)目方案需求，對項(xiàng)目外圍的非3D打印部件進(jìn)行選型，做項(xiàng)目配置；能根據(jù)項(xiàng)目設(shè)備選型，進(jìn)行相應(yīng)產(chǎn)品的詢價，做項(xiàng)目報(bào)價單；能根據(jù)項(xiàng)目配置和方案，利用3D MAX、Auto CAD等軟件繪制部件模型和整機(jī)3D圖樣；能根據(jù)數(shù)控磨床組件的機(jī)械安裝圖和控制原理圖，進(jìn)行整機(jī)組裝；能用3D MAX、Cura等軟件進(jìn)行部件的繪制、修改、組裝效果仿真等操作；能用3D打印機(jī)完成設(shè)計(jì)部件的制作；能讀懂要打印件的工作圖；能夠合理選擇打印機(jī)及打印材料，在打印過程中，改變包含打印部分的測試區(qū)域的電容值的時間序列曲線，并比較時間序列曲線和參考時間序列曲線，以確定是否應(yīng)該改變打印的參數(shù)；能夠定期進(jìn)行設(shè)備檢查，分析、判斷設(shè)備測試結(jié)果是否正常；能直觀地判斷機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行是否異常，并能分析故障的原因；目測打印件與圖樣的形狀及尺寸；優(yōu)化3D打印機(jī)程序，打印設(shè)備維護(hù)；升級3D打印機(jī)程序及電子設(shè)備；根據(jù)產(chǎn)品的需求提出可行的解決方案；能應(yīng)用3D打印技術(shù)的知識和技能解決某些實(shí)際工程問題。

3.知識目標(biāo)

掌握3D打印技術(shù)理論知識；熟悉3D打印應(yīng)用的科技領(lǐng)域；熟悉常用金屬材質(zhì)、繪圖、公差與配合的知識；掌握機(jī)械加工基礎(chǔ)知識；掌握機(jī)械加工的常規(guī)工藝知識；掌握數(shù)控機(jī)床操作及編程方面的知識；掌握鉗工基礎(chǔ)知識；掌握液壓、裝配技術(shù)知識；了解質(zhì)量管理知識；熟悉3D打印復(fù)雜零件的工作圖的讀取方法；了解項(xiàng)目優(yōu)化的指標(biāo)和方法；掌握3D MAX、Cura等軟件的基本操作方法；掌握3D打印設(shè)備的組裝方法；掌握3D打印設(shè)備的組裝與維護(hù)方法。

4.素質(zhì)拓展目標(biāo)

能夠根據(jù)客戶需求和實(shí)際工程情況正確地講述、說明、提問、回答問題，普通話流利，并能夠正確理解客戶的意圖，增加實(shí)際工程現(xiàn)場工作經(jīng)驗(yàn)；在項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程中，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，繪制出各部件的模型圖和操作流程圖，培養(yǎng)學(xué)生的形象思維能力，從不同的角度找出問題和解決問題的能力；在項(xiàng)目模型繪制和匹配過程中，根據(jù)程序流程圖，以實(shí)現(xiàn)整機(jī)工作功能為基礎(chǔ)，盡量簡化模型的設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生養(yǎng)成獨(dú)立思考的學(xué)習(xí)習(xí)慣，能全面的分析和比較、總結(jié)和概括所學(xué)內(nèi)容，舉一反三；在項(xiàng)目進(jìn)行過程中，按照一定的要求把所有的學(xué)生分組，組內(nèi)成員可以在組長的安排下，與團(tuán)隊(duì)成員合作，及時完成任務(wù)，每個團(tuán)隊(duì)成員都必須善于從別人的經(jīng)驗(yàn)中學(xué)習(xí)，發(fā)揚(yáng)團(tuán)隊(duì)精神，由此培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)建設(shè)能力、組織協(xié)調(diào)能力、創(chuàng)新能力等；在項(xiàng)目訓(xùn)練過程中，掌握安全第一的原則，嚴(yán)格按照工作規(guī)程操作，培養(yǎng)學(xué)生良好的職業(yè)素養(yǎng)；在學(xué)習(xí)和教學(xué)過程中，培養(yǎng)學(xué)生承受失敗和接受挑戰(zhàn)的意識；在構(gòu)建數(shù)控磨床組件設(shè)計(jì)項(xiàng)目的過程中，培養(yǎng)學(xué)生經(jīng)濟(jì)成本、安全、環(huán)保、質(zhì)量等方面的意識；能熟知在基于數(shù)控磨床組件設(shè)計(jì)的項(xiàng)目中遇到的專業(yè)英語詞匯及縮寫詞的意義。

（二）課程內(nèi)容及項(xiàng)目設(shè)計(jì)（見下頁表3）

在實(shí)際教學(xué)過程中整體流程如下：接受任務(wù)→學(xué)生獲取信息（自我學(xué)習(xí)）→按教師示范進(jìn)行操作→自檢→按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行自評、互評和師評→進(jìn)一步學(xué)習(xí)完善→根據(jù)工藝等要求重新完成工作→自檢→按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行自評、互評和師評→總結(jié)。

（三）考核方式

1.學(xué)習(xí)任務(wù)過程性考核

每個學(xué)習(xí)任務(wù)可采用學(xué)生自評、組內(nèi)互評、組間互評、教師評價和企業(yè)專家評價等方式相結(jié)合進(jìn)行考核[5]。依據(jù)任務(wù)難度、能力需求和課時分布，暫定的各學(xué)習(xí)任務(wù)成績占比分別為：學(xué)習(xí)任務(wù)1和學(xué)習(xí)任務(wù)2共占5%；學(xué)習(xí)任務(wù)3、學(xué)習(xí)任務(wù)4和學(xué)習(xí)任務(wù)5共占15%；學(xué)習(xí)任務(wù)6至學(xué)習(xí)任務(wù)10共占40%；學(xué)習(xí)任務(wù)11至學(xué)習(xí)任務(wù)16共占40%。

2.課程終結(jié)考核

完成各學(xué)習(xí)任務(wù)后，3D打印一體化課程的終結(jié)考核按如下方式進(jìn)行：學(xué)生根據(jù)項(xiàng)目B的任務(wù)書，獨(dú)立完成實(shí)施方案，并根據(jù)實(shí)施方案獨(dú)立完成作品的加工、裝配和調(diào)試工作。評估的結(jié)果是課程的最終測試結(jié)果。

3.課程成績計(jì)算

課程成績=學(xué)習(xí)任務(wù)成績×60%+課程終結(jié)考核×40%。

三、課程實(shí)施效果

（一）教師和學(xué)生在一體化課程進(jìn)行中的角色發(fā)生了轉(zhuǎn)變

這門課的目的是讓學(xué)生做更多的事情，不僅僅是動手去做，而且要動腦去做，不僅是學(xué)生要做，而且是教師要做。在學(xué)習(xí)過程中，學(xué)校經(jīng)常使用競爭法。例如，在進(jìn)行“完成3D打印部件的制作”內(nèi)容時，要求每一個制作組推選一名學(xué)生上臺展示、比賽，學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣十分濃厚，而且都爭著舉手回答問題，主要是因?yàn)楹ε缕渌瑢W(xué)把自己的答案講出來，自己沒有可以講的了，每個人都想為自己的團(tuán)隊(duì)而戰(zhàn)，這樣也能提高集體凝聚力?！耙越處煘橹鲗?dǎo)，以學(xué)生為主體”的理念在一體化課程進(jìn)行中展現(xiàn)無遺，這極大提高了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，因此達(dá)到了較好的教學(xué)效果，提高了教學(xué)質(zhì)量[6]。

（二）合作意識和合作能力是高技能應(yīng)用型人才應(yīng)該具備的基本素質(zhì)

小組學(xué)習(xí)是組織課堂的主要方式，這不僅為學(xué)生提供了合作的機(jī)會，還幫助學(xué)生共同學(xué)習(xí)和交流經(jīng)驗(yàn)，從而形成積極、主動、合作的學(xué)習(xí)方式，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生合作與共享的能力素養(yǎng)。例如，在進(jìn)行“完成整機(jī)的運(yùn)行調(diào)試”內(nèi)容時，在最后的展示階段，學(xué)生自己設(shè)計(jì)了從設(shè)計(jì)→修改→組裝→調(diào)試等一系列的操作，調(diào)動了同組的每一個成員，實(shí)現(xiàn)了在學(xué)習(xí)專業(yè)技能的同時又提高了合作的意識和能力的教學(xué)目的。

（三）分享是有能力者自信的表現(xiàn)

在項(xiàng)目結(jié)束、點(diǎn)評的過程中，學(xué)生會像教師那樣，為所有的學(xué)生解釋專業(yè)問題，為所有學(xué)生的疑問找出方案，過去非常害羞的學(xué)生現(xiàn)在都能從容自信地站在同學(xué)面前?？梢?，3D打印一體化課程教學(xué)能大大提高學(xué)生的交際能力和表達(dá)能力，學(xué)生的綜合素質(zhì)在一體化課程整合的過程中也有了質(zhì)的飛躍[7]。

基于職業(yè)分析的3D打印課程采用“數(shù)控磨床組件設(shè)計(jì)”和“數(shù)控機(jī)床風(fēng)機(jī)配置的離心葉輪制作”兩個項(xiàng)目，一主一輔相互補(bǔ)充，每個項(xiàng)目以一個或幾個典型的工作任務(wù)為載體，將學(xué)習(xí)知識分解成不同的項(xiàng)目和工作過程[8]。知識學(xué)習(xí)和能力訓(xùn)練由淺入深，克服了學(xué)生的畏難情緒。每個任務(wù)的實(shí)施按照“收集資料——做出決策——制定計(jì)劃——制作實(shí)施——檢查改進(jìn)——評價總結(jié)”六個步驟來展開。其中，數(shù)控磨床組件設(shè)計(jì)項(xiàng)目（課內(nèi)項(xiàng)目）在教師引導(dǎo)下進(jìn)行項(xiàng)目實(shí)施，通過本項(xiàng)目的完成學(xué)生可以養(yǎng)成根據(jù)用戶的需求，從專業(yè)技術(shù)人員的角度完成基于3D打印技術(shù)的迷你數(shù)控磨床組件設(shè)計(jì)、制作、組裝和調(diào)試等，并能通過上位機(jī)模型繪制軟件完成項(xiàng)目部件改進(jìn)和整機(jī)參數(shù)匹配優(yōu)化等；數(shù)控機(jī)床風(fēng)機(jī)配置的離心葉輪制作（課外項(xiàng)目）以學(xué)生自主實(shí)施為主，教師指導(dǎo)為輔。學(xué)生在采用一體化的教學(xué)課程后，學(xué)習(xí)積極性明顯提高。

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（責(zé)任編輯：王璐）