基于第二課堂的“數字化設計與3D打印”課程建設

蔣三生

（北京農業(yè)職業(yè)學院，北京 102208）

“中國制造2025”要求制造業(yè)數字化網絡化取得明顯進展，數字化研發(fā)設計工具在企業(yè)得到廣泛應用；要求智能制造的核心技術不斷提升和完善。例如，數字化設計與制造技術、增材制造技術（3D打?。┑??！督逃筷P于深化職業(yè)教育教學改革全面提高人才培養(yǎng)質量的若干意見》 （教職成[2015]6號）中強調：堅持工學結合、知行合一；注重教育與生產勞動、社會實踐相結合，校內與校外相結合，突出做中學、做中教，強化教育教學實踐性和職業(yè)性，促進學以致用、用以促學、學用相長。

通過對全國范圍內高等職業(yè)院校機械制造類傳統專業(yè)的教學改革和人才培養(yǎng)情況調研，要使學校培養(yǎng)的畢業(yè)生能夠滿足科技和經濟發(fā)展的需要，必需在原有的專業(yè)課程體系中注入新的內容[1-2]，以保證畢業(yè)生從業(yè)后具備可持續(xù)發(fā)展的后勁。“數字化設計與3D打印”課程就是基于上述背景，圍繞數字化設計與制造、增材制造（3D打?。﹥纱蠛诵募夹g新開發(fā)的課程。目前，國內大部分工科院校的機械制造類專業(yè)都開設有與數字化設計或3D打印技術相關的新課程。特別是近年來全國高等職業(yè)院校技能大賽“工業(yè)產品數字化設計與制造”“模具數字化設計與制造工藝”等項目的設立，極大地促進了各高等職業(yè)院?！皵底只O計與3D打印”課程的建設與發(fā)展。

針對高職院?！皵底只O計與3D打印”課程的建設和培養(yǎng)目標方面，在國內并沒有統一的標準，因此針對該課程進行標準化建設具有十分重要的意義。同時，由于該課程主要培養(yǎng)學生應用數字化技術與3D打印技術進行工業(yè)產品的三維造型設計和增材制造成型等專業(yè)核心能力，對于學生的能力要求比較高，而僅僅依靠常規(guī)的課堂教學遠遠不夠，需要通過第二課堂的教學形式進行拓展培養(yǎng)。以北京農業(yè)職業(yè)學院“數字化設計與3D打印”課程的標準建設和第二課堂建設為例，通過課程設計和能力目標分析，探索和實踐了幾種拓展學生專業(yè)及職業(yè)能力的方法，以期解決常規(guī)課程總學時少、難以達到高水平培養(yǎng)的問題。

1 課程標準建設

1.1 課程定位

課程是三年制數控技術高職專業(yè)的一門專業(yè)核心課程，屬于理實一體化課程，在第4個學期開設，是工業(yè)產品設計與制造行業(yè)相關崗位的一項重要專業(yè)技能。其先導課程為“機械制圖與計算機繪圖”“機械設計基礎”，后續(xù)課程為“計算機輔助產品設計制造綜合實訓”。

1.2 課程設計思路

采用項目案例教學法，以工業(yè)產品的數字化設計和3D打印為目標，以學生活動為中心，通過任務驅動的方式，讓學生在教師的引導下完成“接受任務-研究任務-尋求幫組-完成任務-任務評價”等教學活動，并在此過程中學習和掌握相關的專業(yè)理論知識和操作技能。

1.3 課程目標

教學目標分為知識目標、技能目標和素養(yǎng)目標3個部分。

（1）知識目標。了解3D打印和逆向工程的基本理論知識、熟悉3D打印機的使用與維護常識、熟悉三維掃描儀的使用與維護常識、掌握點云數據的采集與處理方法、掌握工業(yè)產品的逆向建模與創(chuàng)新設計方法。

（2）技能目標。熟練掌握FDM（熔融沉積成型）3D打印機的使用技巧和維護方法，熟練掌握三維掃描儀的安裝、調整、操作和維護技能，熟練使用Geomagic Studio三維軟件對采集的產品表面點云數據進行優(yōu)化處理，熟練使用Geomagic Design三維軟件對處理好的產品面片文件進行曲面重構和三維造型，會使用Geomagic Design三維軟件對重構后的產品模型進行創(chuàng)新設計。

（3）素養(yǎng)目標。培養(yǎng)學生分析問題和思考問題的能力，培養(yǎng)學生按時完成任務的職業(yè)習慣，培養(yǎng)學生團隊合作的精神，培養(yǎng)學生總結經驗和自我展示的能力，培養(yǎng)學生創(chuàng)新設計的能力。

1.4 課程內容設計

在國家大力發(fā)展數字化產品及數字產業(yè)的政策指導下，課程緊跟行業(yè)發(fā)展趨勢和特點，充分調研企業(yè)對于數字化設計與制造能力的高技能人才需求現狀，基于產業(yè)發(fā)展的現實需要來設計教學內容及其項目載體。該課程的教學內容及項目側重學生對于工業(yè)產品的逆向設計能力的培養(yǎng)，側重學生對機械基礎知識的綜合應用，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新和創(chuàng)業(yè)能力。

課程內容的設計要點包括打破傳統教學中的獨立課程體系，圍繞“工業(yè)產品的數字化設計”這條主線，將數字化測量與數據處理、計算機輔助設計、產品結構設計與造型、模具設計、3D打印等相關技術融合成正向設計、逆向設計和創(chuàng)新設計于一體化的新職業(yè)課程[3]。教學項目的設計充分考慮學生的學習興趣，通過循序漸進的過程，讓學生在若干個教學項目的實施過程中，逐步掌握該課程涉及的專業(yè)知識和技能[4-5]。

教學項目涵蓋了“機械制圖與CAD”“機械產品設計基礎”“技術測量與公差”等課程知識的系統應用，追蹤行業(yè)發(fā)展的新趨勢、新技術和新工藝，緊密結合全國職業(yè)院校技能大賽相關賽項的命題思路，針對工程應用和實踐，突出工學結合特色，形成職業(yè)化的訓練課程內容。合計52個學時。

“數字化設計與3D打印”教學項目設計見表1。

1.5 考核方法

采用多種形式進行考核，以階段性項目實踐考核和終結性考核為主，作業(yè)、筆記和素養(yǎng)等均納入課程考核的因素中。

表1 “數字化設計與3D打印”教學項目設計

續(xù)表1

“數字化設計與3D打印”考核方案見表2。

表2 “數字化設計與3D打印”考核方案

2 基于第二課堂的課程建設

2.1 課程目標能力要求與分析

“數字化設計與3D打印”課程主要培養(yǎng)學生在產品造型與建模、3D打印成型、綜合素養(yǎng)等方面的專業(yè)和職業(yè)能力。具體包括收集分析產品資料、產品正向設計、產品逆向數據采集與處理、三維逆向建模、3D打印模型準備、快速成型分析與準備、模型輸出與后處理等專業(yè)能力，以及產品設計的直觀性、功能性、市場性、經濟性和創(chuàng)造性等職業(yè)能力。

要想培養(yǎng)學生具備扎實的上述專業(yè)和職業(yè)能力，僅靠52個學時的常規(guī)課堂教學是遠遠不夠的，需要通過開展第二課堂的途徑和方法來拓展和提升學生的專業(yè)技能和職業(yè)素養(yǎng)，而科技社團活動、技能大賽和社會實踐則是高校常用的3種拓展手段，并在歷年的實踐過程中得到了檢驗和證明。

2.2 基于科技社團活動的項目建設

科技社團作為鍛煉大學生科技能力的一個重要平臺，不僅豐富了他們的業(yè)余生活，還對拓展他們的專業(yè)知識和技能意義重大[6]。該課程僅52學時，對于學生學習課程所涉及到的專業(yè)知識方面，只能起到引導和入門的作用，要想提升學生的三維數字化設計與3D打印專業(yè)核心能力，必須通過其他途徑進行補充和拓展，而科技社團活動正好彌補了課時數的不足。

北京農業(yè)職業(yè)學院“三維建模與3D打印”科技社團創(chuàng)立至今已有3年之久，社團開展的科技活動能充分滿足學生自身的個性化發(fā)展。在全面貫徹素質教育中，科技社團以學生活動為主體，注重學生在“數字化設計與3D打印”方面的科技興趣與愛好的養(yǎng)成；通過拓展活動來挖掘學生的創(chuàng)新、創(chuàng)造天賦和自主探究的潛力；通過在科技社團實踐活動中制定方向性任務，加強學生的特長培養(yǎng)和實用技能的培養(yǎng)；同時，通過教師的定期指導，社團成員的分組合作和互相競技等方式，也能確保社團探究活動得到有效實踐，并從基礎向深層次逐漸上升，錘煉學生的精神品質。

“三維建模與3D打印”社團活動部分項目見表3。

表3 “三維建模與3D打印”社團活動部分項目

表3列出了北京農業(yè)職業(yè)學院“三維建模與3D打印”科技社團的部分活動項目，該項目緊跟全國職業(yè)院校技能大賽相關賽題，緊跟行業(yè)發(fā)展的動態(tài)和前沿，項目綜合難度系數高，對于提升學生的專業(yè)能力意義重大。

2.3 基于技能大賽的體系建設

技能大賽作為近年來國內外職業(yè)技能水平競技的一個重要平臺，越來越受到政府部門和職業(yè)院校的重視。特別是有著“技能奧林匹克”之稱的世界職業(yè)技能大賽的開展，更將職業(yè)技能大賽的發(fā)展推向了一個新的階段。北京農業(yè)職業(yè)學院通過積累歷年技能大賽的經驗，目前已構建了“院賽-市賽/行業(yè)賽-國賽”逐層遞進的技能大賽體系。所有技能大賽項目的設立，均以國賽項目的競技內容為指導，通過院賽選拔，市賽/行業(yè)賽錘煉和國賽沖刺幾個階段，有效地提升了學生的技術技能水平。與“三維數字化設計與3D打印”專業(yè)能力相關的國賽（高職）項目為“工業(yè)產品數字化設計與制造”項目。學院裝備制造類專業(yè)學生近5年來均以該賽項作為重點參賽項目，通過制定系統科學的參賽計劃，讓學生在3年的學習生涯中均有機會參加與數字化設計相關的技能競賽。

“數字化設計與3D打印”相關技能大賽安排見表4。

表4列舉了學院學生在校期間（第1學期到第5學期）可以參加的各項賽事。

表4 “數字化設計與3D打印”相關技能大賽安排

通過上述各級職業(yè)技能大賽的參與，充分調動了學生的學習興趣和積極性，挖掘了他們的內在動力，營造了“比、學、趕、幫、超”的學習氛圍。歷年的參賽結果說明，技能大賽不僅能有效拓展學生的專業(yè)能力，更能培養(yǎng)學生對于奮斗目標的執(zhí)著和追求，并錘煉學生的精神和意志品質，讓他們畢業(yè)后更好地適應企業(yè)文化和工作氛圍。

2.4 基于校企合作的機制建設

社會實踐是高校開展思想政治教育的重要手段之一[7]，是指學生在學校的統籌組織、設計和安排下，進入企業(yè)參與實踐活動。其主要目的是檢驗學生在校期間的學習成果，并增強學生與社會的聯系，尋找與企業(yè)存在的差距。在社會實踐中，學生不僅可以了解行業(yè)的發(fā)展動態(tài)，還能鞏固和拓展自己的專業(yè)能力。

近年來，北京農業(yè)職業(yè)學院數控技術專業(yè)不斷向“數字化設計與制造”方向轉型和發(fā)展，并圍繞“數字工匠”和“數字工坊”2個項目，與北京昆侖三迪科技發(fā)展有限公司簽訂了校企合作協議。該項目核心內容包括：①共建“數字工坊”和“數字工匠示范基地”，以國內外市場需求為向導，重點培養(yǎng)掌握三維數字化技術的應用人才；②企方每年培訓校方一定數量的三維數字化設計相關專業(yè)教師和學生達到國內行業(yè)先進水平；③企方負責校方的三維數字化相關項目的技術支持與協作，雙方共同開發(fā)產教合作項目；④校方可選派部分學生參加由企方組織的“全國3D大賽獲獎選手暑期游學營”學習活動。

基于上述校企合作機制，學院學生通過假期社會實踐活動進入到該企業(yè)進行學習，不僅學到了三維數字化設計方面的專業(yè)技術能力，更拓寬了知識面；還通過暑假“全國3D大賽獲獎選手暑期游學營”的活動與國內其他高校的優(yōu)秀學生進行互動交流和學習，通過完成企業(yè)安排的工作任務，找出自身能力的不足，并激發(fā)自己的學習動力。

3 結語

隨著“數字化設計與3D打印”課程在職業(yè)院校機械、數控類專業(yè)的逐步開展，有必要制定相應的課程標準，以達到標準化人才培養(yǎng)的目的。由于該課程重點培養(yǎng)學生對工業(yè)產品進行數字化設計和3D打印成型等專業(yè)核心能力，對于學生的綜合能力要求比較高，依靠常規(guī)的課堂教學難以滿足高水平培養(yǎng)的目標，需要對第二課堂的培養(yǎng)形式進行探索和實踐。北京農業(yè)職業(yè)學院“數字化設計與3D打印”課程建設經驗表明，圍繞課程的能力培養(yǎng)目標，通過創(chuàng)建科技社團并開展相關活動，構建“院賽-市賽/行業(yè)賽-國賽”逐層遞進的技能大賽體系，與校企合作單位建立培養(yǎng)機制等手段和方法，以第二課堂的形式不斷完善該課程的內涵建設，對于課程資源建設和專業(yè)人才培養(yǎng)等方面都具有重要的意義。