潘丹丹
摘 ? 要:根據(jù)《中國制造2025》的方針政策,《中等職業(yè)學校專業(yè)目錄》中加入了增材制造課程,3D打印課程將會是中職學校增材制造專業(yè)的一門主干課程。廈門市海滄區(qū)職業(yè)中專學校《3D打印技術(shù)應用》校本課程根據(jù)國家課程改革要求,結(jié)合學生發(fā)展的實際狀況,綜合利用教師的課程開發(fā)能力與特長,充分調(diào)動本校的課程資源而開發(fā)的設計課程,。
關(guān)鍵詞:3D打印技術(shù);校本教材;課程創(chuàng)新;教學實踐
1 ?3D打印校本教材創(chuàng)新的理論與實踐背景
2015年,國務院發(fā)布的《中國制造2025》中提出推進信息技術(shù)與制造技術(shù)融合發(fā)展的要求,把智能制造作為我國科技制造發(fā)展新時期的主攻方向[ 1 ]。2019年,教育部發(fā)布新版《中等職業(yè)學校專業(yè)目錄》意見函,在中等職業(yè)學校加工制造專業(yè)大類中,新增了工業(yè)機器人、增材制造、新能源汽車裝修與檢測三項專業(yè)[ 2 ]。其中3D打印技術(shù)作為增材制造技術(shù)中最受矚目的一項,近幾年來技術(shù)發(fā)展迅猛、應用領域廣泛,3D打印專業(yè)人才市場需求巨大,也為中職院校培養(yǎng)3D打印專業(yè)技術(shù)人才提供了機遇與挑戰(zhàn)。
我校自2015年開始開設《3D打印》課程,調(diào)查試用過大量市場上現(xiàn)有的教材,仍然未能找到符合中職學校3D打印專業(yè)教學需求的教材??傮w來說,現(xiàn)有教材有以下幾點不足:(1)打印機型號太多太雜,每個打印機的操作方法不一,學生無法針對書本自主學習;(2)目前市場上的教材理論性知識太多,案例數(shù)量不夠支撐整個學年的學習;(3)通用教材內(nèi)容片面,沒有很好地體現(xiàn)中職學生的實踐操作能力和分層次教學。
而校本課程是根據(jù)學校具體教育教學客觀實際情況而編寫的,與國家課程與地方教材相銜接,能夠發(fā)揮學校在課程設置上的自主權(quán)、充分調(diào)動一線授課教師的經(jīng)驗智慧、貼近實際教學場所與學生學情,靈活創(chuàng)新和配合行業(yè)最新動態(tài),具有不可替代的課程創(chuàng)造力與專業(yè)創(chuàng)新性。為更好地組織符合我校教學實際的3D打印專業(yè)課程,我校3D打印任課教師經(jīng)過長達五年的教學實踐,創(chuàng)新總結(jié)出一套適合中等職業(yè)學校3D打印專業(yè)教學的校本課程。
2 ?3D打印校本課程大綱
2.1 ?課程簡介
3D 打印(3D printing),即快速成型技術(shù)的一種,它是一種以 3D 數(shù)字模型為基礎,通過逐層打印可粘合的材料(包括塑料、金屬、生物材料等)方式來構(gòu)造物體的技術(shù)[ 3 ]。3D 打印已在科研、教育、制造等行業(yè)得到越來越多應用。3D 打印機和3D計算機輔助設計軟件(UG)結(jié)合可以有效培養(yǎng)中職學生的設計素養(yǎng)和創(chuàng)新潛質(zhì),為學生畢業(yè)后進入前沿工業(yè)加工制造領域打下技術(shù)基礎,也為學生在高校進一步深造提供專業(yè)基礎能力的培養(yǎng)。
本校本教材主要采用北京龍宇打印機作為課程實驗配套工具,利用互聯(lián)網(wǎng)+教育的模式進行編寫,充分響應信息化時代對專業(yè)課程教育帶來的巨大影響,以最高效貼近我國工業(yè)加工制造行業(yè)發(fā)展實際的方式進行課程設計[ 4 ]。本校本教程的編制既考慮了實用性和創(chuàng)新性,又考慮了學生的學習能力,由易到難,層層遞進。全書由四個單元組成,從3D打印概述到教學案例再到學生創(chuàng)新,尤其是課程的后兩單元,采用項目式教學,“以項目為主線、教師為引導、學生為主體”。這種課程設計能夠整體滿足正向建模與3D打印的教學需求,也符合我校對3D打印專業(yè)的定位——在教授學生扎實掌握專業(yè)操作的基礎上,啟發(fā)學生工業(yè)產(chǎn)品設計的創(chuàng)新精神,培養(yǎng)高素質(zhì)3D打印專業(yè)人員。通過本課程的學習,學生們可以掌握如何應用3D設計軟件來表達頭腦中的創(chuàng)意,并通過操作3D打印機設備將自己的創(chuàng)意設計圖紙實現(xiàn)為千奇百態(tài)的真實物品,充分感受創(chuàng)新創(chuàng)造的樂趣,逐步激發(fā)學習動力與創(chuàng)新能力。
2.2 ?教學對象
我校增材制造專業(yè)和機械專業(yè)的學生,需要具有一定的計算機、數(shù)學、美術(shù)、物理基礎。
2.3 ?教學內(nèi)容及課時安排(如表1所示)
3 ?3D打印校本課程的具體實施
3.1 ?第一單元:3D打印技術(shù)
在最開初的3D打印技術(shù)導論部分,主要從三個方面進行介紹:3D打印技術(shù)的重要意義、3D打印技術(shù)的主要類型、3D打印的材料分類。經(jīng)過初步的教學,使學生對3D打印有了初步的認識,了解3D打印技術(shù)的工作原理。
在此基礎上,進一步介紹我校使用的FDM 3D打印技術(shù),使得學生對FDM 3D打印技術(shù)的工作過程、FDM 3D打印材料、FDM 3D打印技術(shù)的優(yōu)缺點有更加深入的理解。
3.2 ?第二單元:FDM 3D打印機
本章節(jié)主要針對我?,F(xiàn)有的教學打印機進行編寫,主要從四個部分進行講解:
(1)認識桌面式3D打印機(FDM)
(2)首次安裝及使用指南
詳細講解了打印機的安裝步驟,學生可以自己根據(jù)書本提示進行安裝,尤其是對于首次安裝順序。
(3)打印機核心軟件
本節(jié)從主界面、打印機設置、加載模型及模型操作這幾個步驟詳細講解了切片軟件的使用過程。
(4)3D打印模型設計的技巧及注意事項
學生在動手操作實踐的過程中會遇到各式各樣的困難,校本教程中把常見問題進行整理并有針對性的提供解決方案,使得學生在設計用于3D打印的模型時,能活用這些技巧,將大大提高模型打印的成功率及打印的效果。
3.3 ?第三單元:教學實例講解
本單元一共10個案例(具體內(nèi)容見表2),在案例選取上結(jié)合工業(yè)產(chǎn)品設計的典型案例和機械行業(yè)的相關(guān)案例,符合我校專業(yè)特點,同時結(jié)合3D打印使學生不僅掌握軟件的操作還能通過實物對機械零部件有更深入地了解,使學生的專業(yè)基礎知識更加牢固。
全單元主要采用任務式教學方法,教師示范教學,學生跟著建模和打印,最終達到學生能夠熟練掌握3D打印建模軟件使用的教學目的。
例如在講解實例1鉆頭的時候,教學難點是“沿引導線掃掠”這個指令,那我們就把詳細的繪圖步驟一步一步的寫下來,如圖1所示,學生完全可以根據(jù)書中的步驟自行建模,這種教學形式能夠提高學生自主學習的能力。
3.4 ?第四單元:創(chuàng)新案例設計
本單元采用的10個案例是生活中常見的物品(具體內(nèi)容見表3),跟上個單元相比增加了設計的環(huán)節(jié)。
我們發(fā)現(xiàn)目前大部分學校的3D打印課都只停留在學生依葫蘆畫瓢,學生必須根據(jù)已經(jīng)提供的范例要求按部就班地一步步操作,完成整齊劃一的作品建模,打印出來的實物也是一模一樣。這種固定刻板的教學方式忽略3D打印本身的優(yōu)勢——創(chuàng)新,我校教師根據(jù)我校的學生特點,著重在這一單元加入創(chuàng)新的元素,使得學生明白3D打印課程,并不是根據(jù)指示建個模型進行打印就行了,而是要能發(fā)散我們的思維,把天馬行空的想象轉(zhuǎn)換成現(xiàn)實的產(chǎn)品。讓學生體驗到自由的設計創(chuàng)造過程,切身感受到設計的樂趣,同時加入生活中的實用案例,讓學生意識到生活中個性化設計的意義,培養(yǎng)學生的創(chuàng)新設計思維,逐步使得創(chuàng)新創(chuàng)造成為習慣,成為學生終身職業(yè)生涯發(fā)展的習慣。
例如:在實例3 “刀”的設計中,首先給學生一個框架,即刀柄的二維圖紙,如圖2所示,讓學生根據(jù)圖紙的要求繪制出三維模型并打印,這也很好的鞏固了上一章課程的知識點。
然后要求學生根據(jù)任務一完成的三維數(shù)字模型文件,進行刀身的創(chuàng)新設計。請在刀柄的基礎上設計一個刀身,具體要求如下:刀身能與刀柄配合,且孔位對上;刀身要求外形設計美觀,多功能實用,至少能分清刀刃、刀背;刀身設計應結(jié)構(gòu)合理,有足夠的強度支撐;符合 3D 打印制作工藝。
學生自行創(chuàng)造建模并打印,最終完成的作品各式各樣,部分學生作品見圖3。
這一章節(jié)采取分組教學,小組合作的形式,每個小組3-4個人,自行分配任務,最后完成再進行展示、講解,師生互評等。
評分標準如下:
任務一 ?三維模型繪圖(表4)(30 分)
任務二 ?產(chǎn)品創(chuàng)新設計(表5)(30 分)
任務三 ?產(chǎn)品 3D 打印與后處理(表6)(30 分)
任務四 ?職業(yè)素養(yǎng)(表7)(10 分)
整個章節(jié)采用項目式教學法的教學模式,采取分組教學,小組合作的形式,每個小組3-4個人,自行分配任務。每個環(huán)節(jié)都相應給評分標準,最后完成再進行展示、講解、師生互評等。其中加入了職業(yè)素養(yǎng)分,旨在培養(yǎng)學生的職業(yè)道德、安全操作規(guī)程等行為,使學生養(yǎng)成良好的職業(yè)素養(yǎng),為將來的實際工作奠定良好的工作作風。
4 ?課程建設的優(yōu)點與不足
我校3D打印校本教程的設計與實踐,充分發(fā)揮了校本課程的創(chuàng)造性,深入貼近我校學生學情與就業(yè)要求,目前課程建設取得成果的優(yōu)勢有以下幾點:
(1)教學層次清晰,教材難度從易到難,理論聯(lián)系實際;
(2)教材案例豐富,步驟示范清晰而詳盡,適合學生用以自主學習;
(3)緊密聯(lián)系行業(yè)前沿,選取的案例符合生產(chǎn)生活實際,符合我校專業(yè)人才培養(yǎng)目標;
(4)培養(yǎng)學生基礎專業(yè)能力的同時,注重創(chuàng)新能力的培養(yǎng),在教學中時刻貫徹學生職業(yè)素養(yǎng)的提高。
我校3D打印校本教程經(jīng)過5年的實踐創(chuàng)造,雖已經(jīng)取得喜人的進展,但仍存在一些有待改進的不足,主要有以下幾點:
(1)應加入信息化手段,在書中添加二維碼看視頻功能,使學生可以通過微課更直觀學習;
(2)本書把過多內(nèi)容放在設計建模上,針對學生在3D打印過程中出現(xiàn)問題的指導還有待進一步的完善,如支撐、位置擺放、打印速度、打印溫度等對打印結(jié)果的影響寫的太籠統(tǒng),沒有案例支撐,需在后期收集案例并增加進去;
(3)在案例開發(fā)中還要注重加強校企合作,在與企業(yè)合作的過程中汲取最先進、最前沿的技術(shù),并運用到教學中去, 不斷優(yōu)化實操過程與步驟,提升教學效率,為學生全面掌握3D打印技術(shù)創(chuàng)造良好的條件。
5 ?小結(jié)
經(jīng)過5年來的3D打印教學實踐與創(chuàng)造,我校研發(fā)的3D打印校本課程在應用中更符合學生實際專業(yè)特點,也取得了一定的成效,畢業(yè)的部分學生能根據(jù)所學的專業(yè)知識走向一些工業(yè)產(chǎn)品設計崗位,這也是我們開設3D打印課程培養(yǎng)學生的目標之一。之所以能取得這樣的成果,離不開學校對新專業(yè)前沿發(fā)展的重視,尤其是在課程的開設初期,組織專業(yè)教研團隊進行前期調(diào)研和情境分析、擬定課程開發(fā)目標、 編制課程開發(fā)方案。當然,這是個更新?lián)Q代異常迅速的年代,我們的教材也要不斷的隨著時代的發(fā)展而改變,未來的開發(fā)還會面臨很大的挑戰(zhàn)性和競爭力。
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