“三教”改革背景下Inventor建模教學融合3D打印技術的策略

王 韜

(江蘇省邳州中等專業(yè)學校,江蘇 邳州 221300)

隨著3D打印技術的不斷發(fā)展,熔融沉積成型(FDM)工藝已高度成熟,特別是以ABS和PLA為耗材的3D打印技術憑借易用性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟性,在各個領域均取得了良好的實用效果。因此,在中職學校Inventor三維建模教學中,嘗試將3D打印技術與建模技能培養(yǎng)相融合,落實“三教”改革的具體要求,探索Inventor軟件三維建模融合3D打印技術的教學策略,實現(xiàn)以“虛”建“實”,以“實”驗“虛”的閉環(huán)教學過程,為學生高效完成Inventor三維建模提供支持,引導學生掌握Inventor三維建模與優(yōu)化的方法,有效提升中職學校專業(yè)課教學質量。

一、中職學校專業(yè)課“三教”改革的實施路徑分析

(一)優(yōu)化專業(yè)課教師的能力結構

1.成立專業(yè)課創(chuàng)新教學團隊

創(chuàng)新教學團隊的作用在于匯集高水平教學力量、創(chuàng)新專業(yè)課教學方法、實踐專業(yè)課教學改革、發(fā)揮帶動作用。在創(chuàng)新教學團隊的帶動下,引導全校專業(yè)課教師自覺適應數(shù)字化、智能化等新技術,有效推進專業(yè)課教學改革。專業(yè)課創(chuàng)新教學團隊每學期定期赴企業(yè)實踐,以優(yōu)化專業(yè)課教師能力結構,并通過相關考核制度與細則,激發(fā)專業(yè)課教師的工作潛能,實現(xiàn)專業(yè)課教師角色的多樣化,實現(xiàn)專業(yè)課教學與教研的有機整合,打造適合“三教”改革的專業(yè)課教師團隊,真正把內容整合、教法創(chuàng)新融合到專業(yè)課教師的培養(yǎng)培訓過程中,力爭在“誰來教”上取得成效。

2.打造“雙師型”專業(yè)課教師隊伍

學校與企業(yè)之間的產(chǎn)教融合需要一支高素質的“雙師型”專業(yè)課教師隊伍,但建設“雙師型”專業(yè)課教師隊伍不能只憑教改方案,而是要靠“三教”改革政策推動、教改任務驅動、校企雙方共同來建設“雙師型”教師隊伍。落實“三教”改革后,江蘇省邳州中等專業(yè)學校的“雙師型”專業(yè)課教師人數(shù)快速增加,專業(yè)課教師的專業(yè)發(fā)展快速提升,多數(shù)專業(yè)課教師自愿去合作企業(yè)進行專業(yè)實踐,主動學習企業(yè)新技術,保障了學校專業(yè)課教學內容與企業(yè)同步,保障了產(chǎn)教融合項目的正常開展[1]。

3.厘清教師改革工作中的關鍵點

“三教”改革的主體與關鍵是教師,教師改革是“三教”改革、職業(yè)教育轉型升級的突破口和切入點,也是推進“三教”改革有效實施的樞紐。如果教師改革不能有效推進,教材改革、教法改革可能會流于形式、迫于壓力而被動進行改革。教師主動進行改革和被動參與改革,其內生動力、質量標準和實施目標是不同的,實施中制定以人為本的制度、機制,充分挖掘教師內心深處的正能量、閃光點,揚長避短,充分發(fā)揮每個教師的優(yōu)勢、特長和興趣,給教師以充分選擇、發(fā)揮作用的空間。

(二)優(yōu)化專業(yè)課的教學內容

學校進行教材改革解決了“教什么”的問題,出發(fā)點就是按照中職教育專業(yè)課的特征開發(fā)設計新型教材,優(yōu)化專業(yè)課教學內容,把新思想、新理念、立德樹人、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育、新技術和新要求等體現(xiàn)在新型教材中,把握好教材改革的理論依據(jù)、編寫方法、內容選擇依據(jù)等。目前,職業(yè)教育專業(yè)課使用的教材多數(shù)存在不足,不適合學生的學習使用,需要進行系統(tǒng)性徹底改造,重新策劃編寫。

實施中,把握好教材改革的側重點與關鍵點非常重要。一是從學科體系框架內徹底跳出來,按照職業(yè)行動體系的思維方式、理念方法開展企業(yè)調研、系統(tǒng)規(guī)劃等工作;二是促進教師真正理解職業(yè)教育專業(yè)課教材改革與建設是一項系統(tǒng)工程,不是單獨對某一門專業(yè)課程的教材進行改革編寫;三是建立符合教改要求的、企業(yè)工程技術人員真正參與的教材改革編寫團隊,引入典型生產(chǎn)案例;四是學校制定教材開發(fā)編寫相關制度和質量保證體系,保障專業(yè)課教材改革工作有效實施,確保專業(yè)課教學內容的質量。

(三)優(yōu)化專業(yè)課的教學模式

中職學校實施教法改革的目的是解決“如何教”的問題,其核心問題是如何根據(jù)訓練內容選擇適宜的行動導向教學方法,恰當選用任務驅動、小組合作、角色扮演等行動導向的教學方法實施教學,以確保取得最佳教學成效。教法改革以學生為中心、學習成果為導向組織教學活動,提高學生學習專業(yè)的興趣,逐步培養(yǎng)學生的自主學習能力,根據(jù)不同學生的興趣點、基礎能力等,設計多個具體學習方式供學生選擇,嚴格按照評價標準進行學習業(yè)績測評。

實施教法改革時,其側重點與關鍵點應注重四個方面:一是教師思想理念真正轉變,并主動積極參與相關改革、試驗工作;二是建設、改進實踐教學條件、環(huán)境和運行機制,開放實踐性設施和實訓室,給學生更多的時間、條件進行自主學習與創(chuàng)新研究;三是以學習成果為導向,對學生完成的各級學習成果的含金量、質量進行抽查和評價,以此作為評價專業(yè)課教師教學質量的主要依據(jù);四是將學校督導工作重點轉移到指導、咨詢和服務教師進行教法改革與試驗工作上。

二、中職學校Inventor三維建模教學存在的不足

(一)三維建模教學目標不明晰

有些專業(yè)課教師在組織學生三維建模訓練時,未能結合企業(yè)的真實生產(chǎn)產(chǎn)品,也沒有結合企業(yè)的真實工作過程,培養(yǎng)目標僅限教會學生能使用Inventor三維建模軟件,教學理念落后,基于應用型人才培養(yǎng)的目標不夠明晰。教學中學生運用的建模模型多為教材中指定的,僅對模型本身進行程式化操作,操作步驟單一,往往忽視對學生建模源頭的思考和對生產(chǎn)驗證的能力培養(yǎng)。同時,培養(yǎng)學生的知識結構相對老化,不能滿足當前企業(yè)真實需求。而三維建模教學的能力結構應包含知識目標、能力目標及情感態(tài)度與價值觀目標,實現(xiàn)人文、職業(yè)素質并舉育人。但現(xiàn)有的課堂教學多數(shù)是理論教學與實踐相脫節(jié),專業(yè)課教師“重理論、輕實踐操作”的問題突出,未緊隨機械行業(yè)發(fā)展迭代的步伐,不能動態(tài)調整教學目標。另外,教學過程中師生間互動不多,訓練中學生學習主動性受限,有時被動受教,對于所建模型的理由、如何建模型、所建模型的對與否、效率高與否、是否有實物驗證建模設計的合理性都較為模糊,最終導致課堂氛圍枯燥。

(二)三維建模教學手段單一

1.實物教具單一

教師往往采用少量的教學模型、掛圖來輔助教學,有的教師雖然在教學中采用了仿真視頻、爆炸圖、3D演示等信息化手段,但虛實結合不夠緊密,虛擬演示與真實案例教學教具不配套,不成體系,教學模型品種少、數(shù)量少,又因模型加工費用高,樣式變動快而實體教具更新較慢,導致學生不能通過虛擬演示深刻理解相關知識點。教學模型展示雖然可以幫助學生深刻理解所學知識,實現(xiàn)從“虛”到“實”的教學效果,但不能激發(fā)學生學習專業(yè)的興趣;對于掛圖式教學只能展示平面的圖像,學生無法在腦海中構建空間立體結構,進而影響建模思路,學生也很難將實物的三維結構與二維制圖聯(lián)系起來,致使對要建模結構理解不深刻。

2.授課方式單一

多數(shù)專業(yè)課教師采用以講為主的授課方式,完全控制訓練教學中的各個環(huán)節(jié),致使課堂氛圍枯燥,抑制學生訓練的主動性。很多專業(yè)課教師在授課過程中未能恰當融入思政元素,不能有效激發(fā)學生學習專業(yè)的熱情,無法增強學生學習專業(yè)的動力。另外,教師在組織訓練時,只是把專業(yè)知識內容傳授給學生,很少對學生進行創(chuàng)新意識、創(chuàng)新能力和工匠精神的培養(yǎng),致使學生雖然學習了專業(yè)知識,卻不能運用專業(yè)知識處理實際問題,學生不具備工匠精神、工匠能力和相應的專業(yè)技術能力。學生在使用Inventor三維建模時,只是模仿教材中的一些實例,這不利于學生空間思維、創(chuàng)新思維的形成,進而限制Inventor三維建模教學質量的提升。

(三)三維建模內容與行業(yè)對接不緊密

實際教學中所用案例、教材相對落后,與行業(yè)對接不緊密,并缺乏針對性。教學過程中,教師組織學生進行Inventor建模時,學生只是按照給定的操作步驟完成建模,注重的是某一工具或特征的功能實現(xiàn),缺少對產(chǎn)品創(chuàng)新的理解與設計,不關注產(chǎn)品生產(chǎn)效率和實用性,整個教學過程重于模仿,與行業(yè)的實際產(chǎn)品聯(lián)系不多。學生學習后沒有掌握與產(chǎn)品設計和實際生產(chǎn)產(chǎn)品制造加工的相關內容,只關注一些建模功能的操作步驟,缺乏建模方案優(yōu)化操作,忽略了建模參數(shù)優(yōu)化。另外,有些建模的知識點過于陳舊,跟不上軟件發(fā)展迭代的步伐。

(四)3D建模實訓條件簡單

3D建模實訓室多數(shù)是在普通機房完成教學,并未搭建3D建模實訓室,建模完成后的三維工程文件“困”于電腦硬盤中,無法有效開展驗證建模實體的加工生產(chǎn),更談不上依據(jù)實體反饋進行模型的二次修改。特別是較為復雜的3D建模模型,由于缺少五軸加工中心設備,更難于驗證3D建模的合理性,造成多數(shù)三維建模課程僅僅是完成教材中的實訓內容,不利于培養(yǎng)學生的專業(yè)技能素養(yǎng)。

三、中職Inventor建模教學融合3D打印技術的策略

隨著3D打印技術的不斷發(fā)展和推廣應用,目前越來越多的學校已普及3D打印設備,作為一門專業(yè)課程和社團興趣小組活動內容成為學生學習生活的一部分。因此,提出將3D打印技術引入三維建模教學,通過增材制造驗證建模效果,讓Inventor建模由“虛”轉“實”,豐富專業(yè)課程的訓練內容,提升學生學習專業(yè)技能的興趣,增強學生的團隊合作能力,營造良好的訓練氛圍。

(一)實施項目教學

借鑒其他專業(yè)課教學的成功經(jīng)驗,針對Inventor建模教學實際,設計出融合3D打印技術的項目教學流程(如圖 1)。項目教學以任務形式來引導學生合作學習,訓練過程設定準備、實施、評價三個環(huán)節(jié),幫助學生通過自主學習、合作探究等方式完成既定實訓項目。

1.準備環(huán)節(jié)

教師課前布置Inventor建模設計任務,明確學習目標,有效激發(fā)學生學習興趣。項目任務開始時,教師利用微課視頻為學生進行項目任務的講解,營造相對真實的任務環(huán)境,以項目任務為載體,向學生提出任務要求,引導學生自覺做好學習準備。

2.實施環(huán)節(jié)

任務活動中為學生提供實施平臺,營造討論交流的氛圍,激發(fā)學生的求知欲,樹立學生完成項目的信心。通過“思”“驗”“練”,運用講解示范、多媒體演示、問題引導等手段,突破Inventor建模的教學難點,通過“教、學、做”方式幫助學生掌握所學內容。學生小組內討論時,教師提供項目內容,通過圖紙和3D打印實體教具分發(fā)給學生,學生結合課前準備,運用所學知識分析項目相關技術要求,并提出建模思路,制定合理的方案及具體建模流程,鍛煉學生查閱資料的能力。當學生完成建模后,要求進行3D打印驗證,完成“思”“驗”“試”各環(huán)節(jié),并觀察Inventor建模的合理性,再次引導學生重新設置相關參數(shù),進一步優(yōu)化建模方案[2]。

3.學習評價

完成實施環(huán)節(jié)后,學生對本項目有了一定的理解,為了讓學生進一步熟悉建模過程,組織學生進行學習評價,各組學生按照給定的學習評標內容,通過自評、互評的方式檢測學習效果,讓“思”“驗”“練”過程再次得到提升,讓“思”“驗”“試”過程得到反饋,引導學生掌握建模的總體框架及利用3D打印后如何優(yōu)化方案,幫助學生發(fā)現(xiàn)訓練中的成績與不足,促進學生鞏固所學知識,達到學以致用的教學效果。

(二)3D打印實體模型輔助建模

在教學過程中,教師根據(jù)學情進行針對性演示訓練環(huán)節(jié),課前將抽象的圖樣內容、空間復雜的結構用3D打印機制作教學模型,再結合虛擬仿真,通過“虛”“實”結合的方式來彌補學生對抽象、空間立體結構想象力的欠缺,進一步理順“三維—二維—三維”之間的思維轉換,讓學生更加容易理解建模產(chǎn)品的結構。借助3D打印的實物模型不僅使教學內容更加具體,而且有利于學生理解三維結構,同時3D打印的教具與虛擬仿真視頻也構成一套教學資源庫,方便學生的后續(xù)學習與教師的教研推廣。

(三)優(yōu)化實訓教學環(huán)境

1.重視三維建模實訓室建設

校內實訓室增加與建模相關的設備,保障學生在三維建模后可以完成3D打印操作,驗證建模的合理性,進而轉化為由“虛”到“實”的教學過程。學校改建原有普通實訓機房,增加3D打印機數(shù)量,從而實現(xiàn)對實訓教學環(huán)境的優(yōu)化,3D打印機可采用FDM成型技術的設備,選用PLA打印耗材,不僅讓設備經(jīng)濟可靠,耗材環(huán)保、經(jīng)濟,產(chǎn)品光潔度高,而且比數(shù)控機床、五軸加工中心的資金投入少,有效滿足Inventor建模實訓教學的需求。同時,通過校企合作搭建學生校外實訓基地,讓學生融入真實的工作場所,了解企業(yè)實際的項目和工作流程,通過崗位實戰(zhàn)訓練,以提升學生專業(yè)技能水平。

2.優(yōu)化3D打印與三維建模驗證流程

在實施建模和3D打印融合實訓教學時,以案例和項目任務推進形式,驅動學生完成相關學習內容,根據(jù)課程培養(yǎng)目標要求組織學生進行實戰(zhàn)訓練,針對學生真實學情來合理設置操作任務,注重培養(yǎng)學生對學習任務的分析能力,加強學生由“虛”轉“實”的操作能力,借助3D打印實物給學生創(chuàng)設直觀的建模結果,降低學生理解Inventor建模知識的難度,訓練學生的工業(yè)產(chǎn)品設計能力。以曲面上創(chuàng)建文字為例,利用Inventor2018進行建模繪制時,為學生設計明確的建模、驗證流程:(1)軟件建模:學生繪制好三維零件圖,另存為可打印的格式,多數(shù)為STL、OBJ等常用格式。(2)FDM切片軟件分層處理:首先,對關鍵參數(shù)進行調整,例如熱床溫度、打印機擠出頭溫度、層厚、合理填充率(一般為20%—30%);其次,分析模型的特點,合理增減支撐數(shù)量,完成模型打印,驗證修改。(3)調試打印:調整耗材托架,設置耗材加載數(shù)值,完成打印等工序[3]。

四、中職Inventor建模教學融合3D打印技術的思考

中職學校專業(yè)課實施“三教”改革時,教師、教材和教法三者是密不可分的,它們相互關聯(lián)、相互促進、相互制約。Inventor建模編寫的新教材是課程內容和行動導向教學方法的載體,教法是應用新教材完成學生技能培養(yǎng)的路徑和方法,專業(yè)課教師通過教法和教材改革實現(xiàn)對學生專業(yè)能力的培養(yǎng)。實施“三教”改革時,要以人為本,以學生為中心,以學習成果為導向,才能實現(xiàn)提高專業(yè)課教學質量的教改目標。

中職學校專業(yè)課實施“三教”改革時,專業(yè)課教師應做好工作過程調研。專業(yè)課教師不僅要到企業(yè)開展深入細致的調研工作,還應在與課程、教材對應的、密切相關的工作崗位上,參加崗位工作實踐,按照企業(yè)規(guī)范要求與企業(yè)員工一起工作,親身體驗工作內涵。通過體驗和調研崗位要求,分析確定每一個項目任務需要具備的具體專業(yè)技能和職業(yè)素養(yǎng),明確應該掌握的知識點,并運用到教改過程中。