機(jī)械類三維建模課程的課外工匠班的教學(xué)模式研究

摘 要：三維建模在工業(yè)中、大學(xué)生的學(xué)習(xí)中以及職業(yè)技能競賽中都有著相當(dāng)?shù)闹匾?。基于三維建模的課外工匠班的教學(xué)模式是一種獨(dú)立于行政班的教學(xué)模式，重構(gòu)教學(xué)目標(biāo)，制作教學(xué)資源，將學(xué)生按水平分成不同小組，利用課后時(shí)間以自學(xué)為主，老師定期進(jìn)行輔導(dǎo)，并對不同學(xué)生提供個(gè)性化輔導(dǎo)和幫助，并建立完善的考核方法，最后成立工作室服務(wù)社會。學(xué)生在學(xué)習(xí)成績、技能競賽中都獲得了不錯的成績，在工作室中也完成了不少的企業(yè)項(xiàng)目。此教學(xué)模式效果顯著，可為其他課程的教學(xué)提供借鑒和啟發(fā)，為職業(yè)學(xué)校的高質(zhì)量發(fā)展提供有力支持。

關(guān)鍵詞：三維建模 課外工匠班 教學(xué)模式研究

隨著三維建模技術(shù)的廣泛應(yīng)用，掌握三維建模能力已經(jīng)成為高職院校機(jī)械類專業(yè)學(xué)生的基本技能之一。有以“崗課賽證”機(jī)制下研究三維建模課程的[1]，有基于成果導(dǎo)向研究三維建模課程改革的[2]，有面向應(yīng)用創(chuàng)新能力進(jìn)行課程改革的[3]，還有基于CDIO課程體系的教學(xué)改革的[4]。本課題組將開設(shè)課外工匠班入手，將三維建模課程與提升學(xué)生職業(yè)能力，以及對標(biāo)技能競賽相結(jié)合，摸索出一條獨(dú)特的教學(xué)模式。

1 三維建模的重要性

1.1 三維建模在工業(yè)中的應(yīng)用

隨著科技的發(fā)展，三維建模在工業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開發(fā)、制造和加工、產(chǎn)品可視化和展示、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）和虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）、售后服務(wù)和維修等方面都有著越來越重要的應(yīng)用。

1.2 三維建模對大學(xué)生的作用

1.2.1 增強(qiáng)空間想象力

在虛擬的三維環(huán)境中進(jìn)行設(shè)計(jì)和操作，從而幫助他們培養(yǎng)空間想象能力。

1.2.2 加強(qiáng)設(shè)計(jì)能力

通過三維建模，學(xué)生可以更加直觀地呈現(xiàn)設(shè)計(jì)思路和結(jié)果。

1.2.3 提供實(shí)驗(yàn)平臺

學(xué)生可以在建模軟件中模擬機(jī)械部件或系統(tǒng)的運(yùn)行過程，測試其性能和參數(shù)，并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.2.4 增加學(xué)習(xí)興趣

以動畫的形式展示機(jī)械零件的運(yùn)動和工作過程，增加學(xué)習(xí)的趣味性和可視化效果。

總之，通過三維建模技術(shù)，對學(xué)生的學(xué)習(xí)具有積極的促進(jìn)作用，有助于他們更好地掌握機(jī)械設(shè)計(jì)原理和技術(shù)，提高專業(yè)水平和職業(yè)能力。

1.3 三維建模在職業(yè)技能競賽中的重要性

職業(yè)院校與普通高校的一大區(qū)別在于，職業(yè)院校強(qiáng)調(diào)職業(yè)技能的掌握，而衡量職業(yè)技能的一個(gè)重要途徑就是參加職業(yè)技能大賽，因此職業(yè)技能大賽在職業(yè)院校的教育水平評價(jià)體系中有著獨(dú)特的地位。目前主要的技能競賽有世界技能大賽、全國職業(yè)院校技能大賽等，其中多個(gè)賽項(xiàng)都與三維建模有關(guān)，包括：CAD機(jī)械設(shè)計(jì)、數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造、工業(yè)數(shù)字孿生、“高教杯”全國大學(xué)生先進(jìn)成圖技術(shù)與產(chǎn)品信息建模創(chuàng)新大賽等。

在這些技能競賽中，都需要利用三維軟件設(shè)計(jì)、制作各種三維模型，有的還需要進(jìn)行裝配、出二維工程圖、進(jìn)行動畫演示、圖片渲染、進(jìn)行應(yīng)力分析等。各個(gè)競賽對三維軟件的操作要求各有不同，但基本的三維建模要求是相同的。

2 成立課外工匠班的作用

2.1 是對課程的有益補(bǔ)充

本校只在少數(shù)專業(yè)開設(shè)有三維建模課程，大部分專業(yè)并沒有開設(shè)。因此開設(shè)三維建模的課外工匠班，利用課余時(shí)間組織學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)，是對課程的有益補(bǔ)充，同時(shí)為今后大規(guī)模開設(shè)相關(guān)課程提供一定經(jīng)驗(yàn)。

2.2 為技能競賽選拔好選手

職業(yè)院校大一學(xué)生的知識和技能都有所欠缺，大三學(xué)生則忙于寫論文找工作，所以大二學(xué)生成為職業(yè)技能競賽的主要選拔對象。而學(xué)校中少數(shù)專業(yè)開展的三維建模課程都在大二或者大三，對于選拔學(xué)生參加技能競賽并沒有太多的作用。在大一就成立三維建模課外工匠班，招收對此有興趣的學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)，能增加學(xué)生的學(xué)習(xí)時(shí)間，從而選拔出優(yōu)秀的苗子，在技能競賽中取得好成績。

2.3 避免職業(yè)技能大賽的通病

舉行職業(yè)技能大賽的最初目的是提升學(xué)校的教學(xué)效果，提高學(xué)生的職業(yè)技能。然而，在現(xiàn)實(shí)過程中，學(xué)校往往只挑選幾個(gè)學(xué)生進(jìn)行突擊式訓(xùn)練，忽視了廣大學(xué)生的需求。這種情況的出現(xiàn)既是學(xué)校追求速成效果的結(jié)果，也是因?yàn)楦傎愴?xiàng)目的難度超出了許多學(xué)生的接受能力，無法簡單引入課程體系。

為了解決這一問題，課程團(tuán)隊(duì)決定建立課后工匠班，讓學(xué)生根據(jù)自己的興趣自愿學(xué)習(xí)，同時(shí)將與技能建賽相關(guān)的三維建模內(nèi)容細(xì)分，讓學(xué)生能夠選擇適合自己學(xué)習(xí)興趣和能力的層次進(jìn)行學(xué)習(xí)。根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)成績，頒發(fā)不同水平的工匠證書，以激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣。這樣既能選拔競賽苗子，提高競賽成績，也能更好地服務(wù)廣大學(xué)生，滿足不同層次學(xué)生的需求，提升他們的職業(yè)技能。

2.4 避免行政工匠班的弊病

過去，學(xué)校曾經(jīng)實(shí)施過行政工匠班，通過一段時(shí)間的考查，從各班級挑選優(yōu)秀的學(xué)生組成工匠班。但是，這種方式有著非常明顯的弊病，那就是原本各班級的優(yōu)秀學(xué)生被抽調(diào)出去了，剩下的學(xué)生在學(xué)習(xí)能力、學(xué)習(xí)積極性、學(xué)習(xí)習(xí)慣上都有著明顯的不足。不僅如此，剩下的學(xué)生會感覺自己被“淘汰”，學(xué)習(xí)積極性會受到明顯影響，從而導(dǎo)致整個(gè)班級的學(xué)習(xí)氛圍下降，進(jìn)而間接影響整個(gè)學(xué)校的學(xué)風(fēng)。

3 課外工匠班的實(shí)施

3.1 明確教學(xué)目標(biāo)

教學(xué)目標(biāo)的設(shè)定是教學(xué)的前提。課程團(tuán)隊(duì)通過企業(yè)調(diào)查、技能競賽賽題研究、參考相關(guān)課程等方式，分析歸納相關(guān)數(shù)據(jù)。然后修改人才培養(yǎng)計(jì)劃、職業(yè)崗位要求、職業(yè)能力需求、課程設(shè)置等內(nèi)容。選取或改造企業(yè)實(shí)例、技能競賽賽題，作為教學(xué)案例加入課程中，豐富教學(xué)內(nèi)容，提升教學(xué)效果，滿足崗位需求，培養(yǎng)職業(yè)能力，讓教學(xué)與企業(yè)需求相符。

實(shí)際操作中，將教學(xué)內(nèi)容分為五部分：1、三維軟件草圖的繪制，要求學(xué)生掌握二維草圖的繪制。2、三維軟件基本的建模方法，要求學(xué)生掌握拉伸、切割、旋轉(zhuǎn)等基本建模命令，通過典型機(jī)械零件的建模實(shí)例來激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。3、裝配體的基本操作，要求學(xué)生掌握各種約束命令，組裝成不同的典型裝備體。4、二維工程圖的生成，讓學(xué)生將三維模型生成工程圖，同時(shí)進(jìn)行標(biāo)注，能更好地提高學(xué)生的識讀工程圖和建模的能力，對機(jī)械零件各個(gè)部分的作用有了更清晰的認(rèn)識。5、圖片、動畫渲染等，讓學(xué)生對自己做的模型進(jìn)行渲染，達(dá)到企業(yè)宣傳產(chǎn)品的圖片、動畫效果，提升學(xué)生的興趣，增強(qiáng)其成就感。教師可以根據(jù)實(shí)際情況，為不同階段的學(xué)生設(shè)置教學(xué)目標(biāo)的設(shè)置不同，適當(dāng)改變課程內(nèi)容所占課時(shí)比例，從而調(diào)整重點(diǎn)教學(xué)內(nèi)容。

3.2 制作教學(xué)資源

由于學(xué)生主要利用課余時(shí)間自學(xué)為主，可能沒有較長的學(xué)習(xí)時(shí)間，而以碎片化的短時(shí)間為主，所以如何保證教學(xué)效果的同時(shí)又要保證學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性就是一個(gè)難點(diǎn)。最好的辦法就是選擇合適的項(xiàng)目，并針對每一個(gè)項(xiàng)目制作合適的圖片、PPT、動畫、微課視頻等格式。

在實(shí)際操作中，由老師挑選合適的項(xiàng)目載體，經(jīng)討論后確定需要制作的資源格式、內(nèi)容，老師和一部分骨干學(xué)生共同參與制作。讓骨干學(xué)生參與進(jìn)來，不但能減輕老師的負(fù)擔(dān)，還能讓學(xué)生在參與制作資源的過程中加深對知識與技能的理解，同時(shí)發(fā)現(xiàn)自己的不足之處，迫使他們通過學(xué)習(xí)以彌補(bǔ)缺點(diǎn)，進(jìn)而形成一個(gè)良性循環(huán)。

3.3 課后工匠班的組成和運(yùn)作

從學(xué)生大一開始，通過輔導(dǎo)員宣傳、發(fā)放宣傳資料等方法進(jìn)行廣泛動員，讓學(xué)生充分了解并鼓勵加入。

課后工匠班是利用課后業(yè)余時(shí)間，以興趣為先導(dǎo)、自學(xué)為主，因此不限制學(xué)生的班級、年級、專業(yè)，學(xué)生可以根據(jù)自己的實(shí)際情況選擇學(xué)習(xí)不同的內(nèi)容和難度，學(xué)生也隨時(shí)可以加入或者退出，采取完全自由的方式。因此，課后工匠班并不適合采用統(tǒng)一時(shí)間、統(tǒng)一地點(diǎn)的集中授課。

在實(shí)際操作中，課后工匠班的老師由一名主教師和多名輔助教師組成，主教師負(fù)責(zé)整體的教學(xué)指導(dǎo)和管理工作，輔助教師負(fù)責(zé)協(xié)助主教師進(jìn)行具體的教學(xué)工作。同時(shí)，招募一些高年級的學(xué)生作為助教。在組織形式上主要采用課后小組為單位，將學(xué)生按照水平分為不同的組，教師或助教學(xué)生任組長，協(xié)調(diào)組內(nèi)學(xué)生的學(xué)習(xí)和討論工作，組內(nèi)定期組織學(xué)習(xí)和討論，并對不同學(xué)生提供個(gè)性化輔導(dǎo)和幫助。同時(shí)輔以半個(gè)月一次的集中討論，主要讓各組介紹自己的學(xué)習(xí)情況、心得體會等，老師對不同組進(jìn)行點(diǎn)評，表揚(yáng)學(xué)習(xí)進(jìn)步的組和成員，鼓勵落后的學(xué)生，并適度對不同組的學(xué)員根據(jù)學(xué)習(xí)進(jìn)度進(jìn)行調(diào)換。老師偶爾從課題、企業(yè)的需求中選擇一些合適的內(nèi)容發(fā)布實(shí)踐活動，讓學(xué)生參與到實(shí)際的應(yīng)用中，一來可以提高學(xué)生的積極性，二來可以豐富對學(xué)生的評價(jià)手段。

3.4 建立完善課程考核方法

傳統(tǒng)課程的考核通過試卷的形式進(jìn)行，這種方法不符合課后工匠班的特點(diǎn)，需要針對學(xué)生的實(shí)際情況，選擇合適的考核形式。

在實(shí)際操作中，采取評價(jià)+實(shí)操兩種方式進(jìn)行評價(jià)。

評價(jià)是通過學(xué)生完成的作品和項(xiàng)目，由老師評價(jià)、同組互評和學(xué)生自評相結(jié)合的方式。對于在平時(shí)學(xué)習(xí)過程中突出的學(xué)生，特別是單獨(dú)或者輔助老師完整了某些項(xiàng)目的學(xué)生，老師可以根據(jù)其平時(shí)表現(xiàn)直接給予分?jǐn)?shù)，不參加實(shí)操考試。

對于一些平時(shí)不怎么活躍，老師或者助教學(xué)生不清楚實(shí)際學(xué)習(xí)效果的學(xué)生，就采用實(shí)操的考核方式。實(shí)操是教師根據(jù)教學(xué)內(nèi)容提供某個(gè)機(jī)械零件圖紙，讓學(xué)生使用軟件進(jìn)行三維建模等操作，以此來評價(jià)學(xué)生的軟件操作熟練程度與繪制機(jī)械零件的能力。最后，根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)成績和表現(xiàn)，頒發(fā)相應(yīng)的工匠證書，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動力。

3.5 成立工作室，服務(wù)社會

通過調(diào)查了解，團(tuán)隊(duì)老師發(fā)現(xiàn)很多小型企業(yè)由于成本的限制，并沒有專門的三維建模設(shè)計(jì)師，但企業(yè)本身對三維設(shè)計(jì)、出工程圖、制作機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)視頻、逆向建模等方面都有著一定的需求，加上國家鼓勵大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)，課程團(tuán)隊(duì)決定設(shè)立機(jī)械設(shè)計(jì)工作室，解決一部分企業(yè)在上述方面的困難。

機(jī)械設(shè)計(jì)工作室以團(tuán)隊(duì)教師為指導(dǎo)，課后工匠班學(xué)生為主體，通過網(wǎng)絡(luò)平臺進(jìn)行宣傳，提供繪圖、設(shè)計(jì)、建模等相關(guān)服務(wù)。當(dāng)接到企業(yè)的任務(wù)需求后，工作室的管理員將需求分發(fā)給相應(yīng)的學(xué)生團(tuán)隊(duì)，先由學(xué)生團(tuán)隊(duì)進(jìn)行設(shè)計(jì)，再由教師進(jìn)行把關(guān)，確認(rèn)符合企業(yè)要求后，再將成果交給企業(yè)，并收取一定的設(shè)計(jì)費(fèi)用。

4 教學(xué)效果

4.1 增加學(xué)習(xí)興趣

課后工匠班的學(xué)生們有機(jī)會接觸到不同領(lǐng)域的知識和技能，并且通過實(shí)踐項(xiàng)目的開展，加深他們對所學(xué)的知識和技能的掌握和理解。通過完成企業(yè)任務(wù)的成就感和設(shè)計(jì)費(fèi)激勵的正向反饋，極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓他們更加主動、自覺地學(xué)習(xí)新知識、鉆研新技能，為將來的工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

4.2 知識技能扎實(shí)

課后工匠班的學(xué)生在做畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)，在二維工程圖、三維建模方面都普遍強(qiáng)于其他同學(xué)，表明他們在這方面扎實(shí)的基本功。

4.3 自學(xué)能力提升

在畢業(yè)實(shí)習(xí)的過程中，工匠班的學(xué)生不僅在學(xué)校教授的知識和技能方面普遍表現(xiàn)出色，也在新知識的接受、自主學(xué)習(xí)等方面表現(xiàn)更加優(yōu)異，得到了企業(yè)的普遍認(rèn)可和贊賞。這一方面證明了對學(xué)生知識和技能培養(yǎng)的成效，另一方面也體現(xiàn)了對學(xué)生自學(xué)能力培養(yǎng)的效果，這對他們今后的職業(yè)生涯更加重要。

4.4 競賽成績優(yōu)異

課后工匠班為多個(gè)職業(yè)技能競賽培養(yǎng)了一批優(yōu)秀的技能競賽選手。比如，在CAD機(jī)械設(shè)計(jì)技能大賽中，課外工匠班的多個(gè)學(xué)生獲得了省賽一二三等獎。在“高教杯”全國大學(xué)生先進(jìn)成圖技術(shù)與產(chǎn)品信息建模創(chuàng)新大賽中，也有多個(gè)課外工匠班的學(xué)生獲得了國賽一二三等獎。學(xué)生的出色表現(xiàn)為學(xué)校增光添彩。

4.5 教師水平提升

在教師參與課后工匠班的過程中，不斷了解行業(yè)的最新動態(tài)，參與相應(yīng)學(xué)習(xí)進(jìn)修，申報(bào)了相關(guān)的課題，發(fā)表了相關(guān)的論文。這不僅讓教師個(gè)人的能力和教學(xué)水平有了明顯的提高，還為教學(xué)改革提供了經(jīng)驗(yàn)和思路。

4.6 服務(wù)企業(yè)成果顯著

在機(jī)械設(shè)計(jì)工作室成立的一年多時(shí)間中，共完成企業(yè)任務(wù)100余項(xiàng)，內(nèi)容包括零部件測繪、CAD繪圖、三維建模、增材制造、動畫制作等方面，共收到設(shè)計(jì)費(fèi)十五萬元，除了一小部分用于維護(hù)工匠班正常運(yùn)轉(zhuǎn)、購買設(shè)備外，其余都發(fā)放給參與任務(wù)的學(xué)生。

例如，有個(gè)農(nóng)產(chǎn)品企業(yè)找到機(jī)械設(shè)計(jì)工作室，需要設(shè)計(jì)一款能拾取橘子的機(jī)械抓手。工作室老師與學(xué)生通過多次詳細(xì)地溝通，確定產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求、性能、材料、加工工藝等內(nèi)容，建模設(shè)計(jì)了樣品，交由廠家試生產(chǎn)。在廠家生產(chǎn)、驗(yàn)證并反饋問題后，老師與學(xué)生一起改進(jìn)設(shè)計(jì)，再由學(xué)生進(jìn)行建模。如此反復(fù)多次，最終成功地設(shè)計(jì)出了這款橘子抓夾。同學(xué)們、老師都深受鼓舞，也獲得了一筆可觀的設(shè)計(jì)費(fèi)。

在這一年多時(shí)間內(nèi)，工作室和四家企業(yè)建立了穩(wěn)定的合作關(guān)系，為他們每家企業(yè)都解決了不少于5項(xiàng)技術(shù)難題，甚至有老師帶領(lǐng)學(xué)生曾親赴浙江企業(yè)現(xiàn)場為他們測量產(chǎn)品、建模并提供技術(shù)指導(dǎo)。在經(jīng)過企業(yè)同意的前提下，工作室老師從參與的這些項(xiàng)目中選取了三十多個(gè)做成教學(xué)案例，供后續(xù)的教學(xué)使用，極大地充實(shí)教學(xué)資源庫。

機(jī)械設(shè)計(jì)工作室的成立，讓學(xué)生參與到各個(gè)實(shí)際項(xiàng)目中，并且做完一個(gè)項(xiàng)目，立刻就能收到設(shè)計(jì)費(fèi)，這種直接快速的正向反饋機(jī)制，遠(yuǎn)比半年一次的期末考試和一年一次的技能競賽來得頻繁、直接，這極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。學(xué)生們經(jīng)常為了克服一個(gè)項(xiàng)目的難點(diǎn)，自覺地請教老師，或者上網(wǎng)學(xué)習(xí)，真正達(dá)到了學(xué)生自學(xué)，老師一旁指點(diǎn)的理想狀態(tài)。同時(shí)，為這么多企業(yè)工廠解決了生產(chǎn)過程中的各種問題，也能提高這些企業(yè)的生產(chǎn)效率，為社會創(chuàng)造價(jià)值，同時(shí)還符合國家大力推廣大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的政策。

5 結(jié)語

基于三維建模的課外工匠班的教學(xué)模式，利用課余時(shí)間讓有興趣的學(xué)生自主學(xué)習(xí)，提升學(xué)習(xí)效果，提高學(xué)生的職業(yè)能力，同時(shí)成立機(jī)械設(shè)計(jì)工作室讓學(xué)生參與到企業(yè)的項(xiàng)目中，不但提升了他們的能力，激發(fā)了學(xué)習(xí)積極性，還服務(wù)企業(yè)為社會創(chuàng)造財(cái)富。但是，此模式在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中還有很多的不足之處，需要在實(shí)踐中不斷改進(jìn)提高。

基金項(xiàng)目：湖南省教育廳科學(xué)研究課題：基于技能競賽的《CAD機(jī)械設(shè)計(jì)》課外工匠班教學(xué)模式的探索與實(shí)踐（項(xiàng)目編號：22C1411）。

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