基于職業分析的3D打印一體化課程設計

秦鴻驕 趙麗

摘要：近年來，在職業院校中，一體化課程改革是越來越深入，學生也因此獲益良多。3D打印作為智能制造和工業4.0的新興技術，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開設相關專業和課程。設計基于職業分析的3D打印技術一體化課程，一方面有利于理實結合、方便教學，另一方面可以總結工作經驗，從而促進學生的學習效果和實習效率。文章以天津市海河教育園區某高職院校3D打印技術課程實踐為例，設計總結了一種基于職業分析的3D打印一體化課程案例。

關鍵詞：職業分析；3D打印；一體化課程

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

高等職業教育以高技能、高素質應用型人才的培養為己任，能力是雙高人才不可或缺的核心要素[1]。一方面，高技能、高素質的應用型人才必須掌握專業技能，另一方面需要具備基本的職業道德素養[2]。鑒于此，高等職業教育的培養目標是專業化的，這就要求我們孕育出比較有特色的課程開發理念。這其中，依托以往一體化教學改革中的經驗，天津市海河教育園區某高職院校課程開發依舊選擇了職業分析作為主要課程設計依據，因為它能向高職3D打印一體化課程的目標定位、設置安排、內容選擇和教學實施提供一個實際工作過程的參考。

近些年，由于智能制造的發展和新興產業需求，3D打印逐漸走下神壇，被廣泛應用在加工制造的各個領域。根據最新修訂的《普通高等學校高等職業教育（?？疲I目錄（2015年）》，高職院校的一些專業設有“3D打印”和“增材制造技術”方向，如機械制造與自動化專業（增材制造技術方向）、航空材料精密成型技術專業（航空產品3D打?。┑萚3]。3D打印是增材制造技術專業的必修課，配有工程制圖、建模技術、自動控制等基礎課程。學生在學習這門課程之后，能掌握并理解3D打印技術在實際工程應用的基礎知識，從而有能力組裝3D打印設備，設計和編寫3D打印程序，根據生產需要設計工程部件，進而滿足基于3D打印技術的工程安裝、調試、維護和設計的要求。開設該課程的目標是培養學生面向實際工程時的動手、動腦能力，為后續學習工業設計、文化創意、3D打印模具制造等其他課程提供知識和技術保障。

一、3D打印職業分析

（一）崗位群分析

通過前期的市場調研和企業走訪，可以根據行業水平把中國的3D打印產業所需的人才分為三種類型：一是上游技術和材料研發企業所需的3D打印技術研究、材料開發人才；二是中游設備生產商所需的3D打印機生產工藝人才；三是下游服務商所需的3D打印機營銷、售后服務以及3D打印服務等方面的技術應用人才。這三類人才所需掌握的技術技能如下頁表1所示。

簡言之，相關崗位群主要涉及3D打印產品設計、開發、制造和管理等崗位，從業人員主要需要掌握如何操作、加工、維護激光設備以及對加工產品進行銷售等。以技術路線為主，通過技能的不斷提高，3D打印初期技術崗位對應技術員二次晉升可成為技術工程師，通過業務能力的提升，三階段可以晉升為技術總工程師等；以業務人員為主線，有3D打印技術的人員還可以對相關服務和設計公司、在線商店和其他相關單位進行技術操作、咨詢服務和管理服務；或者選擇建立一個提供3D產品設計和打印服務的網上商店或實體店。

（二）典型工作過程分析

面向典型工作任務的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內容上分析，既不同于普通高校開設的3D打印原理類課程，主要側重3D打印技術理論的講授和學習，不重視實踐訓練；又不同于中職學?；蚺嘤枌W校開設的3D打印技術類課程，主要側重應用性實踐訓練，忽略3D打印技術理論知識的傳授；也不同于普通高職學校3D打印技術類課程主要采取基于知識點的傳統教學形式，而是在教學中構建基于實際工作過程的3D打印項目設計、安裝與調試仿真情境，讓學生在仿真情境中以一貫性項目開發為載體，將3D打印技術基本理論知識和3D打印成品設計、應用、設備管理和維護技能以及基于3D打印技術的上位機界面模型設計通過軟件進行解構與重構，使其完全融入到一貫性項目開發過程中。教學過程中采用基于工作任務的教學方法，是為了讓學生在完成項目和進行任務的過程中掌握3D打印技術的基本知識和實際操作技能[4]。

（三）典型工作任務分析

以基于3D打印的零件加工這個典型工作任務的具體過程舉例來說，在企業生產工作中，經常需要操作人員自主設計和加工一些工具，加工人員有時也會根據產品的要求自制一些小工具，以提高工作效率。完成這些任務的過程是：處理人員接受處理任務，或者根據現有模式的要求，根據功能需求，制定工作計劃，確定加工工藝，并制備3D打印機和對應打印模式，完成產品的加工、裝配、檢驗，合格后交貨。在工作過程中，有關人員的執行要嚴格遵守安全規則，在完成工作后，按照現場清理管理、退貨、廢物處理等環節進行廢物處置。

表2是3D打印材料采購崗位的關鍵職業能力對照表。這只是3D打印項目所涉及的其中一個典型工作過程和任務，經過市場調研和多次論證后，基于相對科學的典型的工作任務，把知識點滲透在每一步工作過程中，以項目的方式體現系統性，才是本文所說的3D打印一體化課程設計中的思路。一方面，學生通過現場觀摩、視頻圖片等觀看的方式，感知企業生產環境和生產流程，了解安全生產要求、規章制度和技術發展趨勢等，并通過各種方式展示所認知的信息；另一方面，學生能規范使用工具和設備（如3D打印機、SLS切割等），利用工具按圖樣制作零件，并能正確保養和歸置工具和設備，按照國家標準，完成手工零件繪制和產品三視圖制作，具備一個技術人員的核心素養。

二、課程整體設計

（一）課程目標設計

1.總體目標

本課程通過“數控磨床組件設計”這一貫穿項目以及“數控機床風機配置的離心葉輪制作”這一自主項目的訓練，使學生能夠使用3D MAX模型設計軟件和組裝好的3D打印機，根據工程項目參數要求，構建磨床各部件之間的組裝模型；利用3D MAX建模軟件的內部資源、基本操作和3D視覺仿真，根據項目要求，每個組件的設計和安裝可以一步一步完成，整個項目可以調試。上位機可用于軟件設計，根據工程要求，數控磨床可以完成基本操作，編制設計軟件的設計過程，調試整機，具有初步的3D打印設計能力和解決3D打印技術項目實際問題的能力。

2.能力目標

能根據項目方案需求，進行模型設計相關參數的計算，完成建模；能根據項目方案需求，對項目外圍的非3D打印部件進行選型，做項目配置；能根據項目設備選型，進行相應產品的詢價，做項目報價單；能根據項目配置和方案，利用3D MAX、Auto CAD等軟件繪制部件模型和整機3D圖樣；能根據數控磨床組件的機械安裝圖和控制原理圖，進行整機組裝；能用3D MAX、Cura等軟件進行部件的繪制、修改、組裝效果仿真等操作；能用3D打印機完成設計部件的制作；能讀懂要打印件的工作圖；能夠合理選擇打印機及打印材料，在打印過程中，改變包含打印部分的測試區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，以確定是否應該改變打印的參數；能夠定期進行設備檢查，分析、判斷設備測試結果是否正常；能直觀地判斷機械設備的運行是否異常，并能分析故障的原因；目測打印件與圖樣的形狀及尺寸；優化3D打印機程序，打印設備維護；升級3D打印機程序及電子設備；根據產品的需求提出可行的解決方案；能應用3D打印技術的知識和技能解決某些實際工程問題。

3.知識目標

掌握3D打印技術理論知識；熟悉3D打印應用的科技領域；熟悉常用金屬材質、繪圖、公差與配合的知識；掌握機械加工基礎知識；掌握機械加工的常規工藝知識；掌握數控機床操作及編程方面的知識；掌握鉗工基礎知識；掌握液壓、裝配技術知識；了解質量管理知識；熟悉3D打印復雜零件的工作圖的讀取方法；了解項目優化的指標和方法；掌握3D MAX、Cura等軟件的基本操作方法；掌握3D打印設備的組裝方法；掌握3D打印設備的組裝與維護方法。

4.素質拓展目標

能夠根據客戶需求和實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，增加實際工程現場工作經驗；在項目設計過程中，根據設計要求，繪制出各部件的模型圖和操作流程圖，培養學生的形象思維能力，從不同的角度找出問題和解決問題的能力；在項目模型繪制和匹配過程中，根據程序流程圖，以實現整機工作功能為基礎，盡量簡化模型的設計，培養學生養成獨立思考的學習習慣，能全面的分析和比較、總結和概括所學內容，舉一反三；在項目進行過程中，按照一定的要求把所有的學生分組，組內成員可以在組長的安排下，與團隊成員合作，及時完成任務，每個團隊成員都必須善于從別人的經驗中學習，發揚團隊精神，由此培養學生的團隊建設能力、組織協調能力、創新能力等；在項目訓練過程中，掌握安全第一的原則，嚴格按照工作規程操作，培養學生良好的職業素養；在學習和教學過程中，培養學生承受失敗和接受挑戰的意識；在構建數控磨床組件設計項目的過程中，培養學生經濟成本、安全、環保、質量等方面的意識；能熟知在基于數控磨床組件設計的項目中遇到的專業英語詞匯及縮寫詞的意義。

（二）課程內容及項目設計（見下頁表3）

在實際教學過程中整體流程如下：接受任務→學生獲取信息（自我學習）→按教師示范進行操作→自檢→按標準進行自評、互評和師評→進一步學習完善→根據工藝等要求重新完成工作→自檢→按標準進行自評、互評和師評→總結。

（三）考核方式

1.學習任務過程性考核

每個學習任務可采用學生自評、組內互評、組間互評、教師評價和企業專家評價等方式相結合進行考核[5]。依據任務難度、能力需求和課時分布，暫定的各學習任務成績占比分別為：學習任務1和學習任務2共占5%；學習任務3、學習任務4和學習任務5共占15%；學習任務6至學習任務10共占40%；學習任務11至學習任務16共占40%。

2.課程終結考核

完成各學習任務后，3D打印一體化課程的終結考核按如下方式進行：學生根據項目B的任務書，獨立完成實施方案，并根據實施方案獨立完成作品的加工、裝配和調試工作。評估的結果是課程的最終測試結果。

3.課程成績計算

課程成績=學習任務成績×60%+課程終結考核×40%。

三、課程實施效果

（一）教師和學生在一體化課程進行中的角色發生了轉變

這門課的目的是讓學生做更多的事情，不僅僅是動手去做，而且要動腦去做，不僅是學生要做，而且是教師要做。在學習過程中，學校經常使用競爭法。例如，在進行“完成3D打印部件的制作”內容時，要求每一個制作組推選一名學生上臺展示、比賽，學生們的學習興趣十分濃厚，而且都爭著舉手回答問題，主要是因為害怕其他同學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隊而戰，這樣也能提高集體凝聚力。“以教師為主導，以學生為主體”的理念在一體化課程進行中展現無遺，這極大提高了學生自主學習的積極性，因此達到了較好的教學效果，提高了教學質量[6]。

（二）合作意識和合作能力是高技能應用型人才應該具備的基本素質

小組學習是組織課堂的主要方式，這不僅為學生提供了合作的機會，還幫助學生共同學習和交流經驗，從而形成積極、主動、合作的學習方式，進而培養學生合作與共享的能力素養。例如，在進行“完成整機的運行調試”內容時，在最后的展示階段，學生自己設計了從設計→修改→組裝→調試等一系列的操作，調動了同組的每一個成員，實現了在學習專業技能的同時又提高了合作的意識和能力的教學目的。

（三）分享是有能力者自信的表現

在項目結束、點評的過程中，學生會像教師那樣，為所有的學生解釋專業問題，為所有學生的疑問找出方案，過去非常害羞的學生現在都能從容自信地站在同學面前。可見，3D打印一體化課程教學能大大提高學生的交際能力和表達能力，學生的綜合素質在一體化課程整合的過程中也有了質的飛躍[7]。

基于職業分析的3D打印課程采用“數控磨床組件設計”和“數控機床風機配置的離心葉輪制作”兩個項目，一主一輔相互補充，每個項目以一個或幾個典型的工作任務為載體，將學習知識分解成不同的項目和工作過程[8]。知識學習和能力訓練由淺入深，克服了學生的畏難情緒。每個任務的實施按照“收集資料——做出決策——制定計劃——制作實施——檢查改進——評價總結”六個步驟來展開。其中，數控磨床組件設計項目（課內項目）在教師引導下進行項目實施，通過本項目的完成學生可以養成根據用戶的需求，從專業技術人員的角度完成基于3D打印技術的迷你數控磨床組件設計、制作、組裝和調試等，并能通過上位機模型繪制軟件完成項目部件改進和整機參數匹配優化等；數控機床風機配置的離心葉輪制作（課外項目）以學生自主實施為主，教師指導為輔。學生在采用一體化的教學課程后，學習積極性明顯提高。

參考文獻：

[1]溫得位.關于新形勢下職業教育發展與改革的思考[J].青海教育，2005（zl）：15-16.

[2]謝俊琍.基于工作過程導向的市場營銷專業課程發展研究——以浙江省高職院校營銷專業分析為例[D].金華：浙江師范大學，2010.

[3]教育部.普通高等學校高等職業教育（專科）專業目錄（2015年）[Z].2015-10-28.

[4]徐念農，徐月華，張鵬，等.關于項目課程情境教學的研究[J].職教論壇，2009（21）：18-21.

[5]田曄，李兵.高?；A課“任務驅動-分組教學法”的探索[J].中國電力教育，2013（10）：85-86.

[6]畢既華.基于工作過程機電一體化技術專業課程體系的開發與實踐[J].牡丹江大學學報，2012（11）：176-178.

[7]趙小平.電工電子課程理實一體化教學模式創新思考[J].科技與創新，2014（3）：133-133.

[8]朱洪軍.論“1+1”模式下《機床電氣分析與項目實踐》教學改革[J].職業教育研究，2012（6）：93-94.

（責任編輯：王璐）