基于第二課堂的“數字化設計與3D打印”課程建設

蔣三生

（北京農業職業學院，北京 102208）

“中國制造2025”要求制造業數字化網絡化取得明顯進展，數字化研發設計工具在企業得到廣泛應用；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打印）等。《教育部關于深化職業教育教學改革全面提高人才培養質量的若干意見》 （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院校機械制造類傳統專業的教學改革和人才培養情況調研，要使學校培養的畢業生能夠滿足科技和經濟發展的需要，必需在原有的專業課程體系中注入新的內容[1-2]，以保證畢業生從業后具備可持續發展的后勁。“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打印）兩大核心技術新開發的課程。目前，國內大部分工科院校的機械制造類專業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院校技能大賽“工業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院校“數字化設計與3D打印”課程的建設與發展。

針對高職院校“數字化設計與3D打印”課程的建設和培養目標方面，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學生應用數字化技術與3D打印技術進行工業產品的三維造型設計和增材制造成型等專業核心能力，對于學生的能力要求比較高，而僅僅依靠常規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。以北京農業職業學院“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及職業能力的方法，以期解決常規課程總學時少、難以達到高水平培養的問題。

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的一門專業核心課程，屬于理實一體化課程，在第4個學期開設，是工業產品設計與制造行業相關崗位的一項重要專業技能。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、掌握工業產品的逆向建模與創新設計方法。

（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新設計。

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

1.4 課程內容設計

在國家大力發展數字化產品及數字產業的政策指導下，課程緊跟行業發展趨勢和特點，充分調研企業對于數字化設計與制造能力的高技能人才需求現狀，基于產業發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產品的逆向設計能力的培養，側重學生對機械基礎知識的綜合應用，培養學生的創新和創業能力。

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、逆向設計和創新設計于一體化的新職業課程[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，追蹤行業發展的新趨勢、新技術和新工藝，緊密結合全國職業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、筆記和素養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”課程主要培養學生在產品造型與建模、3D打印成型、綜合素養等方面的專業和職業能力。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能力，以及產品設計的直觀性、功能性、市場性、經濟性和創造性等職業能力。

要想培養學生具備扎實的上述專業和職業能力，僅靠52個學時的常規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技能和職業素養，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余生活，還對拓展他們的專業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。

北京農業職業學院“三維建模與3D打印”科技社團創立至今已有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成；通過拓展活動來挖掘學生的創新、創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和實用技能的培養；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列出了北京農業職業學院“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院校技能大賽相關賽題，緊跟行業發展的動態和前沿，項目綜合難度系數高，對于提升學生的專業能力意義重大。

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院校的重視。特別是有著“技能奧林匹克”之稱的世界職業技能大賽的開展，更將職業技能大賽的發展推向了一個新的階段。北京農業職業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”專業能力相關的國賽（高職）項目為“工業產品數字化設計與制造”項目。學院裝備制造類專業學生近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能力，更能培養學生對于奮斗目標的執著和追求，并錘煉學生的精神和意志品質，讓他們畢業后更好地適應企業文化和工作氛圍。

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，尋找與企業存在的差距。在社會實踐中，學生不僅可以了解行業的發展動態，還能鞏固和拓展自己的專業能力。

近年來，北京農業職業學院數控技術專業不斷向“數字化設計與制造”方向轉型和發展，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教師和學生達到國內行業先進水平；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進行學習，不僅學到了三維數字化設計方面的專業技術能力，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秀學生進行互動交流和學習，通過完成企業安排的工作任務，找出自身能力的不足，并激發自己的學習動力。

3 結語

隨著“數字化設計與3D打印”課程在職業院校機械、數控類專業的逐步開展，有必要制定相應的課程標準，以達到標準化人才培養的目的。由于該課程重點培養學生對工業產品進行數字化設計和3D打印成型等專業核心能力，對于學生的綜合能力要求比較高，依靠常規的課堂教學難以滿足高水平培養的目標，需要對第二課堂的培養形式進行探索和實踐。北京農業職業學院“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目標，通過創建科技社團并開展相關活動，構建“院賽-市賽/行業賽-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人才培養等方面都具有重要的意義。