機(jī)械三維建模及3D打印課程教學(xué)模式研究

卜祥安

（1.德州機(jī)電工程學(xué)校，山東 德州 251200；2.德州科技職業(yè)學(xué)院，山東 德州 251200）

0 引言

當(dāng)前，三維建模和3D打印在機(jī)械行業(yè)中越來越受到重視，相關(guān)軟件的教學(xué)也成為機(jī)械大類專業(yè)的核心課程。因此，探討機(jī)械類三維建模軟件的教學(xué)，以及如何把課程教學(xué)和企業(yè)實(shí)踐密切結(jié)合，成為各職業(yè)院校的一個重要課題。下面以CREO3.0軟件建模與3D打印技術(shù)課程的教學(xué)為例，探討三維建模類軟件的課程開發(fā)和教學(xué)模式[1]。

1 機(jī)械三維建模課程在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)的問題

（1）建模過程不完整，學(xué)習(xí)過程無法實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。建模課程以往只是空洞地進(jìn)行模型的建立，學(xué)生模仿實(shí)物建模，但建模之后很難做成模型，學(xué)生無法對所建模型進(jìn)行比對與評估，整個學(xué)習(xí)過程無法閉環(huán)，從而使得學(xué)生無法對自己的學(xué)習(xí)過程進(jìn)行評價。

（2）原有教學(xué)手段單一。原有的教學(xué)模式進(jìn)行課程教學(xué)時，只對課本內(nèi)容及相關(guān)的命令及菜單進(jìn)行講解和操作，沒有實(shí)際案例應(yīng)用于教學(xué)，課程學(xué)習(xí)結(jié)束，學(xué)生并沒有學(xué)到企業(yè)所有的專業(yè)技能，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性差，效果很不理想。

（3）教學(xué)內(nèi)容無法和職業(yè)崗位進(jìn)行有效對接。通過對用人企業(yè)和畢業(yè)生的多方考察調(diào)研，發(fā)現(xiàn)存在以下問題：學(xué)生在學(xué)校所學(xué)的知識無法用到工作崗位，達(dá)不到學(xué)以致用，企業(yè)對學(xué)生的專業(yè)技能不滿意，企業(yè)普遍反映學(xué)生的學(xué)習(xí)能力差，專業(yè)技能環(huán)節(jié)薄弱。

2 課程的內(nèi)容選取和組織

為了解決課程教學(xué)過程中教材內(nèi)容與現(xiàn)實(shí)工作所需的專業(yè)知識脫節(jié)的問題，在課程的內(nèi)容選取、組織上進(jìn)行深入的研究并作出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

2.1 內(nèi)容選取：基于職業(yè)崗位群及典型任務(wù)分析

經(jīng)過充分調(diào)研、研討和分析，依據(jù)職業(yè)能力分析結(jié)果，將機(jī)械設(shè)計與制造、數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)等專業(yè)的職業(yè)能力分解為繪圖設(shè)計能力、工藝編程能力、加工操作能力等三個核心職業(yè)能力，并按照從簡單到復(fù)雜、從低級到高級的能力進(jìn)階規(guī)律，形成了由專業(yè)基礎(chǔ)能力模塊、專業(yè)能力模塊、綜合專業(yè)能力模塊以及拓展能力模塊構(gòu)成的課程設(shè)置路線。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)?shù)貐^(qū)域和產(chǎn)業(yè)特色，以及機(jī)械制造類企業(yè)對該專業(yè)人才的需求，對課程知識點(diǎn)進(jìn)行了有機(jī)的細(xì)化，使課程內(nèi)容更加“貼近專業(yè)、貼近工藝、貼近生產(chǎn)”，從而構(gòu)建了課程設(shè)置鏈路清晰、課程定位具有區(qū)域產(chǎn)業(yè)特色、以工作過程為主線的系統(tǒng)化課程體系[2]。

在課程結(jié)構(gòu)上，分別以知識點(diǎn)和技能點(diǎn)兩條主線。

（1）知識點(diǎn)：從軟件內(nèi)容角度進(jìn)行取舍，主要以建立常見機(jī)械類零件的三維模型、二維工程圖、虛擬裝配、并在數(shù)控加工、3D打印新技術(shù)方面的知識點(diǎn)為主，并適當(dāng)進(jìn)行有效的拓展。

（2）技能點(diǎn)：從課程內(nèi)容角度選擇，主要以CA6140普通車床上的典型零件為載體，對機(jī)械常見零件為主，分別選擇了軸類、盤蓋類、箱體類、叉架類、齒輪、螺紋和彈簧類等零件為主要內(nèi)容[3]。

在內(nèi)容選取上，同時把這兩條主線有機(jī)地融合在一起，避免了只講軟件指令的弊端，使學(xué)生能夠在項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的過程中，既掌握了軟件的應(yīng)用技能，又掌握了典型零件的設(shè)計方法。

2.2 內(nèi)容組織：注重與其他課程的橫向聯(lián)系，突出職業(yè)崗位的過程控制

三維建模課程是使用CREO3.0進(jìn)行建模，然后用3D打印機(jī)對所建立模型打印輸出，最后將打印的實(shí)物與建模實(shí)物進(jìn)行對比，找出建模過程中出現(xiàn)的問題和所建模型的缺陷，進(jìn)行修改與完善，最終打印輸入，完成建模的全過程[4]。

因此，課程在內(nèi)容組合上，與計算機(jī)基礎(chǔ)、機(jī)械制圖、AUTO CAD、機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)、普通機(jī)床與數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)、數(shù)控編程與加工等前期所學(xué)的課程有著密切的關(guān)聯(lián)，同時，也對后期的畢業(yè)設(shè)計起著一定的促進(jìn)和支撐作用。

（1）以《機(jī)械制圖》和《AUTO CAD》中的測繪結(jié)果為素材。本課程是以CA6140普通車床的典型零件為載體，建模所用的圖形和尺寸，主要來源于學(xué)生在大一學(xué)習(xí)機(jī)械制圖、AUTO CAD等課程時，對車床典型零件的測繪的結(jié)果為主。從而以本課程的三維建模、工程圖、虛擬裝配為核心，與其他課程形成了密切的結(jié)構(gòu)體化課程體系。

（2）以《機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)》的課程內(nèi)容為綱。在軟件建模的內(nèi)容安排中，分別以軸類、盤蓋類、箱體類、叉架類等主要零件為綱領(lǐng)，這些零件的分類依據(jù)也正是以《機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)》中課程內(nèi)容安排互相對應(yīng)。

（3）和數(shù)控編程與加工相互照應(yīng)。學(xué)生在學(xué)習(xí)本課程前，還安排了數(shù)控編程與加工的課程學(xué)習(xí)，與本課程的數(shù)控加工模塊相互補(bǔ)充，拓展了學(xué)生的學(xué)習(xí)知識面。

（4）與《普通機(jī)床與數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)》課程內(nèi)容同步開設(shè)。在本課程的學(xué)習(xí)安排上，是與《普通機(jī)床與數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)》同學(xué)期開設(shè)，這兩門課程可以實(shí)現(xiàn)在內(nèi)容上互相印證，在知識上相互促進(jìn)和深化。

課程內(nèi)容在教學(xué)內(nèi)容的組織與安排方面，完全遵循了“由淺入深、循序漸進(jìn)”“適度夠用”的原則。課程每一個項(xiàng)目，都配有文本教材、任務(wù)驅(qū)動、演示視頻、課件PPT、建模參考步驟、相關(guān)配套訓(xùn)練素材，主要的訓(xùn)練素材同時給出參考步驟、參考模型，對于較復(fù)雜的素材同時也給出演示視頻等幾個方面。

（5）不斷拓展課堂內(nèi)容，及時添加新技術(shù)、新工藝。除了原來的課程內(nèi)容外，在近幾年還在課程中加入了3D打印技術(shù)的新技術(shù)和新工藝。同時，以選修內(nèi)容的形式，對軟件的并行設(shè)計、逆向工程、行為建模理念也有適當(dāng)?shù)耐卣埂?/p>

（6）內(nèi)容由淺入深，體現(xiàn)課程的層次性。所在學(xué)習(xí)項(xiàng)目，都經(jīng)過精心選擇，在內(nèi)容安排上，學(xué)習(xí)任務(wù)由淺入深。以學(xué)習(xí)項(xiàng)目2軸類零件的設(shè)計與建模為例，在介紹了基礎(chǔ)知識后，首先以最為簡單的車床光杠作為入門，掌握軸類零件的建模思路，然后，依次再進(jìn)行一般階梯軸、車床花鍵軸的建設(shè)，最好是比較復(fù)雜的車床主軸建模。這樣，使學(xué)生在學(xué)習(xí)在循序漸進(jìn)的過程中，掌握軸類零件的建模特點(diǎn)和思路。

3 教學(xué)模式

為保證教學(xué)內(nèi)容的不斷豐富和充實(shí)，課程在教學(xué)模式上的主要措施有以下方面：

3.1 采取任務(wù)驅(qū)動、六步教學(xué)法進(jìn)行教學(xué)

針對課程內(nèi)容安排，在教學(xué)模式上進(jìn)行進(jìn)一步的整改和優(yōu)化。一方面結(jié)合裝備制造業(yè)對CAD/CAM行業(yè)的人才需求特點(diǎn)，將基本設(shè)計理論和新的設(shè)計理念、設(shè)計方法相融合，一方面，結(jié)合典型的機(jī)械類零部件（如軸類零件、盤蓋類零件、箱體類零件、叉架類零件等），以實(shí)際工程案例任務(wù)作為任務(wù)驅(qū)動，避免原來的只講不練，或者是理論和實(shí)踐相脫節(jié)的方式。不斷引入了案例教學(xué)，一般提前給學(xué)生下發(fā)任務(wù)單，使學(xué)生在咨詢、實(shí)施、評價等各個環(huán)節(jié)中都能積極參與，培養(yǎng)學(xué)生的分析能力，啟發(fā)學(xué)生思考。

使學(xué)生掌握實(shí)際工程設(shè)計方法和技巧，在更大程度上解決理論與實(shí)際脫節(jié)的問題，著重培養(yǎng)學(xué)生在分析實(shí)際問題、解決問題的能力。

3.2 情境化模式，突出工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)

本課程是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，為此，我們精心設(shè)計了培養(yǎng)和提高學(xué)生基本知識、專項(xiàng)技能以及課程綜合應(yīng)用技術(shù)三大策略，形成了一套較為完整的教學(xué)體系和教學(xué)方法。能力訓(xùn)練的內(nèi)容和過程都是嚴(yán)格遵循了循序漸進(jìn)的原則進(jìn)行安排。三個層次的訓(xùn)練有序進(jìn)行，學(xué)生不但可以進(jìn)行一般機(jī)械類零部件的設(shè)計、裝配、分析及制造，大大提高工程實(shí)踐能力。同時，因?yàn)閷W(xué)生在建立三維模型時面對的不僅僅是單一的圖形，圖形的來源是車間實(shí)際車床實(shí)物為參照，并且是通過前期課程中拆裝、測繪，所積累下來的知識和圖形。使本課程與其他課程有著密切的關(guān)聯(lián)，達(dá)到融會貫通、綜合應(yīng)用的目的。實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的測繪、建模、加工、裝配、技術(shù)革新等多個環(huán)節(jié)的統(tǒng)一，使課程在更大程度上接近企業(yè)實(shí)際工作情境。

3.3 強(qiáng)化課堂之外的學(xué)習(xí)環(huán)境、資源和平臺建設(shè)

除了課堂教學(xué)方式外，學(xué)院建立了網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，所有的學(xué)習(xí)資源都能在網(wǎng)絡(luò)平臺上查看和下載。同時，還針對每一個教學(xué)班級，建立微信群、QQ群，實(shí)現(xiàn)師生在課堂之外的即時交流和互動。實(shí)現(xiàn)作業(yè)的發(fā)放、收繳以及答疑、咨詢等都可以通過課堂外的網(wǎng)絡(luò)平臺實(shí)現(xiàn)，也能保證學(xué)生在時時處處都能學(xué)習(xí)到課堂內(nèi)容和知識。

3.4 考核方式以操作和考取技能資格證書相結(jié)合

在課程考試、考核上，將傳統(tǒng)的考試改為課程考試和學(xué)生考取技能證書相結(jié)合。學(xué)院除了與當(dāng)?shù)貏趧硬块T有著長期的合作外，還和國家制造業(yè)信息化中心、全國3D技術(shù)推廣服務(wù)與教育培訓(xùn)聯(lián)盟等多家單位有密切的聯(lián)系，推行證書與學(xué)分互認(rèn)，學(xué)生在課程結(jié)業(yè)后，可以根據(jù)個人實(shí)際情況，選擇考取一個或多個CAD/CAM方面的技能資格證書。

4 特色創(chuàng)新

相對于傳統(tǒng)的課程教學(xué)方式，本課程的特色創(chuàng)新體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）課程體系的系統(tǒng)化。課程使用了全新的教學(xué)載體，經(jīng)過精心的選擇，采用了CA6140車床典型零件為建模、工程圖和裝配時的載體，從而使課程在內(nèi)容和載體上區(qū)別于當(dāng)前眾多的教材內(nèi)容。而這些內(nèi)容都是在經(jīng)過前期課程在測繪、拆裝過的典型零件。使本課程和我院開設(shè)的其他課程保持了一脈相承的關(guān)系。

（2）資源內(nèi)容的顆粒化。在提供的課程內(nèi)容上，我們摒棄了過去那種整堂課的學(xué)習(xí)模式，把知識點(diǎn)和技能點(diǎn)以顆粒化的形式提供給學(xué)生。比如，很多視頻講解一個內(nèi)容時，往往只需要三、五分鐘的時間，這樣，使學(xué)生在學(xué)習(xí)時用較短的時間，也能學(xué)習(xí)和掌握一個完整的知識點(diǎn)。

（3）學(xué)習(xí)手段的現(xiàn)代化創(chuàng)新。除了正常的課堂學(xué)習(xí)方式外，課程還準(zhǔn)備了更為豐富的課程資源，充分利用現(xiàn)代化的通信手段，以網(wǎng)絡(luò)、手機(jī)、平板電腦等工具，讓學(xué)生課堂之外也能實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)和師生即時的交流和互動。

（4）教材編寫方式創(chuàng)新。在教材上學(xué)習(xí)內(nèi)容上，都設(shè)計二維碼，學(xué)習(xí)者只需要用手機(jī)掃描教材上的二維碼，就可以看到相關(guān)的視頻、PPT、電子教材等學(xué)習(xí)資源。

（5）3D打印學(xué)習(xí)模塊創(chuàng)新。近年來，3D打印技術(shù)成為計算機(jī)輔助設(shè)計和制造的熱門方向。為了適應(yīng)這種新形式，讓學(xué)生了學(xué)生了解和掌握一定的3D打印技術(shù)，我們及時在教學(xué)內(nèi)容上添加了3D打印這一學(xué)習(xí)模塊。對于部分零件，學(xué)生在用軟件建立了三維模型后，可以直接借助學(xué)校的3D打印機(jī)，打印出實(shí)物模型。

5 結(jié)束語

近幾年，在課程教學(xué)過程中，通過多方調(diào)研和教學(xué)實(shí)踐，積累了一些成功的經(jīng)驗(yàn)，課程組對課程內(nèi)容進(jìn)行重新組織和選取，拓展了與企業(yè)相關(guān)的課程內(nèi)容，及時添加新技術(shù)、新工藝，在課程層次性上進(jìn)行一定的改革。大教學(xué)模式上進(jìn)行了創(chuàng)新，采取任務(wù)驅(qū)動、六步教學(xué)法進(jìn)行教學(xué)，采用情境模式，突出工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)，強(qiáng)化課外學(xué)習(xí)環(huán)境、資源和平臺采取操作和資格證書相結(jié)合的新型考核模式；實(shí)現(xiàn)了課程體系系統(tǒng)化、教學(xué)資源顆粒化和學(xué)習(xí)手段的現(xiàn)代化。課程的改革與創(chuàng)新贏得了學(xué)生和學(xué)校的一致認(rèn)可。