中職學校3D打印校本課程的建設與應用

潘丹丹

摘 ? 要：根據《中國制造2025》的方針政策，《中等職業學校專業目錄》中加入了增材制造課程，3D打印課程將會是中職學校增材制造專業的一門主干課程。廈門市海滄區職業中專學校《3D打印技術應用》校本課程根據國家課程改革要求，結合學生發展的實際狀況，綜合利用教師的課程開發能力與特長，充分調動本校的課程資源而開發的設計課程，。

關鍵詞：3D打印技術;校本教材;課程創新;教學實踐

1 ?3D打印校本教材創新的理論與實踐背景

2015年，國務院發布的《中國制造2025》中提出推進信息技術與制造技術融合發展的要求，把智能制造作為我國科技制造發展新時期的主攻方向[ 1 ]。2019年，教育部發布新版《中等職業學校專業目錄》意見函，在中等職業學校加工制造專業大類中，新增了工業機器人、增材制造、新能源汽車裝修與檢測三項專業[ 2 ]。其中3D打印技術作為增材制造技術中最受矚目的一項，近幾年來技術發展迅猛、應用領域廣泛，3D打印專業人才市場需求巨大，也為中職院校培養3D打印專業技術人才提供了機遇與挑戰。

我校自2015年開始開設《3D打印》課程，調查試用過大量市場上現有的教材，仍然未能找到符合中職學校3D打印專業教學需求的教材。總體來說，現有教材有以下幾點不足：（1）打印機型號太多太雜，每個打印機的操作方法不一，學生無法針對書本自主學習;（2）目前市場上的教材理論性知識太多，案例數量不夠支撐整個學年的學習;（3）通用教材內容片面，沒有很好地體現中職學生的實踐操作能力和分層次教學。

而校本課程是根據學校具體教育教學客觀實際情況而編寫的，與國家課程與地方教材相銜接，能夠發揮學校在課程設置上的自主權、充分調動一線授課教師的經驗智慧、貼近實際教學場所與學生學情，靈活創新和配合行業最新動態，具有不可替代的課程創造力與專業創新性。為更好地組織符合我校教學實際的3D打印專業課程，我校3D打印任課教師經過長達五年的教學實踐，創新總結出一套適合中等職業學校3D打印專業教學的校本課程。

2 ?3D打印校本課程大綱

2.1 ?課程簡介

3D 打印（3D printing），即快速成型技術的一種，它是一種以 3D 數字模型為基礎，通過逐層打印可粘合的材料（包括塑料、金屬、生物材料等）方式來構造物體的技術[ 3 ]。3D 打印已在科研、教育、制造等行業得到越來越多應用。3D 打印機和3D計算機輔助設計軟件（UG）結合可以有效培養中職學生的設計素養和創新潛質，為學生畢業后進入前沿工業加工制造領域打下技術基礎，也為學生在高校進一步深造提供專業基礎能力的培養。

本校本教材主要采用北京龍宇打印機作為課程實驗配套工具，利用互聯網+教育的模式進行編寫，充分響應信息化時代對專業課程教育帶來的巨大影響，以最高效貼近我國工業加工制造行業發展實際的方式進行課程設計[ 4 ]。本校本教程的編制既考慮了實用性和創新性，又考慮了學生的學習能力，由易到難，層層遞進。全書由四個單元組成，從3D打印概述到教學案例再到學生創新，尤其是課程的后兩單元，采用項目式教學，“以項目為主線、教師為引導、學生為主體”。這種課程設計能夠整體滿足正向建模與3D打印的教學需求，也符合我校對3D打印專業的定位——在教授學生扎實掌握專業操作的基礎上，啟發學生工業產品設計的創新精神，培養高素質3D打印專業人員。通過本課程的學習，學生們可以掌握如何應用3D設計軟件來表達頭腦中的創意，并通過操作3D打印機設備將自己的創意設計圖紙實現為千奇百態的真實物品，充分感受創新創造的樂趣，逐步激發學習動力與創新能力。

2.2 ?教學對象

我校增材制造專業和機械專業的學生，需要具有一定的計算機、數學、美術、物理基礎。

2.3 ?教學內容及課時安排（如表1所示）

3 ?3D打印校本課程的具體實施

3.1 ?第一單元：3D打印技術

在最開初的3D打印技術導論部分，主要從三個方面進行介紹：3D打印技術的重要意義、3D打印技術的主要類型、3D打印的材料分類。經過初步的教學，使學生對3D打印有了初步的認識，了解3D打印技術的工作原理。

在此基礎上，進一步介紹我校使用的FDM 3D打印技術，使得學生對FDM 3D打印技術的工作過程、FDM 3D打印材料、FDM 3D打印技術的優缺點有更加深入的理解。

3.2 ?第二單元：FDM 3D打印機

本章節主要針對我校現有的教學打印機進行編寫，主要從四個部分進行講解：

（1）認識桌面式3D打印機（FDM）

（2）首次安裝及使用指南

詳細講解了打印機的安裝步驟，學生可以自己根據書本提示進行安裝，尤其是對于首次安裝順序。

（3）打印機核心軟件

本節從主界面、打印機設置、加載模型及模型操作這幾個步驟詳細講解了切片軟件的使用過程。

（4）3D打印模型設計的技巧及注意事項

學生在動手操作實踐的過程中會遇到各式各樣的困難，校本教程中把常見問題進行整理并有針對性的提供解決方案，使得學生在設計用于3D打印的模型時，能活用這些技巧，將大大提高模型打印的成功率及打印的效果。

3.3 ?第三單元：教學實例講解

本單元一共10個案例（具體內容見表2），在案例選取上結合工業產品設計的典型案例和機械行業的相關案例，符合我校專業特點，同時結合3D打印使學生不僅掌握軟件的操作還能通過實物對機械零部件有更深入地了解，使學生的專業基礎知識更加牢固。

全單元主要采用任務式教學方法，教師示范教學，學生跟著建模和打印，最終達到學生能夠熟練掌握3D打印建模軟件使用的教學目的。

例如在講解實例1鉆頭的時候，教學難點是“沿引導線掃掠”這個指令，那我們就把詳細的繪圖步驟一步一步的寫下來，如圖1所示，學生完全可以根據書中的步驟自行建模，這種教學形式能夠提高學生自主學習的能力。

3.4 ?第四單元：創新案例設計

本單元采用的10個案例是生活中常見的物品（具體內容見表3），跟上個單元相比增加了設計的環節。

我們發現目前大部分學校的3D打印課都只停留在學生依葫蘆畫瓢，學生必須根據已經提供的范例要求按部就班地一步步操作，完成整齊劃一的作品建模，打印出來的實物也是一模一樣。這種固定刻板的教學方式忽略3D打印本身的優勢——創新，我校教師根據我校的學生特點，著重在這一單元加入創新的元素，使得學生明白3D打印課程，并不是根據指示建個模型進行打印就行了，而是要能發散我們的思維，把天馬行空的想象轉換成現實的產品。讓學生體驗到自由的設計創造過程，切身感受到設計的樂趣，同時加入生活中的實用案例，讓學生意識到生活中個性化設計的意義，培養學生的創新設計思維，逐步使得創新創造成為習慣，成為學生終身職業生涯發展的習慣。

例如：在實例3 “刀”的設計中，首先給學生一個框架，即刀柄的二維圖紙，如圖2所示，讓學生根據圖紙的要求繪制出三維模型并打印，這也很好的鞏固了上一章課程的知識點。

然后要求學生根據任務一完成的三維數字模型文件，進行刀身的創新設計。請在刀柄的基礎上設計一個刀身，具體要求如下：刀身能與刀柄配合，且孔位對上;刀身要求外形設計美觀，多功能實用，至少能分清刀刃、刀背;刀身設計應結構合理，有足夠的強度支撐;符合 3D 打印制作工藝。

學生自行創造建模并打印，最終完成的作品各式各樣，部分學生作品見圖3。

這一章節采取分組教學，小組合作的形式，每個小組3-4個人，自行分配任務，最后完成再進行展示、講解，師生互評等。

評分標準如下：

任務一 ?三維模型繪圖（表4）（30 分）

任務二 ?產品創新設計（表5）（30 分）

任務三 ?產品 3D 打印與后處理（表6）（30 分）

任務四 ?職業素養（表7）（10 分）

整個章節采用項目式教學法的教學模式，采取分組教學，小組合作的形式，每個小組3-4個人，自行分配任務。每個環節都相應給評分標準，最后完成再進行展示、講解、師生互評等。其中加入了職業素養分，旨在培養學生的職業道德、安全操作規程等行為，使學生養成良好的職業素養，為將來的實際工作奠定良好的工作作風。

4 ?課程建設的優點與不足

我校3D打印校本教程的設計與實踐，充分發揮了校本課程的創造性，深入貼近我校學生學情與就業要求，目前課程建設取得成果的優勢有以下幾點：

（1）教學層次清晰，教材難度從易到難，理論聯系實際;

（2）教材案例豐富，步驟示范清晰而詳盡，適合學生用以自主學習;

（3）緊密聯系行業前沿，選取的案例符合生產生活實際，符合我校專業人才培養目標;

（4）培養學生基礎專業能力的同時，注重創新能力的培養，在教學中時刻貫徹學生職業素養的提高。

我校3D打印校本教程經過5年的實踐創造，雖已經取得喜人的進展，但仍存在一些有待改進的不足，主要有以下幾點：

（1）應加入信息化手段，在書中添加二維碼看視頻功能，使學生可以通過微課更直觀學習;

（2）本書把過多內容放在設計建模上，針對學生在3D打印過程中出現問題的指導還有待進一步的完善，如支撐、位置擺放、打印速度、打印溫度等對打印結果的影響寫的太籠統，沒有案例支撐，需在后期收集案例并增加進去;

（3）在案例開發中還要注重加強校企合作，在與企業合作的過程中汲取最先進、最前沿的技術，并運用到教學中去， 不斷優化實操過程與步驟，提升教學效率，為學生全面掌握3D打印技術創造良好的條件。

5 ?小結

經過5年來的3D打印教學實踐與創造，我校研發的3D打印校本課程在應用中更符合學生實際專業特點，也取得了一定的成效，畢業的部分學生能根據所學的專業知識走向一些工業產品設計崗位，這也是我們開設3D打印課程培養學生的目標之一。之所以能取得這樣的成果，離不開學校對新專業前沿發展的重視，尤其是在課程的開設初期，組織專業教研團隊進行前期調研和情境分析、擬定課程開發目標、 編制課程開發方案。當然，這是個更新換代異常迅速的年代，我們的教材也要不斷的隨著時代的發展而改變，未來的開發還會面臨很大的挑戰性和競爭力。

參考文獻：

[1] 董建中，深圳應在我國智能制造的發展中有所作為[J].特區實踐與理論，2016（4）：51-55.

[2] 賓恩林. 改革開放40年來中職服務產業發展的路徑與未來轉向——基于政策變遷分析[J].職教論壇，2018（6）：78-85.

[3] 吳鎧波. 中職學校3D打印技術校本課程開發研究[J].教育現代化， 2019， 6（20）： 175-176.

[4] 龔小龍. 基于校本課程的中職學校課程過程性評價探究[D].上海：華東師范大學， 2010.