“三教”改革背景下Inventor建模教學融合3D打印技術的策略

王 韜

(江蘇省邳州中等專業學校,江蘇 邳州 221300)

隨著3D打印技術的不斷發展,熔融沉積成型(FDM)工藝已高度成熟,特別是以ABS和PLA為耗材的3D打印技術憑借易用性、穩定性和經濟性,在各個領域均取得了良好的實用效果。因此,在中職學校Inventor三維建模教學中,嘗試將3D打印技術與建模技能培養相融合,落實“三教”改革的具體要求,探索Inventor軟件三維建模融合3D打印技術的教學策略,實現以“虛”建“實”,以“實”驗“虛”的閉環教學過程,為學生高效完成Inventor三維建模提供支持,引導學生掌握Inventor三維建模與優化的方法,有效提升中職學校專業課教學質量。

一、中職學校專業課“三教”改革的實施路徑分析

(一)優化專業課教師的能力結構

1.成立專業課創新教學團隊

創新教學團隊的作用在于匯集高水平教學力量、創新專業課教學方法、實踐專業課教學改革、發揮帶動作用。在創新教學團隊的帶動下,引導全校專業課教師自覺適應數字化、智能化等新技術,有效推進專業課教學改革。專業課創新教學團隊每學期定期赴企業實踐,以優化專業課教師能力結構,并通過相關考核制度與細則,激發專業課教師的工作潛能,實現專業課教師角色的多樣化,實現專業課教學與教研的有機整合,打造適合“三教”改革的專業課教師團隊,真正把內容整合、教法創新融合到專業課教師的培養培訓過程中,力爭在“誰來教”上取得成效。

2.打造“雙師型”專業課教師隊伍

學校與企業之間的產教融合需要一支高素質的“雙師型”專業課教師隊伍,但建設“雙師型”專業課教師隊伍不能只憑教改方案,而是要靠“三教”改革政策推動、教改任務驅動、校企雙方共同來建設“雙師型”教師隊伍。落實“三教”改革后,江蘇省邳州中等專業學校的“雙師型”專業課教師人數快速增加,專業課教師的專業發展快速提升,多數專業課教師自愿去合作企業進行專業實踐,主動學習企業新技術,保障了學校專業課教學內容與企業同步,保障了產教融合項目的正常開展[1]。

3.厘清教師改革工作中的關鍵點

“三教”改革的主體與關鍵是教師,教師改革是“三教”改革、職業教育轉型升級的突破口和切入點,也是推進“三教”改革有效實施的樞紐。如果教師改革不能有效推進,教材改革、教法改革可能會流于形式、迫于壓力而被動進行改革。教師主動進行改革和被動參與改革,其內生動力、質量標準和實施目標是不同的,實施中制定以人為本的制度、機制,充分挖掘教師內心深處的正能量、閃光點,揚長避短,充分發揮每個教師的優勢、特長和興趣,給教師以充分選擇、發揮作用的空間。

(二)優化專業課的教學內容

學校進行教材改革解決了“教什么”的問題,出發點就是按照中職教育專業課的特征開發設計新型教材,優化專業課教學內容,把新思想、新理念、立德樹人、創新創業教育、新技術和新要求等體現在新型教材中,把握好教材改革的理論依據、編寫方法、內容選擇依據等。目前,職業教育專業課使用的教材多數存在不足,不適合學生的學習使用,需要進行系統性徹底改造,重新策劃編寫。

實施中,把握好教材改革的側重點與關鍵點非常重要。一是從學科體系框架內徹底跳出來,按照職業行動體系的思維方式、理念方法開展企業調研、系統規劃等工作;二是促進教師真正理解職業教育專業課教材改革與建設是一項系統工程,不是單獨對某一門專業課程的教材進行改革編寫;三是建立符合教改要求的、企業工程技術人員真正參與的教材改革編寫團隊,引入典型生產案例;四是學校制定教材開發編寫相關制度和質量保證體系,保障專業課教材改革工作有效實施,確保專業課教學內容的質量。

(三)優化專業課的教學模式

中職學校實施教法改革的目的是解決“如何教”的問題,其核心問題是如何根據訓練內容選擇適宜的行動導向教學方法,恰當選用任務驅動、小組合作、角色扮演等行動導向的教學方法實施教學,以確保取得最佳教學成效。教法改革以學生為中心、學習成果為導向組織教學活動,提高學生學習專業的興趣,逐步培養學生的自主學習能力,根據不同學生的興趣點、基礎能力等,設計多個具體學習方式供學生選擇,嚴格按照評價標準進行學習業績測評。

實施教法改革時,其側重點與關鍵點應注重四個方面:一是教師思想理念真正轉變,并主動積極參與相關改革、試驗工作;二是建設、改進實踐教學條件、環境和運行機制,開放實踐性設施和實訓室,給學生更多的時間、條件進行自主學習與創新研究;三是以學習成果為導向,對學生完成的各級學習成果的含金量、質量進行抽查和評價,以此作為評價專業課教師教學質量的主要依據;四是將學校督導工作重點轉移到指導、咨詢和服務教師進行教法改革與試驗工作上。

二、中職學校Inventor三維建模教學存在的不足

(一)三維建模教學目標不明晰

有些專業課教師在組織學生三維建模訓練時,未能結合企業的真實生產產品,也沒有結合企業的真實工作過程,培養目標僅限教會學生能使用Inventor三維建模軟件,教學理念落后,基于應用型人才培養的目標不夠明晰。教學中學生運用的建模模型多為教材中指定的,僅對模型本身進行程式化操作,操作步驟單一,往往忽視對學生建模源頭的思考和對生產驗證的能力培養。同時,培養學生的知識結構相對老化,不能滿足當前企業真實需求。而三維建模教學的能力結構應包含知識目標、能力目標及情感態度與價值觀目標,實現人文、職業素質并舉育人。但現有的課堂教學多數是理論教學與實踐相脫節,專業課教師“重理論、輕實踐操作”的問題突出,未緊隨機械行業發展迭代的步伐,不能動態調整教學目標。另外,教學過程中師生間互動不多,訓練中學生學習主動性受限,有時被動受教,對于所建模型的理由、如何建模型、所建模型的對與否、效率高與否、是否有實物驗證建模設計的合理性都較為模糊,最終導致課堂氛圍枯燥。

(二)三維建模教學手段單一

1.實物教具單一

教師往往采用少量的教學模型、掛圖來輔助教學,有的教師雖然在教學中采用了仿真視頻、爆炸圖、3D演示等信息化手段,但虛實結合不夠緊密,虛擬演示與真實案例教學教具不配套,不成體系,教學模型品種少、數量少,又因模型加工費用高,樣式變動快而實體教具更新較慢,導致學生不能通過虛擬演示深刻理解相關知識點。教學模型展示雖然可以幫助學生深刻理解所學知識,實現從“虛”到“實”的教學效果,但不能激發學生學習專業的興趣;對于掛圖式教學只能展示平面的圖像,學生無法在腦海中構建空間立體結構,進而影響建模思路,學生也很難將實物的三維結構與二維制圖聯系起來,致使對要建模結構理解不深刻。

2.授課方式單一

多數專業課教師采用以講為主的授課方式,完全控制訓練教學中的各個環節,致使課堂氛圍枯燥,抑制學生訓練的主動性。很多專業課教師在授課過程中未能恰當融入思政元素,不能有效激發學生學習專業的熱情,無法增強學生學習專業的動力。另外,教師在組織訓練時,只是把專業知識內容傳授給學生,很少對學生進行創新意識、創新能力和工匠精神的培養,致使學生雖然學習了專業知識,卻不能運用專業知識處理實際問題,學生不具備工匠精神、工匠能力和相應的專業技術能力。學生在使用Inventor三維建模時,只是模仿教材中的一些實例,這不利于學生空間思維、創新思維的形成,進而限制Inventor三維建模教學質量的提升。

(三)三維建模內容與行業對接不緊密

實際教學中所用案例、教材相對落后,與行業對接不緊密,并缺乏針對性。教學過程中,教師組織學生進行Inventor建模時,學生只是按照給定的操作步驟完成建模,注重的是某一工具或特征的功能實現,缺少對產品創新的理解與設計,不關注產品生產效率和實用性,整個教學過程重于模仿,與行業的實際產品聯系不多。學生學習后沒有掌握與產品設計和實際生產產品制造加工的相關內容,只關注一些建模功能的操作步驟,缺乏建模方案優化操作,忽略了建模參數優化。另外,有些建模的知識點過于陳舊,跟不上軟件發展迭代的步伐。

(四)3D建模實訓條件簡單

3D建模實訓室多數是在普通機房完成教學,并未搭建3D建模實訓室,建模完成后的三維工程文件“困”于電腦硬盤中,無法有效開展驗證建模實體的加工生產,更談不上依據實體反饋進行模型的二次修改。特別是較為復雜的3D建模模型,由于缺少五軸加工中心設備,更難于驗證3D建模的合理性,造成多數三維建模課程僅僅是完成教材中的實訓內容,不利于培養學生的專業技能素養。

三、中職Inventor建模教學融合3D打印技術的策略

隨著3D打印技術的不斷發展和推廣應用,目前越來越多的學校已普及3D打印設備,作為一門專業課程和社團興趣小組活動內容成為學生學習生活的一部分。因此,提出將3D打印技術引入三維建模教學,通過增材制造驗證建模效果,讓Inventor建模由“虛”轉“實”,豐富專業課程的訓練內容,提升學生學習專業技能的興趣,增強學生的團隊合作能力,營造良好的訓練氛圍。

(一)實施項目教學

借鑒其他專業課教學的成功經驗,針對Inventor建模教學實際,設計出融合3D打印技術的項目教學流程(如圖 1)。項目教學以任務形式來引導學生合作學習,訓練過程設定準備、實施、評價三個環節,幫助學生通過自主學習、合作探究等方式完成既定實訓項目。

1.準備環節

教師課前布置Inventor建模設計任務,明確學習目標,有效激發學生學習興趣。項目任務開始時,教師利用微課視頻為學生進行項目任務的講解,營造相對真實的任務環境,以項目任務為載體,向學生提出任務要求,引導學生自覺做好學習準備。

2.實施環節

任務活動中為學生提供實施平臺,營造討論交流的氛圍,激發學生的求知欲,樹立學生完成項目的信心。通過“思”“驗”“練”,運用講解示范、多媒體演示、問題引導等手段,突破Inventor建模的教學難點,通過“教、學、做”方式幫助學生掌握所學內容。學生小組內討論時,教師提供項目內容,通過圖紙和3D打印實體教具分發給學生,學生結合課前準備,運用所學知識分析項目相關技術要求,并提出建模思路,制定合理的方案及具體建模流程,鍛煉學生查閱資料的能力。當學生完成建模后,要求進行3D打印驗證,完成“思”“驗”“試”各環節,并觀察Inventor建模的合理性,再次引導學生重新設置相關參數,進一步優化建模方案[2]。

3.學習評價

完成實施環節后,學生對本項目有了一定的理解,為了讓學生進一步熟悉建模過程,組織學生進行學習評價,各組學生按照給定的學習評標內容,通過自評、互評的方式檢測學習效果,讓“思”“驗”“練”過程再次得到提升,讓“思”“驗”“試”過程得到反饋,引導學生掌握建模的總體框架及利用3D打印后如何優化方案,幫助學生發現訓練中的成績與不足,促進學生鞏固所學知識,達到學以致用的教學效果。

(二)3D打印實體模型輔助建模

在教學過程中,教師根據學情進行針對性演示訓練環節,課前將抽象的圖樣內容、空間復雜的結構用3D打印機制作教學模型,再結合虛擬仿真,通過“虛”“實”結合的方式來彌補學生對抽象、空間立體結構想象力的欠缺,進一步理順“三維—二維—三維”之間的思維轉換,讓學生更加容易理解建模產品的結構。借助3D打印的實物模型不僅使教學內容更加具體,而且有利于學生理解三維結構,同時3D打印的教具與虛擬仿真視頻也構成一套教學資源庫,方便學生的后續學習與教師的教研推廣。

(三)優化實訓教學環境

1.重視三維建模實訓室建設

校內實訓室增加與建模相關的設備,保障學生在三維建模后可以完成3D打印操作,驗證建模的合理性,進而轉化為由“虛”到“實”的教學過程。學校改建原有普通實訓機房,增加3D打印機數量,從而實現對實訓教學環境的優化,3D打印機可采用FDM成型技術的設備,選用PLA打印耗材,不僅讓設備經濟可靠,耗材環保、經濟,產品光潔度高,而且比數控機床、五軸加工中心的資金投入少,有效滿足Inventor建模實訓教學的需求。同時,通過校企合作搭建學生校外實訓基地,讓學生融入真實的工作場所,了解企業實際的項目和工作流程,通過崗位實戰訓練,以提升學生專業技能水平。

2.優化3D打印與三維建模驗證流程

在實施建模和3D打印融合實訓教學時,以案例和項目任務推進形式,驅動學生完成相關學習內容,根據課程培養目標要求組織學生進行實戰訓練,針對學生真實學情來合理設置操作任務,注重培養學生對學習任務的分析能力,加強學生由“虛”轉“實”的操作能力,借助3D打印實物給學生創設直觀的建模結果,降低學生理解Inventor建模知識的難度,訓練學生的工業產品設計能力。以曲面上創建文字為例,利用Inventor2018進行建模繪制時,為學生設計明確的建模、驗證流程:(1)軟件建模:學生繪制好三維零件圖,另存為可打印的格式,多數為STL、OBJ等常用格式。(2)FDM切片軟件分層處理:首先,對關鍵參數進行調整,例如熱床溫度、打印機擠出頭溫度、層厚、合理填充率(一般為20%—30%);其次,分析模型的特點,合理增減支撐數量,完成模型打印,驗證修改。(3)調試打印:調整耗材托架,設置耗材加載數值,完成打印等工序[3]。

四、中職Inventor建模教學融合3D打印技術的思考

中職學校專業課實施“三教”改革時,教師、教材和教法三者是密不可分的,它們相互關聯、相互促進、相互制約。Inventor建模編寫的新教材是課程內容和行動導向教學方法的載體,教法是應用新教材完成學生技能培養的路徑和方法,專業課教師通過教法和教材改革實現對學生專業能力的培養。實施“三教”改革時,要以人為本,以學生為中心,以學習成果為導向,才能實現提高專業課教學質量的教改目標。

中職學校專業課實施“三教”改革時,專業課教師應做好工作過程調研。專業課教師不僅要到企業開展深入細致的調研工作,還應在與課程、教材對應的、密切相關的工作崗位上,參加崗位工作實踐,按照企業規范要求與企業員工一起工作,親身體驗工作內涵。通過體驗和調研崗位要求,分析確定每一個項目任務需要具備的具體專業技能和職業素養,明確應該掌握的知識點,并運用到教改過程中。