機械三維建模及3D打印課程教學模式研究

卜祥安

（1.德州機電工程學校，山東 德州 251200；2.德州科技職業(yè)學院，山東 德州 251200）

0 引言

當前，三維建模和3D打印在機械行業(yè)中越來越受到重視，相關軟件的教學也成為機械大類專業(yè)的核心課程。因此，探討機械類三維建模軟件的教學，以及如何把課程教學和企業(yè)實踐密切結(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打印技術課程的教學為例，探討三維建模類軟件的課程開發(fā)和教學模式[1]。

1 機械三維建模課程在教學過程中發(fā)現(xiàn)的問題

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

（2）原有教學手段單一。原有的教學模式進行課程教學時，只對課本內(nèi)容及相關的命令及菜單進行講解和操作，沒有實際案例應用于教學，課程學習結(jié)束，學生并沒有學到企業(yè)所有的專業(yè)技能，學生學習積極性差，效果很不理想。

（3）教學內(nèi)容無法和職業(yè)崗位進行有效對接。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：學生在學校所學的知識無法用到工作崗位，達不到學以致用，企業(yè)對學生的專業(yè)技能不滿意，企業(yè)普遍反映學生的學習能力差，專業(yè)技能環(huán)節(jié)薄弱。

2 課程的內(nèi)容選取和組織

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

2.1 內(nèi)容選取：基于職業(yè)崗位群及典型任務分析

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，將機械設計與制造、數(shù)據(jù)技術專業(yè)等專業(yè)的職業(yè)能力分解為繪圖設計能力、工藝編程能力、加工操作能力等三個核心職業(yè)能力，并按照從簡單到復雜、從低級到高級的能力進階規(guī)律，形成了由專業(yè)基礎能力模塊、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)成的課程設置路線。在此基礎上，結(jié)合當?shù)貐^(qū)域和產(chǎn)業(yè)特色，以及機械制造類企業(yè)對該專業(yè)人才的需求，對課程知識點進行了有機的細化，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，分別以知識點和技能點兩條主線。

（1）知識點：從軟件內(nèi)容角度進行取舍，主要以建立常見機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打印新技術方面的知識點為主，并適當進行有效的拓展。

（2）技能點：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地融合在一起，避免了只講軟件指令的弊端，使學生能夠在項目化學習的過程中，既掌握了軟件的應用技能，又掌握了典型零件的設計方法。

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進行建模，然后用3D打印機對所建立模型打印輸出，最后將打印的實物與建模實物進行對比，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，與計算機基礎、機械制圖、AUTO CAD、機械設計基礎、普通機床與數(shù)控機床結(jié)構(gòu)、數(shù)控編程與加工等前期所學的課程有著密切的關聯(lián)，同時，也對后期的畢業(yè)設計起著一定的促進和支撐作用。

（1）以《機械制圖》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，主要來源于學生在大一學習機械制圖、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《機械設計基礎》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，這些零件的分類依據(jù)也正是以《機械設計基礎》中課程內(nèi)容安排互相對應。

（3）和數(shù)控編程與加工相互照應。學生在學習本課程前，還安排了數(shù)控編程與加工的課程學習，與本課程的數(shù)控加工模塊相互補充，拓展了學生的學習知識面。

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

課程內(nèi)容在教學內(nèi)容的組織與安排方面，完全遵循了“由淺入深、循序漸進”“適度夠用”的原則。課程每一個項目，都配有文本教材、任務驅(qū)動、演示視頻、課件PPT、建模參考步驟、相關配套訓練素材，主要的訓練素材同時給出參考步驟、參考模型，對于較復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、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打印技術的新技術和新工藝。同時，以選修內(nèi)容的形式，對軟件的并行設計、逆向工程、行為建模理念也有適當?shù)耐卣埂?/p>

（6）內(nèi)容由淺入深，體現(xiàn)課程的層次性。所在學習項目，都經(jīng)過精心選擇，在內(nèi)容安排上，學習任務由淺入深。以學習項目2軸類零件的設計與建模為例，在介紹了基礎知識后，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，依次再進行一般階梯軸、車床花鍵軸的建設，最好是比較復雜的車床主軸建模。這樣，使學生在學習在循序漸進的過程中，掌握軸類零件的建模特點和思路。

3 教學模式

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

3.1 采取任務驅(qū)動、六步教學法進行教學

針對課程內(nèi)容安排，在教學模式上進行進一步的整改和優(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，將基本設計理論和新的設計理念、設計方法相融合，一方面，結(jié)合典型的機械類零部件（如軸類零件、盤蓋類零件、箱體類零件、叉架類零件等），以實際工程案例任務作為任務驅(qū)動，避免原來的只講不練，或者是理論和實踐相脫節(jié)的方式。不斷引入了案例教學，一般提前給學生下發(fā)任務單，使學生在咨詢、實施、評價等各個環(huán)節(jié)中都能積極參與，培養(yǎng)學生的分析能力，啟發(fā)學生思考。

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

3.2 情境化模式，突出工程實踐能力的培養(yǎng)

本課程是一門實踐性很強的課程，為此，我們精心設計了培養(yǎng)和提高學生基本知識、專項技能以及課程綜合應用技術三大策略，形成了一套較為完整的教學體系和教學方法。能力訓練的內(nèi)容和過程都是嚴格遵循了循序漸進的原則進行安排。三個層次的訓練有序進行，學生不但可以進行一般機械類零部件的設計、裝配、分析及制造，大大提高工程實踐能力。同時，因為學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際車床實物為參照，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聯(lián)，達到融會貫通、綜合應用的目的。實現(xiàn)了產(chǎn)品的測繪、建模、加工、裝配、技術革新等多個環(huán)節(jié)的統(tǒng)一，使課程在更大程度上接近企業(yè)實際工作情境。

3.3 強化課堂之外的學習環(huán)境、資源和平臺建設

除了課堂教學方式外，學院建立了網(wǎng)絡教學平臺，所有的學習資源都能在網(wǎng)絡平臺上查看和下載。同時，還針對每一個教學班級，建立微信群、QQ群，實現(xiàn)師生在課堂之外的即時交流和互動。實現(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)絡平臺實現(xiàn)，也能保證學生在時時處處都能學習到課堂內(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生考取技能證書相結(jié)合。學院除了與當?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技術推廣服務與教育培訓聯(lián)盟等多家單位有密切的聯(lián)系，推行證書與學分互認，學生在課程結(jié)業(yè)后，可以根據(jù)個人實際情況，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的其他課程保持了一脈相承的關系。

（2）資源內(nèi)容的顆?；?。在提供的課程內(nèi)容上，我們摒棄了過去那種整堂課的學習模式，把知識點和技能點以顆?；男问教峁┙o學生。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，使學生在學習時用較短的時間，也能學習和掌握一個完整的知識點。

（3）學習手段的現(xiàn)代化創(chuàng)新。除了正常的課堂學習方式外，課程還準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、手機、平板電腦等工具，讓學生課堂之外也能實現(xiàn)學習和師生即時的交流和互動。

（4）教材編寫方式創(chuàng)新。在教材上學習內(nèi)容上，都設計二維碼，學習者只需要用手機掃描教材上的二維碼，就可以看到相關的視頻、PPT、電子教材等學習資源。

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

5 結(jié)束語

近幾年，在課程教學過程中，通過多方調(diào)研和教學實踐，積累了一些成功的經(jīng)驗，課程組對課程內(nèi)容進行重新組織和選取，拓展了與企業(yè)相關的課程內(nèi)容，及時添加新技術、新工藝，在課程層次性上進行一定的改革。大教學模式上進行了創(chuàng)新，采取任務驅(qū)動、六步教學法進行教學，采用情境模式，突出工程實踐能力的培養(yǎng)，強化課外學習環(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；實現(xiàn)了課程體系系統(tǒng)化、教學資源顆?；蛯W習手段的現(xiàn)代化。課程的改革與創(chuàng)新贏得了學生和學校的一致認可。