基于工作過程的課程項目化教學改革*
——以“3D打印及逆向設計”課程為例

任朝媛 ， 宋理敏

（山西機電職業(yè)技術學院，山西 長治 046000）

在《中國制造2025》發(fā)展戰(zhàn)略的指導下，智能制造技術得以迅猛發(fā)展，其中3D打印、逆向設計技術作為重要的一部分也被越來越廣泛地應用到各個領域中，因此在教學中的占比逐年增加[1]?！?D打印及逆向設計”是機械設計與制造專業(yè)的專業(yè)課程。此課程主要內(nèi)容為各種主流的3D打印技術工藝如FDM、SLA、LOM、SLS等及逆向掃描原理。在教學內(nèi)容上存在偏重理論的問題，學生對理論教學興趣不大且自學能力較差，教學過程以教師演示、學生機械模仿為主，對于學生知識掌握、創(chuàng)新能力提高作用不大。

針對在教學中存在的各種問題，并匹配市場對于技能型人才的需求，對“3D打印及逆向設計”課程進行改革，采用項目化教學。

1 課程定位

本課程培養(yǎng)的技能面向3D打印服務行業(yè)、產(chǎn)品制造企業(yè)，適用于三維建模工程師、3D打印培訓講師、3D打印機維護、產(chǎn)品逆向設計工程師等相關工種和崗位群工作要求，可以勝任三維建模、三維掃描儀操作與維護、3D打印機操作及維護、3D打印、產(chǎn)品逆向設計等工作，具備比較廣泛的適應性和較大的創(chuàng)新發(fā)展空間[2]。

本次項目化教學改革主要是針對產(chǎn)品逆向設計工程師崗位設定的，共計56學時，授課對象為機械設計與制造專業(yè)大二學生。在前期通過“機械制圖”“零件三維造型設計”等課程的學習，學生對于工業(yè)產(chǎn)品設計已經(jīng)有了一個初步的認識，對于本課程逆向設計的學習有很大的幫助。

2 教學目標

“3D打印及逆向設計”基于產(chǎn)品逆向設計工程師的工作過程設計項目的任務導向，通過對不同類型典型零件的設計及制作，提高學生對3D打印機、激光掃描儀等設備的操作水平，以及Geomagic Wrap、Geomagic Design X等軟件的使用能力，同時使學生掌握各類3D打印技術的原理及后處理方法，熟悉逆向工程技術的實現(xiàn)流程。在培養(yǎng)學生職業(yè)技能的同時，通過團隊合作、職業(yè)角色扮演等形式來培養(yǎng)學生協(xié)同作業(yè)、愛崗敬業(yè)、溝通交流和精益求精的綜合素質(zhì)和實踐創(chuàng)新能力。

3 教學內(nèi)容

3.1 教學設計理念

本課程的設計理念是基于工作崗位的工作過程，如圖1所示，通過對工作內(nèi)容和職業(yè)能力進行分析，讓學生清楚地認識到各項工作的重要程度、難易程度以及相互關聯(lián)程度。在教學中，理論與實踐并重，項目平行設計，每個項目包含階段性工作流程，并分別側(cè)重工作流程的不同任務節(jié)點，這樣可以使學生熟練掌握逆向設計的整個工作流程，并在每個項目中針對性提高職業(yè)技能[3-5]。

圖1 產(chǎn)品逆向設計的工作過程

根據(jù)“3D打印及逆向設計”課程教學內(nèi)容及特點，將整個教學內(nèi)容分為5個項目，如表1所示。

表1 項目內(nèi)容表

3.2 “三堂一體”的教學模式

本課程貫徹“三全育人”理念，在教學中實現(xiàn)以學生為中心，堅持在“做中學，學中做”，構建了現(xiàn)實教學課堂、虛擬線上課堂和隱形素質(zhì)課堂相結(jié)合的“三堂一體”教學模式?，F(xiàn)實課堂在三維數(shù)字化設計實訓室進行，根據(jù)工作崗位真實工作過程，將學生劃分為3到5人一個小組，按照“方案—實施—評價—反饋”的流程進行教學實施；在線上虛擬課堂中，主要利用超星學習通教學空間，以及騰訊會議、投屏、微信群等信息化平臺的輔助，實現(xiàn)課前預習了解、課上記錄互動、課后強基答疑、課外拓展延伸的全流程教學；隱形素質(zhì)課堂通過團隊協(xié)同完成任務中的職業(yè)體驗、學生項目完成的質(zhì)量及過程表現(xiàn)評估、課堂勞動教育、實驗室7S管理等過程，實現(xiàn)無形素質(zhì)浸潤。如圖2所示。

圖2 “三堂一體”教學模式

4 教學實施

以自行車燈的逆向設計與3D打印項目為例，講解項目化實施過程。

4.1 項目導入

此項目案例來自日常生活中常見的自行車前燈，實物原型如圖3所示。此案例學生非常熟悉，且具有很大的實用性，能夠激發(fā)學生的興趣。在此項目中僅提供自行車前燈模型，不提供車燈固定安裝部位，由學生根據(jù)實際情況自行設計，要求實現(xiàn)將車燈固定安裝在車把上的目的。在此案例中，學生通過前面項目學習所掌握到的技能，團隊自行對實物特征進行分析，制定逆向設計的整個方案，根據(jù)各項特征考慮三維掃描及設計過程中應該注意到的各種事項，同時，結(jié)合教師為學生提供的信息頁、任務頁，要求學生利用課本、網(wǎng)絡等途徑完成超星學習通的習題作答以及信息頁上的相關問題。由于在前面項目中，對于整個工作過程包含的職業(yè)技能都已經(jīng)涉及，在本項目中側(cè)重工作過程的整體把握及創(chuàng)新設計，旨在讓學生體驗完整的產(chǎn)品逆向設計工程師的全部工作內(nèi)容，增強學生對于職業(yè)的認識，培育學生的職業(yè)道德和素養(yǎng)。其中信息頁是教師對本項目實施所用到的實訓設備的原理和參數(shù)以及教學案例進行的簡單介紹，輔助學生課前預習，儲備理論知識；任務頁介紹本項目的任務目標，并考慮學生在做任務過程中可能會出現(xiàn)的情況，預設問題，由學生作答及提問，深入對重難點知識的學習。

圖3 自行車前燈實物

4.2 項目實施

本項目實施開始，先對組內(nèi)成員進行角色分配，分別就三維掃描、逆向設計、創(chuàng)新設計、3D打印各安排一個負責人，統(tǒng)籌階段性任務。項目實施由三維掃描儀掃描自行車前燈獲取其表面點云數(shù)據(jù)開始，再通過Geomagic Wrap軟件對點云數(shù)據(jù)進行噪聲點去除、對齊、封裝（三角形面片）等，然后使用Geomagic Design X軟件根據(jù)面片模型進行實體逆向重構，然后根據(jù)自行車把和車燈實際情況設計固定安裝部位，然后利用Magics軟件為其添加支撐，最終利用FDM熔融沉積3D打印機打印出來，并進行相應的后處理。項目完成之后通過自行車燈能否成功固定安裝評價項目完成質(zhì)量。

4.3 項目評價

依托超星學習通平臺，關注教學過程中的教與學全過程信息采集，并根據(jù)反映出的問題及時調(diào)整教學策略，實現(xiàn)以學定教。按照“過程考核與結(jié)果考核相結(jié)合、線上考核與線下考核相結(jié)合、項目考核與職業(yè)技能等級證書考核相結(jié)合”的“三結(jié)合”原則，學生以小組為單位，分別就項目完成過程的表現(xiàn)及完成情況作出客觀評價，其中包括小組內(nèi)部的自評（10%）、他評（10%）和小組之間的互評（10%），并由任課教師對學生的實施過程及逆向產(chǎn)品進行評分（20%），以及根據(jù)信息化平臺記錄的過程表現(xiàn)和項目完成情況評出項目分（50%）。

在整個項目實施過程中重點突出學生的主體地位，強調(diào)以學生為中心，注重動手實踐。可實施性強的項目和信息化手段極大地提高了學生學習的積極性和主動性，教學效果得到了明顯提升，學生對于知識和技能的掌握程度也有所提高[6-8]。通過角色扮演的職業(yè)體驗，學生對于職業(yè)工作內(nèi)容和技能需求有了更深的了解，可以為學生以后的擇業(yè)方向提供幫助，并且針對性提升職業(yè)技能。通過課程的學習，學生可以報名參加相關職業(yè)技能等級證書考核，參加增材制造職業(yè)技能大賽，實現(xiàn)“崗課賽證”融通。

5 結(jié)語

在智能制造的大趨勢下，先進制造業(yè)成為中國經(jīng)濟發(fā)展的重要推力。3D打印及逆向設計作為重要的數(shù)字化制造方式，其技能的培養(yǎng)和教學變得尤為重要，應用項目化實踐教學，能夠使學生提前適應現(xiàn)代化設計與制造業(yè)的環(huán)境，提高實踐動手能力[1,4]。此次項目化教學改革，以崗位工作過程為基礎，以社會需求為導向，順應了高等職業(yè)院校培養(yǎng)應用型技能人才的需求，同時也調(diào)動了學生的積極性，增加學生的課堂參與度，有效提升創(chuàng)新意識[9-10]。