基于數(shù)字雙生的3D情景建模的教學(xué)方法實(shí)踐——以“職業(yè)技能鑒定（鉗工）”課程為例

劉莉，史駿，張配，張麗媛，張宗芳

（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，陜西西安 710026）

1 課程簡介

“職業(yè)技能鑒定（鉗工）”是鐵道車輛技術(shù)專業(yè)的一門專業(yè)拓展課。課程主要對(duì)鐵路貨客車車輛機(jī)械檢修做理論知識(shí)講解與實(shí)踐操作培訓(xùn)，使學(xué)生掌握車輛鉗工（中級(jí)工）技能鑒定的理論和實(shí)操技能。學(xué)生在畢業(yè)前可考取車輛鉗工證，考取該中級(jí)工證書，對(duì)學(xué)生的就業(yè)、定崗以及就業(yè)后對(duì)崗位工作的理論認(rèn)知以及實(shí)際技術(shù)操作都有重要意義。

針對(duì)“職業(yè)技能鑒定（鉗工）”課程實(shí)踐性較強(qiáng)，并且鐵道車輛存在機(jī)械裝置體積大、重量大、難分解、難組裝等問題，創(chuàng)新性地提出了數(shù)字雙生的基于3D 情景建模的線下線上資源交互映射的教學(xué)方法，并成功應(yīng)用于課堂實(shí)踐。以鐵道車輛機(jī)械結(jié)構(gòu)組成和工作原理為學(xué)習(xí)主線，以基于3D 掃描、3D 打印技術(shù)的情景建模為核心亮點(diǎn)，利用3D 掃描打通了線下真實(shí)結(jié)構(gòu)到線上數(shù)字資源的通道，使用3D 打印技術(shù)制作實(shí)物縮比教具，實(shí)現(xiàn)線下實(shí)物與線上數(shù)字資源的有效映射。以大數(shù)據(jù)、云圖畫像的學(xué)情分析為課前支撐[1]，以“閉環(huán)設(shè)計(jì)螺旋上升”為教學(xué)設(shè)計(jì)，以愛國主義、團(tuán)結(jié)協(xié)作和工匠精神為思政要素，形成了崗位導(dǎo)向、任務(wù)驅(qū)動(dòng)和虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)體系，有效達(dá)成了培養(yǎng)新時(shí)代鐵道車輛技術(shù)復(fù)合型人才的教學(xué)目標(biāo)。

2 課程思路與目標(biāo)

2.1 傳統(tǒng)教學(xué)存在的弊端

本課程的傳統(tǒng)教學(xué)采用課堂教學(xué)+實(shí)踐教學(xué)的方式，存在一定的弊端[2]。

（1）課堂教學(xué)與真車實(shí)物脫節(jié)。課堂教學(xué)利用多媒體課件介紹設(shè)備結(jié)構(gòu)組成和工作原理，理論講解多采用掛圖或機(jī)械平面結(jié)構(gòu)圖，不利于學(xué)生對(duì)實(shí)際設(shè)備結(jié)構(gòu)的把握。在轉(zhuǎn)入實(shí)踐教學(xué)后，面對(duì)真實(shí)車體結(jié)構(gòu)，學(xué)生需要重新認(rèn)知，導(dǎo)致教學(xué)效果不佳。

（2）使用真實(shí)練功車教學(xué)，效果有限。真實(shí)練功車體積大，無法進(jìn)入課堂。而采用實(shí)地場景教學(xué)，受場地空間限制，有些學(xué)生無法看到教師的操作。為保證教學(xué)質(zhì)量，目前的實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)多采用分組分批次講解，教學(xué)效率低。

（3）課堂教學(xué)中的理論講解對(duì)實(shí)際操作幫助有限，以車輛鉗工技能鑒定考核車鉤的拆裝為例，在進(jìn)行拆裝車鉤前，學(xué)生對(duì)車鉤內(nèi)部鉤舌銷、鉤鎖鐵等部件有整體了解，但對(duì)具體的部件安裝位置和車鉤的連掛原理了解有限，導(dǎo)致對(duì)實(shí)際的拆解和安裝過程只能摸索進(jìn)行，且真實(shí)車鉤體積大重量大，在裝配錯(cuò)誤的情況下容易出現(xiàn)安全事故。

（4）傳統(tǒng)的課堂教學(xué)偏重理論，學(xué)生課堂參與的積極性不高。

（5）高職學(xué)生喜歡動(dòng)手操作，但是對(duì)于專業(yè)機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)認(rèn)知不足，容易導(dǎo)致操作失誤。

2.2 基于3D 情景建模的教學(xué)思路

（1）數(shù)字雙生的基于3D 情景建模的線下線上資源交互映射的教學(xué)方法能夠有效解決上述問題。將大體積的鐵道車輛真實(shí)結(jié)構(gòu)利用3D 掃描的方式變成數(shù)字模型，數(shù)字模型的建立豐富了本課程的線上數(shù)字化資源，實(shí)現(xiàn)線下資源到線上資源的轉(zhuǎn)化。3D 掃描后得到的數(shù)字模型能夠真實(shí)反映結(jié)構(gòu)外形，能有效幫助學(xué)生建立對(duì)結(jié)構(gòu)的直觀認(rèn)知。再通過3D 打印對(duì)數(shù)字模型具象化，制作縮比教具，使線上線下資源交互映射，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字雙生的教學(xué)模式。在進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)理論講解過程中，教師可結(jié)合3D 掃描形成的數(shù)字化資源進(jìn)行輔助教學(xué)[3]，學(xué)生通過多媒體課件就可以看到真車上的設(shè)備結(jié)構(gòu)外觀，360 °可旋轉(zhuǎn)的數(shù)字模型，方便學(xué)生全方位觀察，幫助學(xué)生快速建立對(duì)機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)的直觀認(rèn)識(shí)。再將3D 打印縮比模型帶入課堂，學(xué)生通過拆裝模型，強(qiáng)化原理認(rèn)知，提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，為后續(xù)實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)中的實(shí)體拆裝、檢修工作奠定基礎(chǔ)，對(duì)提升課堂效果起到一定的作用。

（2）基于大數(shù)據(jù)相關(guān)性分析，解決學(xué)生課堂參與度問題[4]。通過使用相關(guān)性分析工具，對(duì)往屆學(xué)生成績進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，找出與“職業(yè)技能鑒定（鉗工）”相關(guān)系數(shù)最高的先導(dǎo)課程“高鐵概論”，再根據(jù)“高鐵概論”的課程成績，預(yù)判本課程的潛在“尖子生”和“后進(jìn)生”，進(jìn)而優(yōu)化課堂分組結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)組內(nèi)幫扶進(jìn)步。應(yīng)用詞云生成工具對(duì)學(xué)生的特點(diǎn)“畫像”進(jìn)行刻畫，掌握學(xué)生共性特征，通過學(xué)情分析可知，學(xué)生的動(dòng)手操作和了解新鮮事物的欲望較強(qiáng)。因此教師積極引導(dǎo)動(dòng)手能力強(qiáng)的學(xué)生參與3D 情景建模，理論基礎(chǔ)扎實(shí)的學(xué)生參與數(shù)字模型的修復(fù)，學(xué)生通過參與情景建模過程，能夠接觸到3D 掃描、3D 打印、三維建模等信息化工具，了解前沿信息化技術(shù)手段，增強(qiáng)動(dòng)手操作能力，也可提前近距離接觸到真車結(jié)構(gòu)，提升學(xué)習(xí)興趣。

（3）細(xì)化課堂設(shè)計(jì)，構(gòu)建分節(jié)閉環(huán)、螺旋上升式總體實(shí)施框架，環(huán)環(huán)相扣助力學(xué)生能力提升。課程內(nèi)容實(shí)現(xiàn)從理論學(xué)習(xí)到實(shí)踐應(yīng)用的轉(zhuǎn)化，職業(yè)素養(yǎng)教育貫穿始終，實(shí)現(xiàn)知識(shí)提升、能力提升、素質(zhì)提升。課堂教學(xué)環(huán)節(jié)細(xì)化教學(xué)目標(biāo)，優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì)，采用螺旋上升式教學(xué)設(shè)計(jì)[5]。堅(jiān)持以學(xué)生為中心、教師為引導(dǎo)的設(shè)計(jì)原則，隨著課堂的推進(jìn)，知識(shí)難度上升、所需實(shí)踐能力上升、所要求職業(yè)素質(zhì)提升，打造有深度的課堂。每個(gè)課堂環(huán)節(jié)均閉環(huán)設(shè)計(jì)，學(xué)生在每個(gè)環(huán)節(jié)結(jié)束后以測驗(yàn)的方式進(jìn)行信息反饋，教師能夠準(zhǔn)確獲知學(xué)生對(duì)每個(gè)知識(shí)點(diǎn)的掌握程度和學(xué)習(xí)效果，便于對(duì)學(xué)生進(jìn)行個(gè)性化指導(dǎo)和后續(xù)教學(xué)精準(zhǔn)調(diào)整，打造有效度的課堂。在課程教學(xué)過程中，素質(zhì)培養(yǎng)貫穿整個(gè)任務(wù)過程，打造有溫度的課堂。

3 基于3D 情景建模的教學(xué)設(shè)計(jì)

選用《車輛鉗工》鐵路職工崗位培訓(xùn)教材，結(jié)合《車輛鉗工（實(shí)訓(xùn)）》活頁式教材，利用西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)工作室的3D 掃描和3D 打印的硬件設(shè)備，完成線下線上資源轉(zhuǎn)化。智慧職教云教學(xué)管理平臺(tái)全過程記錄學(xué)生的學(xué)習(xí)軌跡，基于云的跨端思維導(dǎo)圖平臺(tái)MindMaster 實(shí)現(xiàn)學(xué)生在線協(xié)作與學(xué)習(xí)。采用GCT（小組協(xié)作任務(wù)化）配合任務(wù)驅(qū)動(dòng)法、合作探究法、情景教學(xué)法、比較法等教學(xué)方法，基于工作過程對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行結(jié)構(gòu)化和學(xué)習(xí)化處理，營造實(shí)戰(zhàn)氛圍，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性[6]。

課堂的教學(xué)環(huán)節(jié)采用螺旋上升的設(shè)計(jì)理念，以貨車篇車鉤為例。整個(gè)教學(xué)過程采用“四引導(dǎo)”的教學(xué)策略，即崗位導(dǎo)向、案例導(dǎo)引、概念導(dǎo)學(xué)、實(shí)操導(dǎo)思。課前，教師引導(dǎo)學(xué)生使用3D 掃描設(shè)備對(duì)13 號(hào)車鉤進(jìn)行掃描，并對(duì)掃描后的數(shù)字模型進(jìn)行修補(bǔ)，修補(bǔ)后的模型導(dǎo)入三維建模工具制作車鉤結(jié)構(gòu)爆炸動(dòng)畫。同時(shí)，修復(fù)后的模型進(jìn)行尺寸縮比，利用3D 打印設(shè)備得到縮比教具，整個(gè)過程可以提升學(xué)生的動(dòng)手能力。課程前期，教師通過播放重載線車鉤斷裂的視頻引入車鉤，融入結(jié)構(gòu)可靠性對(duì)列車安全運(yùn)行的重要作用，引發(fā)學(xué)生的職業(yè)認(rèn)同感，實(shí)現(xiàn)案例導(dǎo)引。課程中期，給出車鉤的概念和作用，通過縮比教具展示兩個(gè)車鉤的連掛、摘解狀態(tài)，使學(xué)生在好奇心的驅(qū)使下自行探究車鉤實(shí)現(xiàn)不同狀態(tài)間切換的奧秘，實(shí)現(xiàn)概念導(dǎo)學(xué)。教師在多媒體課件中融入掃描后得到的車鉤零部件三維圖，播放車鉤結(jié)構(gòu)爆炸圖，使學(xué)生對(duì)車鉤內(nèi)部部件結(jié)構(gòu)和各部件之間的安裝位置關(guān)系建立直觀認(rèn)知。課程后期，教師引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合理論使用車鉤模型，探究鉤頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)和組裝過程，實(shí)現(xiàn)實(shí)操導(dǎo)思，為后期實(shí)訓(xùn)過程中的真實(shí)車鉤拆裝打下基礎(chǔ)。在課堂教學(xué)過程中，每個(gè)環(huán)節(jié)都通過測驗(yàn)的方式進(jìn)行信息反饋，教師能準(zhǔn)確掌握學(xué)生學(xué)習(xí)情況，方便后期進(jìn)行教學(xué)策略的調(diào)整。

課程采用線上線下混合式教學(xué)模式，堅(jiān)持過程性評(píng)價(jià)、總結(jié)性評(píng)價(jià)、發(fā)展性評(píng)價(jià)相結(jié)合，對(duì)學(xué)生課程學(xué)習(xí)、交流研討、成果匯報(bào)、實(shí)踐作業(yè)、成果總結(jié)等方面進(jìn)行綜合考評(píng)，構(gòu)建全過程全方位的教學(xué)評(píng)價(jià)體系[7]。

4 基于3D 情景建模的教學(xué)方法的特色與創(chuàng)新

4.1 3D 情景建模推動(dòng)線下線上資源交互映射，實(shí)現(xiàn)數(shù)字雙生

基于3D 掃描技術(shù)將大體積的真車機(jī)械結(jié)構(gòu)變成數(shù)字模型，再通過3D 打印技術(shù)將掃描得到的數(shù)字模型具象成教具，線上線下資源交互映射，實(shí)現(xiàn)數(shù)字雙生。在課堂教學(xué)中利用3D 掃描的數(shù)字模型可以強(qiáng)化學(xué)生對(duì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)知，將縮比模型帶入課堂，學(xué)生通過拆裝教具，提升動(dòng)手能力，提高學(xué)習(xí)興趣，為后續(xù)真實(shí)設(shè)備拆裝與檢修工作奠定基礎(chǔ)，極大降低了檢修實(shí)訓(xùn)過程中安全事故的發(fā)生，對(duì)提升課堂效果起到一定的作用。學(xué)生通過參與3D 情景建模，接觸3D 掃描和3D打印等信息化工具，掌握前沿新技術(shù)，通過全過程參與掃描和打印環(huán)節(jié)激發(fā)對(duì)專業(yè)知識(shí)的好奇心。在整個(gè)教學(xué)過程中，學(xué)生加深了對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)的認(rèn)知，增強(qiáng)了動(dòng)手操作能力，提升了學(xué)習(xí)興趣。

4.2 大數(shù)據(jù)與云圖畫像支撐課前學(xué)情分析，提供決策支撐

采用大數(shù)據(jù)的云圖分析把學(xué)生特征“畫像”，采用大數(shù)據(jù)挖掘的相關(guān)性算法查找對(duì)本課程存在顯著影響力的先導(dǎo)課程，為教學(xué)手段和教學(xué)內(nèi)容的選擇調(diào)整提供高置信度的決策支撐。

4.3 “閉環(huán)”與“螺旋”細(xì)化課堂教學(xué)設(shè)計(jì)，助推高效優(yōu)質(zhì)

課程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中每個(gè)知識(shí)點(diǎn)采用閉環(huán)設(shè)計(jì)，以培養(yǎng)應(yīng)用能力為導(dǎo)向，實(shí)現(xiàn)從理論學(xué)習(xí)到實(shí)踐應(yīng)用的轉(zhuǎn)化，同時(shí)職業(yè)素養(yǎng)教育貫穿始終，隨著課程推進(jìn)，逐步實(shí)現(xiàn)知識(shí)提升、能力提升和素質(zhì)提升。課堂環(huán)節(jié)采用閉環(huán)設(shè)計(jì)，學(xué)生在每個(gè)環(huán)節(jié)結(jié)束后以測驗(yàn)的方式進(jìn)行信息反饋，教師能夠準(zhǔn)確獲知學(xué)生對(duì)每個(gè)知識(shí)點(diǎn)的掌握程度和學(xué)習(xí)效果，便于對(duì)學(xué)生進(jìn)行個(gè)性化指導(dǎo)和后續(xù)教學(xué)精準(zhǔn)調(diào)整，打造高效課堂。

5 基于3D 情景建模的教學(xué)方法的教學(xué)效果評(píng)價(jià)

學(xué)生在課堂上觀看可靈活旋轉(zhuǎn)的數(shù)字模型和由三維模型制作的仿真動(dòng)畫，可以直觀學(xué)習(xí)到機(jī)械內(nèi)部結(jié)構(gòu)和各零部件之間的相對(duì)位置關(guān)系，學(xué)生利用縮比模型模擬真實(shí)結(jié)構(gòu)的拆裝過程，將理論知識(shí)與拆裝實(shí)踐相結(jié)合，在課程的實(shí)踐訓(xùn)練環(huán)節(jié)學(xué)生能夠更容易上手。整體教學(xué)目標(biāo)達(dá)成度較高，知識(shí)、能力和素養(yǎng)目標(biāo)都基本達(dá)成，與教學(xué)預(yù)期相符合，職業(yè)技能考核通過率也顯著提高。

在教師授課過程中，通過對(duì)學(xué)生整體和個(gè)體信息的采集，形成一個(gè)過程性評(píng)價(jià)，使學(xué)生課堂表現(xiàn)可評(píng)可測[8]。學(xué)生在每個(gè)環(huán)節(jié)結(jié)束后以測驗(yàn)的方式進(jìn)行反饋，教師能夠準(zhǔn)確獲知學(xué)生對(duì)每個(gè)知識(shí)點(diǎn)的掌握程度和學(xué)習(xí)效果，便于進(jìn)行個(gè)性化指導(dǎo)和后續(xù)教學(xué)精準(zhǔn)調(diào)整，打造高效課堂。