基于新職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的3D 打印與逆向工程實訓(xùn)教學(xué)探索*

王鳳梅

鄭州工程技術(shù)學(xué)院工程訓(xùn)練中心 鄭州 450000

0 引言

3D 打印又稱增材制造，是以三維模型數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過材料堆積的方式制造零件或?qū)嵨锏男屡d制造技術(shù)，將對傳統(tǒng)的工藝流程、生產(chǎn)線、工廠模式、產(chǎn)業(yè)鏈組合產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。逆向工程是對產(chǎn)品實物進(jìn)行測量、擬合、編輯和重構(gòu)等一系列分析方法和應(yīng)用技術(shù)，即從實物原型→數(shù)字化實物三維原型→三維原型建模→創(chuàng)新設(shè)計的三維模型→創(chuàng)新實物的過程[1-2]。3D 打印與逆向工程的結(jié)合在機(jī)械制造、生物醫(yī)療、航空航天、文物保護(hù)等領(lǐng)域得到越來越多的應(yīng)用。

隨著3D 打印與逆向工程技術(shù)在各行各業(yè)的廣泛應(yīng)用，社會對掌握先進(jìn)制造技術(shù)的需求日益增大，需要高校畢業(yè)生通過自身掌握的先進(jìn)技術(shù)手段為企業(yè)帶來更多的效益，創(chuàng)造更大的價值。人社部于2021 年底發(fā)布了《增材制造設(shè)備操作員國家職業(yè)技能標(biāo)準(zhǔn)》，規(guī)定了增材制造設(shè)備操作員這類新職業(yè)不同等級的基本要求、技能要求及權(quán)重[3]。為了能夠滿足社會需求，在工程訓(xùn)練中積極開展3D 打印與逆向工程項目，根據(jù)新職業(yè)國家標(biāo)準(zhǔn)和各專業(yè)人才培養(yǎng)計劃的要求，將工程訓(xùn)練3D 打印與逆向工程項目不斷優(yōu)化創(chuàng)新，建立3D 打印與逆向工程項目實訓(xùn)的新方法，以此滿足新工科人才培養(yǎng)的新需求[4]。

為適應(yīng)社會需求并滿足新職業(yè)國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，讓學(xué)生通過工程訓(xùn)練3D 打印與逆向工程課程更好地了解先進(jìn)制造所涉及的新技術(shù)、新工藝、新材料，鄭州工程技術(shù)學(xué)院工程訓(xùn)練中心開設(shè)3D 打印與逆向工程實訓(xùn)課程，主要面向機(jī)械類、土木類、化工類、電子類等專業(yè)。此課程教學(xué)的主要目的是通過理論講授和實踐操作相結(jié)合，能夠讓學(xué)生了解先進(jìn)制造技術(shù)的原理、工藝和方法，基本掌握3D 打印與逆向工程技術(shù)，提升綜合能力，從而滿足企業(yè)對大學(xué)生在工程技術(shù)知識領(lǐng)域的要求，充分發(fā)揮工程訓(xùn)練作為理論聯(lián)系實際的橋梁與紐帶作用，培養(yǎng)學(xué)生先進(jìn)的工程意識，全面提高學(xué)生的工程素養(yǎng)[5-7]。

1 教學(xué)軟硬件建設(shè)

1.1 教學(xué)大綱

根據(jù)《增材制造設(shè)備操作員國家職業(yè)技能標(biāo)準(zhǔn)》，結(jié)合鄭州工程技術(shù)學(xué)院專業(yè)人才培養(yǎng)方案及實際情況，將“課證融合”的新型教學(xué)模式融入教學(xué)中，確定不同專業(yè)工程訓(xùn)練3D 打印和逆向工程教學(xué)方案，再擬定教學(xué)大綱。因此，工程訓(xùn)練中心設(shè)置三層次階梯形教學(xué)大綱，即五級技能型—四級技能型—三級技能型[3]，具體大綱如表1 所示。

表1 教學(xué)大綱

1.2 教材

為配合工程訓(xùn)練中心加強(qiáng)先進(jìn)制造技術(shù)的工程訓(xùn)練教學(xué)內(nèi)容，并結(jié)合高等工科院校工程訓(xùn)練教學(xué)改革的實際需要，工程訓(xùn)練中心正在編寫符合鄭州工程技術(shù)學(xué)院特色的現(xiàn)代工程訓(xùn)練教程，有助于提高學(xué)生的工程實踐能力。編寫該教材的理念要求為精選內(nèi)容、注重實際訓(xùn)練、講求實用、最好圖文并茂、方便學(xué)生自學(xué)[8-10]。編寫過程中力求文字簡潔，注重知識的系統(tǒng)性和科學(xué)性。該教材的編寫對3D 打印和逆向工程教學(xué)具有非常重要的作用。

1.3 實訓(xùn)指導(dǎo)書

根據(jù)《增材制造設(shè)備操作員國家職業(yè)技能標(biāo)準(zhǔn)》職業(yè)守則“嚴(yán)謹(jǐn)規(guī)范、愛護(hù)設(shè)備、安全操作、團(tuán)隊協(xié)作”等要求，工程訓(xùn)練中心編寫并出版了工程訓(xùn)練指導(dǎo)書，可幫助學(xué)生在有限的時間內(nèi)系統(tǒng)有效地掌握關(guān)于3D 打印與逆向工程教學(xué)的安全操作規(guī)程和基本操作步驟，提高學(xué)生在操作過程中的準(zhǔn)確性和安全性，保障教學(xué)的順利開展。

1.4 硬件設(shè)施

工程訓(xùn)練中心為3D 打印與逆向工程實訓(xùn)課程配備了充足的訓(xùn)練場地和硬件設(shè)施，實驗室占地面積達(dá)300 m2，包括桌面級3D 打印機(jī)20 臺、工業(yè)級3D 打印機(jī)5 臺、三維掃描儀14 臺、計算機(jī)40 臺、三維軟件40 個節(jié)點(diǎn)等。以上設(shè)備全部投入3D 打印與逆向工程項目教學(xué)，能夠保證演示教學(xué)和學(xué)生實際操作的需要。

1.5 師資隊伍

為了保障3D打印與逆向工程課程的教學(xué)質(zhì)量，工程訓(xùn)練中心配備比較穩(wěn)定的、專業(yè)對口的、多層次的實訓(xùn)教師，以教學(xué)資歷深、經(jīng)驗豐富、“雙師型”的高級職稱的教師作為3D 打印實訓(xùn)方向的專業(yè)帶頭人，以接受新技術(shù)、新工藝能力較強(qiáng)的碩士研究生學(xué)歷人員和具有高級技師職業(yè)資格的技能型人才作為實訓(xùn)指導(dǎo)教師。實訓(xùn)教師必須具備3D 打印和逆向工程技術(shù)的理論知識和實操能力，保障實訓(xùn)的有序進(jìn)行。

2 教學(xué)過程實施

根據(jù)教學(xué)大綱的要求，秉承鄭州工程技術(shù)學(xué)院“修德、敏學(xué)、篤行、拓新”的思想，教學(xué)過程遵循學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，循序漸進(jìn)地對3D 打印與逆向工程項目進(jìn)行規(guī)范化設(shè)計，逐層深入地進(jìn)行實訓(xùn)教學(xué)。

2.1 五級技能型課程

五級技能型3D 打印課程教學(xué)以講授、演示教學(xué)法為切入點(diǎn)，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行3D 打印的簡單操作。首先，教師利用多媒體教學(xué)講解3D 打印技術(shù)的概念、發(fā)展歷史，介紹幾種典型的成型工藝：熔融沉積成型（FDM）、光固化成型（SLA）、數(shù)字光處理（DLP）、聚合物噴射成型（PolyJet）、選區(qū)激光熔化成型（SLM）、選區(qū)激光燒結(jié)成型（SLS）等。再舉例說明3D 打印的應(yīng)用領(lǐng)域。結(jié)合動畫、視頻和打印的實物直觀形象地進(jìn)行講解，學(xué)生更易于接受。

在學(xué)生了解關(guān)于3D 打印的基本知識后，帶領(lǐng)學(xué)生參觀相關(guān)實驗室，觀摩不同的3D 打印設(shè)備、制造過程及產(chǎn)品實物，促進(jìn)學(xué)生和教師互動，鼓勵學(xué)生多提問題并討論。

學(xué)生通過互聯(lián)網(wǎng)搜索簡單的STL 三維模型，在教師的指導(dǎo)下進(jìn)行切片處理及參數(shù)設(shè)置，導(dǎo)入打印機(jī)進(jìn)行打印操作，打印完成進(jìn)行后處理操作。

2.2 四級技能型課程

四級技能型3D 打印課程主要采用項目化教學(xué)模式，帶領(lǐng)學(xué)生學(xué)習(xí)基礎(chǔ)理論知識，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，通過完成一系列的項目來學(xué)習(xí)和掌握3D打印與逆向工程四級技能型人才所需的知識和技能。教師明確設(shè)計任務(wù)和要求后，學(xué)生積極發(fā)揮主動性和團(tuán)隊協(xié)作精神，要求學(xué)生主要掌握這幾個方面的技能：簡單零件（如曾比較火的冰墩墩產(chǎn)品）外觀各面的三維掃描、點(diǎn)云處理及后處理操作，提交經(jīng)過處理后的STL 格式文件；根據(jù)數(shù)字模型進(jìn)行切片軟件的優(yōu)化操作、3D 打印成型加工，并對制件進(jìn)行基本的后處理，提交打印產(chǎn)品。

2.3 三級技能型課程

三級技能型3D 打印課程的教學(xué)模式同樣采用項目化教學(xué)，在學(xué)生學(xué)習(xí)和了解3D 打印與逆向工程技術(shù)的基礎(chǔ)上，要求學(xué)生綜合運(yùn)用三維掃描和3D 打印技術(shù)，完成對選定產(chǎn)品（如手機(jī)共鳴音箱、后視鏡外殼、葉輪、鼠標(biāo)、鞋子、兔子玩具擺件等）的逆向加工[11-12]。要求學(xué)生掌握以下幾個方面的技能。

2.3.1 產(chǎn)品三維數(shù)據(jù)采集

學(xué)生使用三維掃描設(shè)備，高精度完成對選定產(chǎn)品外觀各面的三維掃描，并對獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行除雜、降噪、平滑、填補(bǔ)等操作，提交經(jīng)過處理后的STL 格式文件。

2.3.2 三維逆向建模

學(xué)生使用Geomagic 軟件對選定產(chǎn)品的掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模，要求整體外觀嚴(yán)格按照實際情況完成，大面拆分合理，公差范圍內(nèi)盡量光順，產(chǎn)品造型特征線保持美觀。

2.3.3 產(chǎn)品3D 打印與后處理

根據(jù)以上完成的三維數(shù)字模型，結(jié)合實驗室提供的3D 打印設(shè)備和配套的切片軟件、加工耗材等條件，進(jìn)行產(chǎn)品的3D 打印成型加工。向3D 打印設(shè)備輸入數(shù)據(jù)模型，按照設(shè)備操作指導(dǎo)書進(jìn)行打印，打印制作完成后，去除產(chǎn)品的支撐材料，對產(chǎn)品的表面進(jìn)行打磨、修補(bǔ)等處理，最后提交打印完成的產(chǎn)品。

2.4 工程勞動素養(yǎng)

學(xué)生在操作過程中要做到耗材工具正確使用、保證現(xiàn)場的安全及衛(wèi)生、團(tuán)隊協(xié)作的配合度高、完成任務(wù)的計劃性和條理性強(qiáng)、遇到問題時具備一定的應(yīng)對能力。

3 評分標(biāo)準(zhǔn)

考核與3D打印項目教學(xué)的過程化管理相結(jié)合，此項目的最終評分采用百分制，其中，技能操作占70 分，實訓(xùn)紀(jì)律占20 分，工程素養(yǎng)占10 分；如果有創(chuàng)新設(shè)計的加入，還會得到額外的獎勵分。評分分布如圖1 所示。其中，實訓(xùn)紀(jì)律：聽從教師指導(dǎo)，遵守紀(jì)律，得20 分；不聽從教師指導(dǎo)，遲到或早退2 次累計，扣20 分；嚴(yán)重違反實訓(xùn)紀(jì)律，導(dǎo)致安全事故，嚴(yán)肅處理。工程素養(yǎng)：耗材工具擺放整齊得5 分；設(shè)備干凈、場地整潔得5 分。同時，針對不同等級的技能型課程的學(xué)生，在技能操作分值的具體分配上稍有不同，具體評分標(biāo)準(zhǔn)如表2 所示。

圖1 評分分布

表2 評分標(biāo)準(zhǔn)

4 結(jié)束語

面向3D 打印與逆向工程在教育行業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵性問題，本文針對新職業(yè)國家技能標(biāo)準(zhǔn)改進(jìn)相對應(yīng)的實訓(xùn)教學(xué)課程，引入“課證融合”的教學(xué)觀念，符合應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)的特色。之后，繼續(xù)深入探討3D 打印與逆向工程實訓(xùn)課程的創(chuàng)新開發(fā)，不斷改進(jìn)教學(xué)內(nèi)容，提高實訓(xùn)質(zhì)量。