工作過程導向的快速原型制作課程研究與實踐

閻漢生 周渝明

摘 要：從國家戰略的高度闡明了快速原型制作技術對制造業創新升級的重要性。分析了工作過程導向的課程開發模式和快速原型課程的建設歷史，將該模式引入高職機械類專業的快速原型課程改革。在對企業行業進行調研的基礎上，分析產品快速原型的制作流程，包括快速原型制作、原型后處理和快速模具制造三個主要環節，提煉了相應崗位所需的職業能力，開發配套的教學情境資源。以廣東工貿職業技術學院工業設計專業為試點，以省級實訓基地為依托，在兩年的時間內進行了完整的課程教學實踐，取得了良好的效果，證明了該課程模式開發的有效性，同時對相關課程改革建設提供了有益參考。

關鍵詞：快速成型；工作過程；課程研究

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2017）24-0015-04

Abstract： From the height of national strategy， the importance of rapid prototyping technology to the innovation and upgrading of manufacturing industry is clarified. This paper analyzes the curriculum development mode based on the working process and the construction history in rapid prototyping， and applies the mode to rapid prototyping curriculum reform of mechanical major in higher vocational colleges. Based on the investigation of the industry， the paper analyzes the production process of rapid prototyping of products， including rapid prototyping， prototype post processing and rapid tooling， refines the professional ability required for corresponding positions， and develops the supporting situational teaching resources. Taking the major of industrial design of Guangdong College of Industry and Commerce as the experiments and relying on the provincial training base， the complete teaching practice has been carried on in two years with good effect. It has proved that this curriculum pattern development is effective and has provided a useful reference for the reform of related courses.

Keywords： rapid prototyping； working process； curriculum research

快速原型制作是一種傳統機械切削加工不同的典型的“增材”制造技術，利用離散材料進行分層疊加，堆積形成完整零件模型[1]。其優點是通過減少設計、加工、檢查的工具，可以設計更復雜的零件，針對市場需求快速改變產品。快速原型可以作為概念方案評審和結構設計驗證的載體[2]。

黨和國家領導人多次提出，要大力加強以3D打印為代表的快速制造產業，提高我國制造業水平，打造新的經濟增長點。習近平總書記指出，3D打印技術的研發和應用很重要，要抓緊產業化[3]。李克強總理強調3D打印是制造業有代表性的顛覆性技術，具有重大價值。3D制造產業方興未艾，需要大量專門技術人才，這是廣大高職院校的機遇和挑戰。

從區域經濟發展來看，廣東省不斷加大力度推進珠三角的產業結構升級轉型。提高產品的科技含量和創新水平是企業發展的核心動力。必須縮短從提出設計創意到制作產品原型的流程時間，并能為細分市場人群提供個性化、可定制的小批量產品。《珠江西岸先進裝備制造產業帶布局和項目規劃（2015-2020年）》中明確指出佛山市重點發展3d打印等智能裝備[4]。因此廣東制造業轉型升級需要大批具備較強實踐能力和應用能力的快速原型制作專門人才。

本文研究將分析快速原型制造企業的生產流程，探討如何將其融入到課堂教學環節中，并進行課程的開發和實踐，檢驗相關成果。

一、關于工作過程導向課程開發模式的研究

2004年教育部等部委聯合頒發了《職業院校技能型緊缺人才培養培訓指導方案》，提出遵循企業實際工作任務開發“工作過程系統化”的課程模式。工作過程導向的第三波高職課程改革已持續十余年，各級部門、各類高校在這種模式的課改的理論和實踐上都取得了豐碩的成果，推進了課程教學改革，提高了高職人才培養質量。

南京大學的崔軍在其博士論文《回歸工程實踐：我國高等工程教育改革研究》中，談到了我國大學工程教育從課程設計和實施兩個層面看，主要問題有：課程目標脫離工業需求、課程結構分離工程能力、課程內容偏離工程實踐、學生學習游離中心地位[5]。提出了“工程專業能力”框架和“模塊化的課程結構”，強調了課程體系中的回歸工程理念。教育部職業技術教育中心研究所的姜大源、北京師范大學的趙志群、深圳職業技術學院的鐘健、寧波職業技術學院的何明友、湖南鐵道職業技術學院的彭濤等教育專家，也都對工作過程導向的課程體系開發的意義、模式和關鍵問題作過探討。

常州機電職業技術學院的吳榮等在《基于工作過程的高職工業設計專業課程體系構建研究》一文中，以產品設計過程作為研究對象，提煉典型工作任務，設置了專業課程體系。重慶電子工程職業學院的陳鴻在《基于工作過程導向的高職課程開發與實踐》一文中，將基于工作過程導向的課程開發的基本思路歸納為：分析職業→典型工作任務→制定行動領域→設計學習情境→確定職業能力標準[6]，并以《電路基礎技能與原理》課程為例，演示了其學習情境的建立過程。總體來說，工作過程導向的課程開發模式，已被越來越多的國內外高校認可并實施，效果良好，本課程選擇這種開發模式是合理可行的。

二、關于快速原型制作課程建設歷史的研究

由于快速成型技術是20世紀90年代才逐漸發展起來的新型制造技術，其相關的設備、材料昂貴，而我國高職教育也在近10年進入快速發展階段，幾乎每個高職院校都面臨著校舍、師資方面的緊缺與招生規模迅速擴大的矛盾，很難有充足師資和經費投入快速成型技術這門“非傳統”的新型機械制造類課程建設。國內專門開設這門課程的高校屈指可數，大多數高校采取的方式是在其他課程中穿插單個章節，講授快速成型的理論知識，例如放在逆向工程、現代制造技術、珠寶設計、數控技術等課程中。但還是有不少學者對快速成型技術課程做了理論分析和建設預測，積累了不少有益的經驗。

常州輕工職業技術學院的徐小玉分析了高職教育開設快速成型課程的必要性，并從課程體系、師資隊伍、實踐體系等方面論證了該院計算機輔助設計與制造專業開設快速成型技術課程的可行性和迫切性[7]。

齊魯工業大學的畢延剛在《3D打印對高等院校工業設計專業教學的影響》一文中，從促進學生獲取多學科知識，加強多領域融合，拓展想象空間，提升設計能力，增強設計嚴謹性，增加就業機會，推動高校產學研教學發展，提高企業自主研發能力等方便論述了快速成型技術對工業設計專業教學的作用。

此外，廈門大學的付澤民、臺州學院的張英杰、浙江理工大學的曹超嬋、廣州市工貿技師學院的楊三艷等分別探討了在快速成型技術在逆向工程、高分子材料加工、首飾工藝設計、機械學等課程中的應用[8-10]。這些積累為后續研究提供了充分的經驗資料。

三、課程改革需解決的主要問題

目前國內快速成型技術還在起步階段，大多數企業尚未普及。關于快速成型技術的研究主要集中在清華、北航、西交大、華科等著名高校，主要以研發、銷售設備為主。在課程教學方面，走在前面的是國家骨干院校天津輕工職業技術學院，已經開設數控技術專業（快速成型方向）。大部分高校有關快速原型制作課程的形式主要仍以理論教學為主，著重講解各種快速成型的原理，以理論教學為主，動手操作的實訓較少。多數需要制作產品模型的院校仍以手工模型制作為主，如石膏、塑料模型，較少引入先進的快速成型技術[11]。究其原因，一方面是教師對新知識、新技術掌握得不夠，相配套的設備、材料價格昂貴，較為缺乏，另一方面是在快速原型制作課程方面，高職院校還缺少系統性的研究、缺少實踐性強的指導教材、缺少完整的教學環節設計和評價指標體系。

構建工作過程導向的快速原型制作課程主要解決的主要問題包括：結合原型制作相關行業標準，在課程的內容和形式兩方面進行探索，完成課程標準、教學組織、實訓指導、考核評價、教學資源、網絡課程等環節的制定，開發相應的課程資源，進行兩個學期左右的教學實踐，總結反饋經驗，不斷優化課程設計，在提煉企業生產過程的基礎上融合快速成型等先進制造的相關技術和理論，使學生掌握以3D打印為核心的快速原型制作方法和技能，更好的滿足企業對人才的需求。

四、研究方法與過程

（一）研究方法

采用廣泛調研和集中討論相結合、工作過程與教學項目相結合，在教學反饋的基礎上逐步遞進不斷完善的課程改革總體實施方案。方案整體流程是首先在分析研究國內外相關文獻資料的基礎上，形成項目整體的研究思路和方法，再通過廣泛企業調研和同類院校交流，歸納出快速原型制作的崗位能力和人才需求，參考目前該課程教學還存在的不足，對比整理出課程的目標、定位和形式，結合職業標準和專家建議，制定具體的教學資源和實驗項目，通過兩個班級在兩個學期內的教學實踐，接收記錄反饋信息，建立課程質量監控體系和人才職業能力評價指標體系，最后對課程創新改革效果進行評價、鑒定。流程如圖1所示。

實施方案具體從以下幾個方面進行研究分析：

1. 參考快速原型制作相關行業企業標準，把握職業標準的結構和能力要求，為課程開發提供理論指導。

2. 圍繞工業設計專業人才培養方案中的具體崗位，調研相關企業人才需求狀況，分析職業工作內容、劃分高職教育的專業學習領域。

3. 比較目前高職院校快速原型制作課程與國家職業標準的對接情況，為課程開發提供事實依據和基礎。

4. 構建遵循教學客觀規律的課程內容，同時將國家職業標準的各項要求分解歸類并有機融入課程內容，強化學習項目和典型工作任務的萃取，實現職業能力課程的轉化。

5. 建立課程改革質量監控體系和人才職業能力評價指標體系，完善保障措施，包括師資隊伍建設、教材論文出版、競賽和考證培訓等。

（二）研究過程

2014年7月至2016年6月間，圍繞《中國制造2025》和《珠三角改革發展規劃綱要》，課題組在佛山順德龍創域快速制造有限公司、杭州先臨三維科技有限公司、廣東省機械設計研究所、佛山朝野科技有限公司等企業進行了深入調研，圖2為企業調研場景。開發快速原型制作技術課程，在工業設計等專業進行教學實踐，引入對比研究方法，系統地、科學地測量和記錄2個班課程教學的全過程，進行評審優化和反饋優化，形成穩定有效的課程教學模式。

在研究過程中，確定了產品快速原型制作的一般工作過程是“快速成型制作”→“原型后處理”→“快速模具制造與翻模”這三大環節，其中快速模具制作與翻模環節是否需要得根據模型批量大小而定。細節上要著重搞清快速原型制作在實際生產流程中的作用及評價指標，包括每一個階段的原型加工、評價、測試和改進的方法。把握好學習項目和典型工作任務萃取的結合度，實現職業能力向課程的轉化。在校內有限的條件下選擇不同的生產實例進行項目式教學，選擇合適的方式完成原型制作，包括快速成型、快速模具、CNC加工。在考慮原型性能、加工成本、測試重點等因素的同時，還要滿足知識性、趣味性、可行性[12]。

課程開發的具體成果有以下幾項：

1. 在廣泛調研企業的基礎上，分析了快速原型制作工作過程，提煉崗位職業能力，圖3為崗位職業能力培養目標。

2. 結合基于工作工程導向的課程開發理論，設計了若干個具體學習情境，體現崗位能力的訓練和培養。

3. 構建了具體的課程標準、課程教學內容、教學手段、教學組織、實訓指導、考核評價標準、資源共享平臺、網絡課程等課程資源，開展教學實踐。

4. 聘請教育專家、企業技術人員、畢業學生參與課程改革的咨詢論證，進行了課程的評審優化和反饋優化。

5. 以教材和論文的形式總結了課程開發實踐經驗，關鍵問題的解決方法。

（三）實踐條件

課程實踐過程依托于筆者單位的廣東省工業設計省級實訓基地，該實訓基地自2009年開始建設，一直是學院重點發展項目，包括中央財政、省級專項經費和學院自籌資金在內先后共投入超過500萬元。在課程調研前后，參考行業企業發展，對快速原型制作相關的設備進行進一步補充和升級，以更好的滿足課程教學的需要。目前和課程教學相關的主要設備包括：Stratasys的FDM 200mc一臺，HTS-300成型機一臺，太爾時代的UP BOX22臺，HVC-0真空注型機一臺，HRCH-1工業烤箱一臺，專用高性能電腦60臺，大型模型工作臺9張，各類修模工具100余套。已能較好滿足教學實操的需要，圖4為教師演示FDM的控制面板操作。

五、課程實踐與效果

本課程以產品原型制作師、手板工等職業崗位能力培養為重點，根據崗位的職業工作過程來組織課程的學習領域和學習內容，并形成若干相對應的典型工作任務[13]。以職業行為活動作為依據，組織訓練項目任務和課程內容。以職業活動的工作流程為依據，組織項目的工作任務和步驟流程，如圖5所示。

教師發揮自身優勢，在下企業鍛煉期間與企業技術人員合作，編寫了針對快速原型制作職業技能三、四級培訓的全套6本指導書。既作為企業新員工培訓手冊，也作為學生實訓指導書，已在佛山市龍創域快速制造公司和廣東工貿職業技術學院同步使用，達到了校企合作、互惠雙贏的效果。課程采用教學做一體化方式，深受學生喜愛，圖6為學生分組實訓過程和作品。

在2014-2016兩年多的課程實施過程中，學生多方面能力得到鍛煉，包括機械CAD讀圖繪圖能力、產品三維建模能力、快速原型制作能力、快速模具制作能力、團隊合作與創新能力[14]。本校工業設計專業學生在2015和2016年全國高職院校技能競賽“工業產品造型設計與快速成型”項目中獲得國家二等獎2項，省級一等獎3項、二等獎1項，在2015年廣東省CAD圖形設計職業技能競賽中獲得省級三等獎3項。課程教師獲省級競賽職工組一等獎1項，二等獎2項，1人獲評廣東省技術能手稱號。課程改革配套開發的《快速成型與后處理》課程立項為2015年廣東省高職精品開放課程。課程的改革與實踐在多方面均取得了良好的成效。

六、結束語

本文研究針對快速原型技術這一先進制造方式，依托廣東工貿職業技術學院工業設計專業教學，經過大量企業調研和教學實踐，開發了工作過程導向的快速原型制作課程的教學形式和課程資源，取得良好效果，為相關課程建設提供新的思路和實踐探索。課程實踐表明學生在快速原型制作崗位的職業能力有了較大提高，為珠三角地區產業升級改造提供了后備力量。

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