基于第二課堂的“數(shù)字化設(shè)計(jì)與3D打印”課程建設(shè)

蔣三生

（北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院，北京 102208）

“中國(guó)制造2025”要求制造業(yè)數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化取得明顯進(jìn)展，數(shù)字化研發(fā)設(shè)計(jì)工具在企業(yè)得到廣泛應(yīng)用；要求智能制造的核心技術(shù)不斷提升和完善。例如，數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)、增材制造技術(shù)（3D打?。┑取！督逃筷P(guān)于深化職業(yè)教育教學(xué)改革全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的若干意見(jiàn)》 （教職成[2015]6號(hào)）中強(qiáng)調(diào)：堅(jiān)持工學(xué)結(jié)合、知行合一；注重教育與生產(chǎn)勞動(dòng)、社會(huì)實(shí)踐相結(jié)合，校內(nèi)與校外相結(jié)合，突出做中學(xué)、做中教，強(qiáng)化教育教學(xué)實(shí)踐性和職業(yè)性，促進(jìn)學(xué)以致用、用以促學(xué)、學(xué)用相長(zhǎng)。

通過(guò)對(duì)全國(guó)范圍內(nèi)高等職業(yè)院校機(jī)械制造類傳統(tǒng)專業(yè)的教學(xué)改革和人才培養(yǎng)情況調(diào)研，要使學(xué)校培養(yǎng)的畢業(yè)生能夠滿足科技和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，必需在原有的專業(yè)課程體系中注入新的內(nèi)容[1-2]，以保證畢業(yè)生從業(yè)后具備可持續(xù)發(fā)展的后勁。“數(shù)字化設(shè)計(jì)與3D打印”課程就是基于上述背景，圍繞數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造、增材制造（3D打?。﹥纱蠛诵募夹g(shù)新開發(fā)的課程。目前，國(guó)內(nèi)大部分工科院校的機(jī)械制造類專業(yè)都開設(shè)有與數(shù)字化設(shè)計(jì)或3D打印技術(shù)相關(guān)的新課程。特別是近年來(lái)全國(guó)高等職業(yè)院校技能大賽“工業(yè)產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造”“模具數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造工藝”等項(xiàng)目的設(shè)立，極大地促進(jìn)了各高等職業(yè)院?！皵?shù)字化設(shè)計(jì)與3D打印”課程的建設(shè)與發(fā)展。

針對(duì)高職院?！皵?shù)字化設(shè)計(jì)與3D打印”課程的建設(shè)和培養(yǎng)目標(biāo)方面，在國(guó)內(nèi)并沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，因此針對(duì)該課程進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)具有十分重要的意義。同時(shí)，由于該課程主要培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)與3D打印技術(shù)進(jìn)行工業(yè)產(chǎn)品的三維造型設(shè)計(jì)和增材制造成型等專業(yè)核心能力，對(duì)于學(xué)生的能力要求比較高，而僅僅依靠常規(guī)的課堂教學(xué)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，需要通過(guò)第二課堂的教學(xué)形式進(jìn)行拓展培養(yǎng)。以北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院“數(shù)字化設(shè)計(jì)與3D打印”課程的標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)和第二課堂建設(shè)為例，通過(guò)課程設(shè)計(jì)和能力目標(biāo)分析，探索和實(shí)踐了幾種拓展學(xué)生專業(yè)及職業(yè)能力的方法，以期解決常規(guī)課程總學(xué)時(shí)少、難以達(dá)到高水平培養(yǎng)的問(wèn)題。

1 課程標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)

1.1 課程定位

課程是三年制數(shù)控技術(shù)高職專業(yè)的一門專業(yè)核心課程，屬于理實(shí)一體化課程，在第4個(gè)學(xué)期開設(shè)，是工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造行業(yè)相關(guān)崗位的一項(xiàng)重要專業(yè)技能。其先導(dǎo)課程為“機(jī)械制圖與計(jì)算機(jī)繪圖”“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”，后續(xù)課程為“計(jì)算機(jī)輔助產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造綜合實(shí)訓(xùn)”。

1.2 課程設(shè)計(jì)思路

采用項(xiàng)目案例教學(xué)法，以工業(yè)產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計(jì)和3D打印為目標(biāo)，以學(xué)生活動(dòng)為中心，通過(guò)任務(wù)驅(qū)動(dòng)的方式，讓學(xué)生在教師的引導(dǎo)下完成“接受任務(wù)-研究任務(wù)-尋求幫組-完成任務(wù)-任務(wù)評(píng)價(jià)”等教學(xué)活動(dòng)，并在此過(guò)程中學(xué)習(xí)和掌握相關(guān)的專業(yè)理論知識(shí)和操作技能。

1.3 課程目標(biāo)

教學(xué)目標(biāo)分為知識(shí)目標(biāo)、技能目標(biāo)和素養(yǎng)目標(biāo)3個(gè)部分。

（1）知識(shí)目標(biāo)。了解3D打印和逆向工程的基本理論知識(shí)、熟悉3D打印機(jī)的使用與維護(hù)常識(shí)、熟悉三維掃描儀的使用與維護(hù)常識(shí)、掌握點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集與處理方法、掌握工業(yè)產(chǎn)品的逆向建模與創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法。

（2）技能目標(biāo)。熟練掌握FDM（熔融沉積成型）3D打印機(jī)的使用技巧和維護(hù)方法，熟練掌握三維掃描儀的安裝、調(diào)整、操作和維護(hù)技能，熟練使用Geomagic Studio三維軟件對(duì)采集的產(chǎn)品表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理，熟練使用Geomagic Design三維軟件對(duì)處理好的產(chǎn)品面片文件進(jìn)行曲面重構(gòu)和三維造型，會(huì)使用Geomagic Design三維軟件對(duì)重構(gòu)后的產(chǎn)品模型進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

（3）素養(yǎng)目標(biāo)。培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題和思考問(wèn)題的能力，培養(yǎng)學(xué)生按時(shí)完成任務(wù)的職業(yè)習(xí)慣，培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作的精神，培養(yǎng)學(xué)生總結(jié)經(jīng)驗(yàn)和自我展示的能力，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)的能力。

1.4 課程內(nèi)容設(shè)計(jì)

在國(guó)家大力發(fā)展數(shù)字化產(chǎn)品及數(shù)字產(chǎn)業(yè)的政策指導(dǎo)下，課程緊跟行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)和特點(diǎn)，充分調(diào)研企業(yè)對(duì)于數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造能力的高技能人才需求現(xiàn)狀，基于產(chǎn)業(yè)發(fā)展的現(xiàn)實(shí)需要來(lái)設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容及其項(xiàng)目載體。該課程的教學(xué)內(nèi)容及項(xiàng)目側(cè)重學(xué)生對(duì)于工業(yè)產(chǎn)品的逆向設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)，側(cè)重學(xué)生對(duì)機(jī)械基礎(chǔ)知識(shí)的綜合應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新和創(chuàng)業(yè)能力。

課程內(nèi)容的設(shè)計(jì)要點(diǎn)包括打破傳統(tǒng)教學(xué)中的獨(dú)立課程體系，圍繞“工業(yè)產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計(jì)”這條主線，將數(shù)字化測(cè)量與數(shù)據(jù)處理、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與造型、模具設(shè)計(jì)、3D打印等相關(guān)技術(shù)融合成正向設(shè)計(jì)、逆向設(shè)計(jì)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)于一體化的新職業(yè)課程[3]。教學(xué)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)充分考慮學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，通過(guò)循序漸進(jìn)的過(guò)程，讓學(xué)生在若干個(gè)教學(xué)項(xiàng)目的實(shí)施過(guò)程中，逐步掌握該課程涉及的專業(yè)知識(shí)和技能[4-5]。

教學(xué)項(xiàng)目涵蓋了“機(jī)械制圖與CAD”“機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”“技術(shù)測(cè)量與公差”等課程知識(shí)的系統(tǒng)應(yīng)用，追蹤行業(yè)發(fā)展的新趨勢(shì)、新技術(shù)和新工藝，緊密結(jié)合全國(guó)職業(yè)院校技能大賽相關(guān)賽項(xiàng)的命題思路，針對(duì)工程應(yīng)用和實(shí)踐，突出工學(xué)結(jié)合特色，形成職業(yè)化的訓(xùn)練課程內(nèi)容。合計(jì)52個(gè)學(xué)時(shí)。

“數(shù)字化設(shè)計(jì)與3D打印”教學(xué)項(xiàng)目設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

1.5 考核方法

采用多種形式進(jìn)行考核，以階段性項(xiàng)目實(shí)踐考核和終結(jié)性考核為主，作業(yè)、筆記和素養(yǎng)等均納入課程考核的因素中。

表1 “數(shù)字化設(shè)計(jì)與3D打印”教學(xué)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

續(xù)表1

“數(shù)字化設(shè)計(jì)與3D打印”考核方案見(jiàn)表2。

表2 “數(shù)字化設(shè)計(jì)與3D打印”考核方案

2 基于第二課堂的課程建設(shè)

2.1 課程目標(biāo)能力要求與分析

“數(shù)字化設(shè)計(jì)與3D打印”課程主要培養(yǎng)學(xué)生在產(chǎn)品造型與建模、3D打印成型、綜合素養(yǎng)等方面的專業(yè)和職業(yè)能力。具體包括收集分析產(chǎn)品資料、產(chǎn)品正向設(shè)計(jì)、產(chǎn)品逆向數(shù)據(jù)采集與處理、三維逆向建模、3D打印模型準(zhǔn)備、快速成型分析與準(zhǔn)備、模型輸出與后處理等專業(yè)能力，以及產(chǎn)品設(shè)計(jì)的直觀性、功能性、市場(chǎng)性、經(jīng)濟(jì)性和創(chuàng)造性等職業(yè)能力。

要想培養(yǎng)學(xué)生具備扎實(shí)的上述專業(yè)和職業(yè)能力，僅靠52個(gè)學(xué)時(shí)的常規(guī)課堂教學(xué)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，需要通過(guò)開展第二課堂的途徑和方法來(lái)拓展和提升學(xué)生的專業(yè)技能和職業(yè)素養(yǎng)，而科技社團(tuán)活動(dòng)、技能大賽和社會(huì)實(shí)踐則是高校常用的3種拓展手段，并在歷年的實(shí)踐過(guò)程中得到了檢驗(yàn)和證明。

2.2 基于科技社團(tuán)活動(dòng)的項(xiàng)目建設(shè)

科技社團(tuán)作為鍛煉大學(xué)生科技能力的一個(gè)重要平臺(tái)，不僅豐富了他們的業(yè)余生活，還對(duì)拓展他們的專業(yè)知識(shí)和技能意義重大[6]。該課程僅52學(xué)時(shí)，對(duì)于學(xué)生學(xué)習(xí)課程所涉及到的專業(yè)知識(shí)方面，只能起到引導(dǎo)和入門的作用，要想提升學(xué)生的三維數(shù)字化設(shè)計(jì)與3D打印專業(yè)核心能力，必須通過(guò)其他途徑進(jìn)行補(bǔ)充和拓展，而科技社團(tuán)活動(dòng)正好彌補(bǔ)了課時(shí)數(shù)的不足。

北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院“三維建模與3D打印”科技社團(tuán)創(chuàng)立至今已有3年之久，社團(tuán)開展的科技活動(dòng)能充分滿足學(xué)生自身的個(gè)性化發(fā)展。在全面貫徹素質(zhì)教育中，科技社團(tuán)以學(xué)生活動(dòng)為主體，注重學(xué)生在“數(shù)字化設(shè)計(jì)與3D打印”方面的科技興趣與愛(ài)好的養(yǎng)成；通過(guò)拓展活動(dòng)來(lái)挖掘?qū)W生的創(chuàng)新、創(chuàng)造天賦和自主探究的潛力；通過(guò)在科技社團(tuán)實(shí)踐活動(dòng)中制定方向性任務(wù)，加強(qiáng)學(xué)生的特長(zhǎng)培養(yǎng)和實(shí)用技能的培養(yǎng)；同時(shí)，通過(guò)教師的定期指導(dǎo)，社團(tuán)成員的分組合作和互相競(jìng)技等方式，也能確保社團(tuán)探究活動(dòng)得到有效實(shí)踐，并從基礎(chǔ)向深層次逐漸上升，錘煉學(xué)生的精神品質(zhì)。

“三維建模與3D打印”社團(tuán)活動(dòng)部分項(xiàng)目見(jiàn)表3。

表3 “三維建模與3D打印”社團(tuán)活動(dòng)部分項(xiàng)目

表3列出了北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院“三維建模與3D打印”科技社團(tuán)的部分活動(dòng)項(xiàng)目，該項(xiàng)目緊跟全國(guó)職業(yè)院校技能大賽相關(guān)賽題，緊跟行業(yè)發(fā)展的動(dòng)態(tài)和前沿，項(xiàng)目綜合難度系數(shù)高，對(duì)于提升學(xué)生的專業(yè)能力意義重大。

2.3 基于技能大賽的體系建設(shè)

技能大賽作為近年來(lái)國(guó)內(nèi)外職業(yè)技能水平競(jìng)技的一個(gè)重要平臺(tái)，越來(lái)越受到政府部門和職業(yè)院校的重視。特別是有著“技能奧林匹克”之稱的世界職業(yè)技能大賽的開展，更將職業(yè)技能大賽的發(fā)展推向了一個(gè)新的階段。北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院通過(guò)積累歷年技能大賽的經(jīng)驗(yàn)，目前已構(gòu)建了“院賽-市賽/行業(yè)賽-國(guó)賽”逐層遞進(jìn)的技能大賽體系。所有技能大賽項(xiàng)目的設(shè)立，均以國(guó)賽項(xiàng)目的競(jìng)技內(nèi)容為指導(dǎo)，通過(guò)院賽選拔，市賽/行業(yè)賽錘煉和國(guó)賽沖刺幾個(gè)階段，有效地提升了學(xué)生的技術(shù)技能水平。與“三維數(shù)字化設(shè)計(jì)與3D打印”專業(yè)能力相關(guān)的國(guó)賽（高職）項(xiàng)目為“工業(yè)產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造”項(xiàng)目。學(xué)院裝備制造類專業(yè)學(xué)生近5年來(lái)均以該賽項(xiàng)作為重點(diǎn)參賽項(xiàng)目，通過(guò)制定系統(tǒng)科學(xué)的參賽計(jì)劃，讓學(xué)生在3年的學(xué)習(xí)生涯中均有機(jī)會(huì)參加與數(shù)字化設(shè)計(jì)相關(guān)的技能競(jìng)賽。

“數(shù)字化設(shè)計(jì)與3D打印”相關(guān)技能大賽安排見(jiàn)表4。

表4列舉了學(xué)院學(xué)生在校期間（第1學(xué)期到第5學(xué)期）可以參加的各項(xiàng)賽事。

表4 “數(shù)字化設(shè)計(jì)與3D打印”相關(guān)技能大賽安排

通過(guò)上述各級(jí)職業(yè)技能大賽的參與，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，挖掘了他們的內(nèi)在動(dòng)力，營(yíng)造了“比、學(xué)、趕、幫、超”的學(xué)習(xí)氛圍。歷年的參賽結(jié)果說(shuō)明，技能大賽不僅能有效拓展學(xué)生的專業(yè)能力，更能培養(yǎng)學(xué)生對(duì)于奮斗目標(biāo)的執(zhí)著和追求，并錘煉學(xué)生的精神和意志品質(zhì)，讓他們畢業(yè)后更好地適應(yīng)企業(yè)文化和工作氛圍。

2.4 基于校企合作的機(jī)制建設(shè)

社會(huì)實(shí)踐是高校開展思想政治教育的重要手段之一[7]，是指學(xué)生在學(xué)校的統(tǒng)籌組織、設(shè)計(jì)和安排下，進(jìn)入企業(yè)參與實(shí)踐活動(dòng)。其主要目的是檢驗(yàn)學(xué)生在校期間的學(xué)習(xí)成果，并增強(qiáng)學(xué)生與社會(huì)的聯(lián)系，尋找與企業(yè)存在的差距。在社會(huì)實(shí)踐中，學(xué)生不僅可以了解行業(yè)的發(fā)展動(dòng)態(tài)，還能鞏固和拓展自己的專業(yè)能力。

近年來(lái)，北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院數(shù)控技術(shù)專業(yè)不斷向“數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造”方向轉(zhuǎn)型和發(fā)展，并圍繞“數(shù)字工匠”和“數(shù)字工坊”2個(gè)項(xiàng)目，與北京昆侖三迪科技發(fā)展有限公司簽訂了校企合作協(xié)議。該項(xiàng)目核心內(nèi)容包括：①共建“數(shù)字工坊”和“數(shù)字工匠示范基地”，以國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)需求為向?qū)В攸c(diǎn)培養(yǎng)掌握三維數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用人才；②企方每年培訓(xùn)校方一定數(shù)量的三維數(shù)字化設(shè)計(jì)相關(guān)專業(yè)教師和學(xué)生達(dá)到國(guó)內(nèi)行業(yè)先進(jìn)水平；③企方負(fù)責(zé)校方的三維數(shù)字化相關(guān)項(xiàng)目的技術(shù)支持與協(xié)作，雙方共同開發(fā)產(chǎn)教合作項(xiàng)目；④校方可選派部分學(xué)生參加由企方組織的“全國(guó)3D大賽獲獎(jiǎng)選手暑期游學(xué)營(yíng)”學(xué)習(xí)活動(dòng)。

基于上述校企合作機(jī)制，學(xué)院學(xué)生通過(guò)假期社會(huì)實(shí)踐活動(dòng)進(jìn)入到該企業(yè)進(jìn)行學(xué)習(xí)，不僅學(xué)到了三維數(shù)字化設(shè)計(jì)方面的專業(yè)技術(shù)能力，更拓寬了知識(shí)面；還通過(guò)暑假“全國(guó)3D大賽獲獎(jiǎng)選手暑期游學(xué)營(yíng)”的活動(dòng)與國(guó)內(nèi)其他高校的優(yōu)秀學(xué)生進(jìn)行互動(dòng)交流和學(xué)習(xí)，通過(guò)完成企業(yè)安排的工作任務(wù)，找出自身能力的不足，并激發(fā)自己的學(xué)習(xí)動(dòng)力。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著“數(shù)字化設(shè)計(jì)與3D打印”課程在職業(yè)院校機(jī)械、數(shù)控類專業(yè)的逐步開展，有必要制定相應(yīng)的課程標(biāo)準(zhǔn)，以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化人才培養(yǎng)的目的。由于該課程重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生對(duì)工業(yè)產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計(jì)和3D打印成型等專業(yè)核心能力，對(duì)于學(xué)生的綜合能力要求比較高，依靠常規(guī)的課堂教學(xué)難以滿足高水平培養(yǎng)的目標(biāo)，需要對(duì)第二課堂的培養(yǎng)形式進(jìn)行探索和實(shí)踐。北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院“數(shù)字化設(shè)計(jì)與3D打印”課程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)表明，圍繞課程的能力培養(yǎng)目標(biāo)，通過(guò)創(chuàng)建科技社團(tuán)并開展相關(guān)活動(dòng)，構(gòu)建“院賽-市賽/行業(yè)賽-國(guó)賽”逐層遞進(jìn)的技能大賽體系，與校企合作單位建立培養(yǎng)機(jī)制等手段和方法，以第二課堂的形式不斷完善該課程的內(nèi)涵建設(shè)，對(duì)于課程資源建設(shè)和專業(yè)人才培養(yǎng)等方面都具有重要的意義。