機械三維建模及3D打印課程教學模式研究

卜祥安

（1.德州機電工程學校，山東 德州 251200；2.德州科技職業學院，山東 德州 251200）

0 引言

當前，三維建模和3D打印在機械行業中越來越受到重視，相關軟件的教學也成為機械大類專業的核心課程。因此，探討機械類三維建模軟件的教學，以及如何把課程教學和企業實踐密切結合，成為各職業院校的一個重要課題。下面以CREO3.0軟件建模與3D打印技術課程的教學為例，探討三維建模類軟件的課程開發和教學模式[1]。

1 機械三維建模課程在教學過程中發現的問題

（1）建模過程不完整，學習過程無法實現閉環控制。建模課程以往只是空洞地進行模型的建立，學生模仿實物建模，但建模之后很難做成模型，學生無法對所建模型進行比對與評估，整個學習過程無法閉環，從而使得學生無法對自己的學習過程進行評價。

（2）原有教學手段單一。原有的教學模式進行課程教學時，只對課本內容及相關的命令及菜單進行講解和操作，沒有實際案例應用于教學，課程學習結束，學生并沒有學到企業所有的專業技能，學生學習積極性差，效果很不理想。

（3）教學內容無法和職業崗位進行有效對接。通過對用人企業和畢業生的多方考察調研，發現存在以下問題：學生在學校所學的知識無法用到工作崗位，達不到學以致用，企業對學生的專業技能不滿意，企業普遍反映學生的學習能力差，專業技能環節薄弱。

2 課程的內容選取和組織

為了解決課程教學過程中教材內容與現實工作所需的專業知識脫節的問題，在課程的內容選取、組織上進行深入的研究并作出適當的調整。

2.1 內容選取：基于職業崗位群及典型任務分析

經過充分調研、研討和分析，依據職業能力分析結果，將機械設計與制造、數據技術專業等專業的職業能力分解為繪圖設計能力、工藝編程能力、加工操作能力等三個核心職業能力，并按照從簡單到復雜、從低級到高級的能力進階規律，形成了由專業基礎能力模塊、專業能力模塊、綜合專業能力模塊以及拓展能力模塊構成的課程設置路線。在此基礎上，結合當地區域和產業特色，以及機械制造類企業對該專業人才的需求，對課程知識點進行了有機的細化，使課程內容更加“貼近專業、貼近工藝、貼近生產”，從而構建了課程設置鏈路清晰、課程定位具有區域產業特色、以工作過程為主線的系統化課程體系[2]。

在課程結構上，分別以知識點和技能點兩條主線。

（1）知識點：從軟件內容角度進行取舍，主要以建立常見機械類零件的三維模型、二維工程圖、虛擬裝配、并在數控加工、3D打印新技術方面的知識點為主，并適當進行有效的拓展。

（2）技能點：從課程內容角度選擇，主要以CA6140普通車床上的典型零件為載體，對機械常見零件為主，分別選擇了軸類、盤蓋類、箱體類、叉架類、齒輪、螺紋和彈簧類等零件為主要內容[3]。

在內容選取上，同時把這兩條主線有機地融合在一起，避免了只講軟件指令的弊端，使學生能夠在項目化學習的過程中，既掌握了軟件的應用技能，又掌握了典型零件的設計方法。

2.2 內容組織：注重與其他課程的橫向聯系，突出職業崗位的過程控制

三維建模課程是使用CREO3.0進行建模，然后用3D打印機對所建立模型打印輸出，最后將打印的實物與建模實物進行對比，找出建模過程中出現的問題和所建模型的缺陷，進行修改與完善，最終打印輸入，完成建模的全過程[4]。

因此，課程在內容組合上，與計算機基礎、機械制圖、AUTO CAD、機械設計基礎、普通機床與數控機床結構、數控編程與加工等前期所學的課程有著密切的關聯，同時，也對后期的畢業設計起著一定的促進和支撐作用。

（1）以《機械制圖》和《AUTO CAD》中的測繪結果為素材。本課程是以CA6140普通車床的典型零件為載體，建模所用的圖形和尺寸，主要來源于學生在大一學習機械制圖、AUTO CAD等課程時，對車床典型零件的測繪的結果為主。從而以本課程的三維建模、工程圖、虛擬裝配為核心，與其他課程形成了密切的結構體化課程體系。

（2）以《機械設計基礎》的課程內容為綱。在軟件建模的內容安排中，分別以軸類、盤蓋類、箱體類、叉架類等主要零件為綱領，這些零件的分類依據也正是以《機械設計基礎》中課程內容安排互相對應。

（3）和數控編程與加工相互照應。學生在學習本課程前，還安排了數控編程與加工的課程學習，與本課程的數控加工模塊相互補充，拓展了學生的學習知識面。

（4）與《普通機床與數控機床結構》課程內容同步開設。在本課程的學習安排上，是與《普通機床與數控機床結構》同學期開設，這兩門課程可以實現在內容上互相印證，在知識上相互促進和深化。

課程內容在教學內容的組織與安排方面，完全遵循了“由淺入深、循序漸進”“適度夠用”的原則。課程每一個項目，都配有文本教材、任務驅動、演示視頻、課件PPT、建模參考步驟、相關配套訓練素材，主要的訓練素材同時給出參考步驟、參考模型，對于較復雜的素材同時也給出演示視頻等幾個方面。

（5）不斷拓展課堂內容，及時添加新技術、新工藝。除了原來的課程內容外，在近幾年還在課程中加入了3D打印技術的新技術和新工藝。同時，以選修內容的形式，對軟件的并行設計、逆向工程、行為建模理念也有適當的拓展。

（6）內容由淺入深，體現課程的層次性。所在學習項目，都經過精心選擇，在內容安排上，學習任務由淺入深。以學習項目2軸類零件的設計與建模為例，在介紹了基礎知識后，首先以最為簡單的車床光杠作為入門，掌握軸類零件的建模思路，然后，依次再進行一般階梯軸、車床花鍵軸的建設，最好是比較復雜的車床主軸建模。這樣，使學生在學習在循序漸進的過程中，掌握軸類零件的建模特點和思路。

3 教學模式

為保證教學內容的不斷豐富和充實，課程在教學模式上的主要措施有以下方面：

3.1 采取任務驅動、六步教學法進行教學

針對課程內容安排，在教學模式上進行進一步的整改和優化。一方面結合裝備制造業對CAD/CAM行業的人才需求特點，將基本設計理論和新的設計理念、設計方法相融合，一方面，結合典型的機械類零部件（如軸類零件、盤蓋類零件、箱體類零件、叉架類零件等），以實際工程案例任務作為任務驅動，避免原來的只講不練，或者是理論和實踐相脫節的方式。不斷引入了案例教學，一般提前給學生下發任務單，使學生在咨詢、實施、評價等各個環節中都能積極參與，培養學生的分析能力，啟發學生思考。

使學生掌握實際工程設計方法和技巧，在更大程度上解決理論與實際脫節的問題，著重培養學生在分析實際問題、解決問題的能力。

3.2 情境化模式，突出工程實踐能力的培養

本課程是一門實踐性很強的課程，為此，我們精心設計了培養和提高學生基本知識、專項技能以及課程綜合應用技術三大策略，形成了一套較為完整的教學體系和教學方法。能力訓練的內容和過程都是嚴格遵循了循序漸進的原則進行安排。三個層次的訓練有序進行，學生不但可以進行一般機械類零部件的設計、裝配、分析及制造，大大提高工程實踐能力。同時，因為學生在建立三維模型時面對的不僅僅是單一的圖形，圖形的來源是車間實際車床實物為參照，并且是通過前期課程中拆裝、測繪，所積累下來的知識和圖形。使本課程與其他課程有著密切的關聯，達到融會貫通、綜合應用的目的。實現了產品的測繪、建模、加工、裝配、技術革新等多個環節的統一，使課程在更大程度上接近企業實際工作情境。

3.3 強化課堂之外的學習環境、資源和平臺建設

除了課堂教學方式外，學院建立了網絡教學平臺，所有的學習資源都能在網絡平臺上查看和下載。同時，還針對每一個教學班級，建立微信群、QQ群，實現師生在課堂之外的即時交流和互動。實現作業的發放、收繳以及答疑、咨詢等都可以通過課堂外的網絡平臺實現，也能保證學生在時時處處都能學習到課堂內容和知識。

3.4 考核方式以操作和考取技能資格證書相結合

在課程考試、考核上，將傳統的考試改為課程考試和學生考取技能證書相結合。學院除了與當地勞動部門有著長期的合作外，還和國家制造業信息化中心、全國3D技術推廣服務與教育培訓聯盟等多家單位有密切的聯系，推行證書與學分互認，學生在課程結業后，可以根據個人實際情況，選擇考取一個或多個CAD/CAM方面的技能資格證書。

4 特色創新

相對于傳統的課程教學方式，本課程的特色創新體現在以下幾個方面：

（1）課程體系的系統化。課程使用了全新的教學載體，經過精心的選擇，采用了CA6140車床典型零件為建模、工程圖和裝配時的載體，從而使課程在內容和載體上區別于當前眾多的教材內容。而這些內容都是在經過前期課程在測繪、拆裝過的典型零件。使本課程和我院開設的其他課程保持了一脈相承的關系。

（2）資源內容的顆粒化。在提供的課程內容上，我們摒棄了過去那種整堂課的學習模式，把知識點和技能點以顆粒化的形式提供給學生。比如，很多視頻講解一個內容時，往往只需要三、五分鐘的時間，這樣，使學生在學習時用較短的時間，也能學習和掌握一個完整的知識點。

（3）學習手段的現代化創新。除了正常的課堂學習方式外，課程還準備了更為豐富的課程資源，充分利用現代化的通信手段，以網絡、手機、平板電腦等工具，讓學生課堂之外也能實現學習和師生即時的交流和互動。

（4）教材編寫方式創新。在教材上學習內容上，都設計二維碼，學習者只需要用手機掃描教材上的二維碼，就可以看到相關的視頻、PPT、電子教材等學習資源。

（5）3D打印學習模塊創新。近年來，3D打印技術成為計算機輔助設計和制造的熱門方向。為了適應這種新形式，讓學生了學生了解和掌握一定的3D打印技術，我們及時在教學內容上添加了3D打印這一學習模塊。對于部分零件，學生在用軟件建立了三維模型后，可以直接借助學校的3D打印機，打印出實物模型。

5 結束語

近幾年，在課程教學過程中，通過多方調研和教學實踐，積累了一些成功的經驗，課程組對課程內容進行重新組織和選取，拓展了與企業相關的課程內容，及時添加新技術、新工藝，在課程層次性上進行一定的改革。大教學模式上進行了創新，采取任務驅動、六步教學法進行教學，采用情境模式，突出工程實踐能力的培養，強化課外學習環境、資源和平臺采取操作和資格證書相結合的新型考核模式；實現了課程體系系統化、教學資源顆粒化和學習手段的現代化。課程的改革與創新贏得了學生和學校的一致認可。