基于數字雙生的3D情景建模的教學方法實踐——以“職業技能鑒定（鉗工）”課程為例

劉莉，史駿，張配，張麗媛，張宗芳

（西安鐵路職業技術學院 機電工程學院，陜西西安 710026）

1 課程簡介

“職業技能鑒定（鉗工）”是鐵道車輛技術專業的一門專業拓展課。課程主要對鐵路貨客車車輛機械檢修做理論知識講解與實踐操作培訓，使學生掌握車輛鉗工（中級工）技能鑒定的理論和實操技能。學生在畢業前可考取車輛鉗工證，考取該中級工證書，對學生的就業、定崗以及就業后對崗位工作的理論認知以及實際技術操作都有重要意義。

針對“職業技能鑒定（鉗工）”課程實踐性較強，并且鐵道車輛存在機械裝置體積大、重量大、難分解、難組裝等問題，創新性地提出了數字雙生的基于3D 情景建模的線下線上資源交互映射的教學方法，并成功應用于課堂實踐。以鐵道車輛機械結構組成和工作原理為學習主線，以基于3D 掃描、3D 打印技術的情景建模為核心亮點，利用3D 掃描打通了線下真實結構到線上數字資源的通道，使用3D 打印技術制作實物縮比教具，實現線下實物與線上數字資源的有效映射。以大數據、云圖畫像的學情分析為課前支撐[1]，以“閉環設計螺旋上升”為教學設計，以愛國主義、團結協作和工匠精神為思政要素，形成了崗位導向、任務驅動和虛實結合的教學體系，有效達成了培養新時代鐵道車輛技術復合型人才的教學目標。

2 課程思路與目標

2.1 傳統教學存在的弊端

本課程的傳統教學采用課堂教學+實踐教學的方式，存在一定的弊端[2]。

（1）課堂教學與真車實物脫節。課堂教學利用多媒體課件介紹設備結構組成和工作原理，理論講解多采用掛圖或機械平面結構圖，不利于學生對實際設備結構的把握。在轉入實踐教學后，面對真實車體結構，學生需要重新認知，導致教學效果不佳。

（2）使用真實練功車教學，效果有限。真實練功車體積大，無法進入課堂。而采用實地場景教學，受場地空間限制，有些學生無法看到教師的操作。為保證教學質量，目前的實訓環節多采用分組分批次講解，教學效率低。

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

（4）傳統的課堂教學偏重理論，學生課堂參與的積極性不高。

（5）高職學生喜歡動手操作，但是對于專業機械設備結構認知不足，容易導致操作失誤。

2.2 基于3D 情景建模的教學思路

（1）數字雙生的基于3D 情景建模的線下線上資源交互映射的教學方法能夠有效解決上述問題。將大體積的鐵道車輛真實結構利用3D 掃描的方式變成數字模型，數字模型的建立豐富了本課程的線上數字化資源，實現線下資源到線上資源的轉化。3D 掃描后得到的數字模型能夠真實反映結構外形，能有效幫助學生建立對結構的直觀認知。再通過3D 打印對數字模型具象化，制作縮比教具，使線上線下資源交互映射，實現了數字雙生的教學模式。在進行機械結構理論講解過程中，教師可結合3D 掃描形成的數字化資源進行輔助教學[3]，學生通過多媒體課件就可以看到真車上的設備結構外觀，360 °可旋轉的數字模型，方便學生全方位觀察，幫助學生快速建立對機械設備結構的直觀認識。再將3D 打印縮比模型帶入課堂，學生通過拆裝模型，強化原理認知，提升了學生的學習興趣，為后續實訓環節中的實體拆裝、檢修工作奠定基礎，對提升課堂效果起到一定的作用。

（2）基于大數據相關性分析，解決學生課堂參與度問題[4]。通過使用相關性分析工具，對往屆學生成績進行大數據分析，找出與“職業技能鑒定（鉗工）”相關系數最高的先導課程“高鐵概論”，再根據“高鐵概論”的課程成績，預判本課程的潛在“尖子生”和“后進生”，進而優化課堂分組結構，實現組內幫扶進步。應用詞云生成工具對學生的特點“畫像”進行刻畫，掌握學生共性特征，通過學情分析可知，學生的動手操作和了解新鮮事物的欲望較強。因此教師積極引導動手能力強的學生參與3D 情景建模，理論基礎扎實的學生參與數字模型的修復，學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手段，增強動手操作能力，也可提前近距離接觸到真車結構，提升學習興趣。

（3）細化課堂設計，構建分節閉環、螺旋上升式總體實施框架，環環相扣助力學生能力提升。課程內容實現從理論學習到實踐應用的轉化，職業素養教育貫穿始終，實現知識提升、能力提升、素質提升。課堂教學環節細化教學目標，優化教學設計，采用螺旋上升式教學設計[5]。堅持以學生為中心、教師為引導的設計原則，隨著課堂的推進，知識難度上升、所需實踐能力上升、所要求職業素質提升，打造有深度的課堂。每個課堂環節均閉環設計，學生在每個環節結束后以測驗的方式進行信息反饋，教師能夠準確獲知學生對每個知識點的掌握程度和學習效果，便于對學生進行個性化指導和后續教學精準調整，打造有效度的課堂。在課程教學過程中，素質培養貫穿整個任務過程，打造有溫度的課堂。

3 基于3D 情景建模的教學設計

選用《車輛鉗工》鐵路職工崗位培訓教材，結合《車輛鉗工（實訓）》活頁式教材，利用西安鐵路職業技術學院創新創業工作室的3D 掃描和3D 打印的硬件設備，完成線下線上資源轉化。智慧職教云教學管理平臺全過程記錄學生的學習軌跡，基于云的跨端思維導圖平臺MindMaster 實現學生在線協作與學習。采用GCT（小組協作任務化）配合任務驅動法、合作探究法、情景教學法、比較法等教學方法，基于工作過程對教學內容進行結構化和學習化處理，營造實戰氛圍，激發學生的學習積極性[6]。

課堂的教學環節采用螺旋上升的設計理念，以貨車篇車鉤為例。整個教學過程采用“四引導”的教學策略，即崗位導向、案例導引、概念導學、實操導思。課前，教師引導學生使用3D 掃描設備對13 號車鉤進行掃描，并對掃描后的數字模型進行修補，修補后的模型導入三維建模工具制作車鉤結構爆炸動畫。同時，修復后的模型進行尺寸縮比，利用3D 打印設備得到縮比教具，整個過程可以提升學生的動手能力。課程前期，教師通過播放重載線車鉤斷裂的視頻引入車鉤，融入結構可靠性對列車安全運行的重要作用，引發學生的職業認同感，實現案例導引。課程中期，給出車鉤的概念和作用，通過縮比教具展示兩個車鉤的連掛、摘解狀態，使學生在好奇心的驅使下自行探究車鉤實現不同狀態間切換的奧秘，實現概念導學。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，播放車鉤結構爆炸圖，使學生對車鉤內部部件結構和各部件之間的安裝位置關系建立直觀認知。課程后期，教師引導學生結合理論使用車鉤模型，探究鉤頭內部結構和組裝過程，實現實操導思，為后期實訓過程中的真實車鉤拆裝打下基礎。在課堂教學過程中，每個環節都通過測驗的方式進行信息反饋，教師能準確掌握學生學習情況，方便后期進行教學策略的調整。

課程采用線上線下混合式教學模式，堅持過程性評價、總結性評價、發展性評價相結合，對學生課程學習、交流研討、成果匯報、實踐作業、成果總結等方面進行綜合考評，構建全過程全方位的教學評價體系[7]。

4 基于3D 情景建模的教學方法的特色與創新

4.1 3D 情景建模推動線下線上資源交互映射，實現數字雙生

基于3D 掃描技術將大體積的真車機械結構變成數字模型，再通過3D 打印技術將掃描得到的數字模型具象成教具，線上線下資源交互映射，實現數字雙生。在課堂教學中利用3D 掃描的數字模型可以強化學生對結構的認知，將縮比模型帶入課堂，學生通過拆裝教具，提升動手能力，提高學習興趣，為后續真實設備拆裝與檢修工作奠定基礎，極大降低了檢修實訓過程中安全事故的發生，對提升課堂效果起到一定的作用。學生通過參與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，通過全過程參與掃描和打印環節激發對專業知識的好奇心。在整個教學過程中，學生加深了對實際結構的認知，增強了動手操作能力，提升了學習興趣。

4.2 大數據與云圖畫像支撐課前學情分析，提供決策支撐

采用大數據的云圖分析把學生特征“畫像”，采用大數據挖掘的相關性算法查找對本課程存在顯著影響力的先導課程，為教學手段和教學內容的選擇調整提供高置信度的決策支撐。

4.3 “閉環”與“螺旋”細化課堂教學設計，助推高效優質

課程結構設計中每個知識點采用閉環設計，以培養應用能力為導向，實現從理論學習到實踐應用的轉化，同時職業素養教育貫穿始終，隨著課程推進，逐步實現知識提升、能力提升和素質提升。課堂環節采用閉環設計，學生在每個環節結束后以測驗的方式進行信息反饋，教師能夠準確獲知學生對每個知識點的掌握程度和學習效果，便于對學生進行個性化指導和后續教學精準調整，打造高效課堂。

5 基于3D 情景建模的教學方法的教學效果評價

學生在課堂上觀看可靈活旋轉的數字模型和由三維模型制作的仿真動畫，可以直觀學習到機械內部結構和各零部件之間的相對位置關系，學生利用縮比模型模擬真實結構的拆裝過程，將理論知識與拆裝實踐相結合，在課程的實踐訓練環節學生能夠更容易上手。整體教學目標達成度較高，知識、能力和素養目標都基本達成，與教學預期相符合，職業技能考核通過率也顯著提高。

在教師授課過程中，通過對學生整體和個體信息的采集，形成一個過程性評價，使學生課堂表現可評可測[8]。學生在每個環節結束后以測驗的方式進行反饋，教師能夠準確獲知學生對每個知識點的掌握程度和學習效果，便于進行個性化指導和后續教學精準調整，打造高效課堂。