以賽促改模式下高職課程項目式教學改革探索與實踐*
——以增材制造實訓課程為例

程婷婷 孫偉

安徽機電職業技術學院 安徽蕪湖 241000

0 引言

中國制造正逐漸向中國“智造”轉型，增材制造作為《中國制造2025》代表性的新興技術，是制造業數字化大趨勢的重要部分。《增材制造實訓》課程項目四“醫用離心管模具型芯金屬3D 打印”案例源自**小微企業自動化生產線的真實項目，依托全國機械行業數字化設計與增材制造職教集團、省級增材制造協同研發中心和省級增材制造技術教學資源庫等優質資源，開展“任務外置、崗位內置”工學一體化教學模式，采用任務驅動法、分組協作法、情境教學法、參觀法、模擬教學法，將職業規范、勞動教育、工匠精神、勞模精神等融入教學環節中，有效達成課程育人教學目標。

新冠疫情暴發后，涌現出許多企業利用增材制造技術解決了像口罩調節扣、護目鏡、測溫儀等抗疫物資緊缺的問題。2020 年，商務部和科技部將鑄鍛銑一體化金屬3D 打印技術列入《中國禁止出口限制出口技術目錄》[1]。由此可見，增材制造技術對于加快國家工業轉型升級帶來很大的影響。以安徽省高職院校教師教學能力大賽為契機，對增材制造實訓課程進行項目式課改工作，對于培養智能制造應用技術領域高素質技能人才[2]以及持續推進高校專業教學改革具有重要意義。

1 教學整體設計

1.1 教學內容

增材制造實訓課程是工業工程技術專業核心課程，主要培養學生對產品工藝設計、三維數字化設計與數據處理、3D 打印設備操作、產品檢測等方面的綜合實踐能力。課程由“基礎項目—中階項目—競賽項目—高階項目”四個遞進項目組成，教學內容依據學生生源及學情適時調整，高階項目案例選自企業真實生產項目。課程教學設計充分考慮學生學習認知規律，具體教學內容設計如圖1 所示。

本項目引入教學案例“醫用離心管模具型芯金屬3D 打印”。基于金屬打印工作流程和企業崗位職責，課程組將項目教學內容設置為六個任務，讓學生在實崗演練中夯實技能、提升職業素養。

1.2 學情分析

1.2.1 知識與技能分析

授課對象為高職19 級工業工程技術專業大二的學生。結合前三個項目的學習，學生已掌握3D 打印技術的相關基礎知識和技能；能熟練操作FDM、光固化3D 打印設備、三維掃描儀以及UP Studio 3D 打印軟件，能夠利用UG、3D One Plus 三維建模軟件繪制中等復雜零件模型。

1.2.2 認識與實踐能力分析

學生缺少真實企業訂單任務的經驗，對崗位認知有限，質量意識、安全意識相對薄弱。模具隨形水路設計能力和金屬3D 打印設備的操作熟練度還有待提升。

1.2.3 學習特點

學生實踐動手能力較強，但自主學習能力有待提高，對知識總結歸納能力不夠，缺乏知識遷移能力。

1.3 教學目標

依據專業人才培養方案、課程標準、GB/T 35352、39252—2020 增材制造金屬粉末熔融工藝規范、GB/T 33000—2016企業安全生產標準化基本規范、Q/TBKJ 增材制造工藝標準，對接2021 年世界技能大賽“增材制造”項目技能標準規范，參照“1+X”增材制模型設計、增材制造設備操作與維護職業技能等級證書評分標準，制定本項目教學目標。

1.3.1 知識目標

1）掌握選區激光熔化工藝原理；

2）掌握深腔型模具隨形冷卻水路設計方法；

3）掌握模型的數據處理方法；

4）掌握嫁接打印工藝參數設置原則。

1.3.2 能力目標

1）能按照生產要求制定金屬打印工藝流程卡；

2）能按照設備操作規程正確操作金屬3D 打印機；

3）能正確使用表面粗糙度儀等設備檢測產品質量。

1.3.3 素養目標

1）培養安全規范操作的職業行為習慣；

2）樹立良好的創新意識和質量意識；

3）樹立崇尚勞動、尊重勞動的價值觀；

4）培養嚴謹細致、精益求精的工匠精神。

1.4 教學重難點

打印工藝創新度、產品質量控制、操作技能水平不高等是課程實施過程中的主要障礙，確定教學的重難點。

1.4.1 教學重點

1）醫用離心管模具型芯金屬3D 打印的工藝制訂；

2）醫用離心管模具型芯隨形冷卻水路設計；

3）金屬3D 打印設備基板調平、工作臺鋪粉操作技能。

1.4.2 教學難點

1）優化型芯隨形冷卻水路設計方案以提高模具注塑冷卻效果；

2）優化型芯產品3D 打印加工工藝以提高加工效率；

3）產品同軸度檢測與表面質量測量方法。

1.5 教學資源

主教材選用“十三五”國家規劃教材《3D 打印技術》，主要供學生對3D 打印理論知識進行系統學習。

輔助教材選用最新的行業研究指導教材《增材制造設計（DFAM）指南》，作為項目實施過程的技術指導用書。

項目活頁式教材是由課程組與企業專家共同編制校本教材，包含企業實際生產案例、企業行業標準、軟件及設備使用說明等，是項目實施過程的教學指導書。

1.5.2 結構化教學團隊

課程組是一支由全國勞模、技術能手、省技術領軍人才、企業專家等組成的結構化教學團隊，團隊共9 人，如圖2 所示，分工協作開展項目化教學。

圖2 課程團隊組成與分工

1.5.3 實訓硬件教學資源

課程項目教學環境為校企合作共建的生產性實訓基地，實訓基地占地面積約2 000 m2，設備總值3 000 余萬元，是國家級金屬3D 打印校企共建生產性實訓基地、省增材制造技術校企合作實踐教育基地、全國數控技能型緊缺人才培訓基地、省校企共建材料成型工藝與模具設計制造生產性實訓基地，擁有三維數字化設計與創新中心、工藝裝備技術服務中心、機械產品精密檢測中心等，輔助課程硬件教學，如圖3 所示。

圖3 硬件教學資源

1.5.4 信息化教學工具與資源

嵌入式Linux操作系統定制模型如圖2所示，“操作系統功能構件”實線框作為Linux操作系統配置模型的數據輸入，“相關配置文件”實線框作為Linux操作系統配置模型的數據輸出。

模流分析軟件：借助分析軟件可以模擬注塑過程中液體的充填過程、凝固過程和冷卻過程，進而分析得出最佳注塑方案，能清晰地預判到注塑過程中塑件所產生縮孔、縮松、氣孔等凝固缺陷的原因，更好地提高塑件精度和品質。

Magics 模型處理軟件：用于開展快速自動的模型修復、按面放平、模型切割、手動添加和刪減支撐等操作訓練，培養學生對模型修復和切片處理能力。

Simufact Additive 金屬增材制造成形仿真軟件：用于金屬3D 打印的工藝模擬仿真，可預測打印過程的熱變形，還具備模擬從基板切斷部件、去除支撐結構、熱等靜壓（HIP）等工藝過程，培養學生深入研究材料制造加工工藝仿真分析能力。

金屬3D 打印虛擬仿真平臺：用于開展金屬3D打印設備操作的虛擬仿真與測試，打破傳統實驗教學的時空限制，實驗教學更加直觀、形象；豐富了實驗教學內容，實驗教學形式、實驗教學環境得以優化，利于實驗教學各環節順利進行，促進實驗教學目標順利實現。

信息化教學資源：課程團隊建設有增材制造技術省級教學資源庫，包含增材制造技術、增材制造結構優化與仿真、3D 打印設備拆裝與調試、增材制造技術實訓、材料分析與檢驗、三維掃描與逆向建模、增材制造零件后處理工藝、典型零部件增材制造工藝、工業產品數字化設計與測量九門課程教學資源。

校企合作開發的近100 項企業實際生產案例，案例涉及汽車零部件、航空航天、模具及文創等行業。

1.6 教學策略

1.6.1 踐行“三融、三滲”的任務外置、崗位內置工學一體化教學模式（圖4）

圖4 “三融、三滲”工學一體化教學模式

離心管型芯訂單產品需求量大，為了滿足企業生產訂單要求，將任務四離心管模具型芯嫁接打印外移到增材制造企業完成。課程組教學設計過程充分考慮項目內容目標與企業工程標準無縫銜接，實現三個“融合”：項目實踐與課堂學習融合、實訓環境與企業實景融合、課堂控制與企業管理相融合。在綜合化的企業情景中完成實踐教學內容，培養學生嚴謹細致、精益求精的企業崗位意識。

同時，根據學生技術成長與企業需要，把企業崗位放到日常教學中，實現三個“滲透”：企業領域中的專業崗位工作內容滲透于課程任務中，企業領域中的崗位職責要求滲透到課堂教學要求中，把專業領域中的崗位標準與規范滲透到評價體系中。

1.6.2 分組協作學習法

結合學情分析了解學生存在自主學習能力差、責任意識不強、溝通表達能力較弱等突出問題，為增強課堂整體的教學效果，課程組從學生學習心理、學習積極性調動方法等方面設置三種分組方法（圖5）。小組合作學習是轉化“差生”，縮小差異，面向全體，促進和諧發展的有效途徑。

圖5 分組教學法

方法一：“循環報數法”分組

根據教學任務確定每小組成員為五人，將學生分為六組，學生隨機站成一至兩排，按順序從1 ～6循環報數（事先提示大家，務必要高度集中注意力，并且記住自己報出的這個數）。所有報數相同的學生，聚集到一起，形成一個組。同時，組的序列也自動生成了。例如：報數為“1”的，即為第一組……以此類推形成六個小組。

方法二：“前導成績”分組

教師根據相應知識點，調出前導課程成績，并將成績分為五級制，平均到每組，成員有優良中差等級，每個小組推選一位組長，便于合作學習時有組織、有領導。各小組根據項目任務進行合作探究，將探究結果進行展示分享，為了防止出現學生一言堂，會要求每個小組發言時首先必須是學習成績在中下等的學生發言，教師會對優等生提出一些較難的問題供其拓展。

方法三：“競賽學生傳幫帶”分組

以參加專業技能大賽的學生為組長，再根據異質分組挑選組員，為了調動全組學生學習積極性，安排每組剩余組員擔任各子任務的組長。小組組長要利用課余時間通過開放性實驗室對組員進行拓展任務幫扶指導，過程中，教師采用一定的合作學習獎勵辦法，不斷提升教學效果，促進學風建設。

該教學法旨在探索增值評價的方式，具有隨機性和主觀性，目的在于充分調動學生學習積極性、培養學習自信心、提升個人評價，努力提升班級整體教學效果。

1.6.3 “無痕”融入課程思政

如圖6 所示，課程組積極挖掘知識技能點蘊含的思政元素，將勞動教育、工匠精神、勞模精神等融入各技能任務中，培養學生正確的價值觀、崗位意識、質量意識，培育學生執著專注、精益求精、一絲不茍、不畏艱難、勇于創新的工匠精神。

圖6 思政融入

2 教學實施過程

2.1 教學安排

如圖7 所示，根據金屬3D 打印產品真實工作流程，將“離心管模具型芯金屬3D 打印”項目設置為六大教學任務，體現打印工作任務連貫性，選擇課程導入、水路設計、嫁接打印和檢測及驗收四個重點教學環節作為視頻展示。

圖7 16 學時教學安排

2.2 任務設計

本項目的六個任務按照課前自學、課中導學、課后拓展組織教學活動。

課前：根據任務推送學習資源，發布課前測試并在線答疑。

課中：根據項目實施工作流程，完成六個任務目標。以任務四離心管模具型芯嫁接打印為例，教學活動安排如圖8 所示。

圖8 任務四教學實施安排

課后：教師發布教師教學效果問卷調查，學生線上完成問卷調查，并對教師教學模式提出意見。

2.3 教學評價

項目采用“三評”多元化教學評價體系（圖9），課程組設置學習評價、過程評價和結果評價三個體系，將職業技能和素養目標融入過程性評價的核心部分。該評價體系以學生、教師、技能大師、企業專家為評價主體，對教學過程和教學結果進行信息反饋，及時指導教學策略。與采用傳統評價方法的往屆教學班對比，學生的職業技能水平、解決實際問題能力、溝通能力和團隊協作能力有顯著提高。

圖9 “三評”多元化評價體系

3 學生學習效果

基于分組協作學習法將項目三和項目四的階段考核成績進行對比（圖10），使用SPSS 19.0 對學習效果進行統計學分析，采用配對樣本檢驗，將評價內容賦值后比較評價結果。結果顯示項目四在1、4、8、12 等條目的評價顯著，賦值具有統計學意義，一定程度上反映出在探索增值評價過程中，學生實踐綜合能力顯著提升。

圖10 項目三與項目四過程考核數據對比

4 特色創新

4.1 踐行分組協作式實踐學習模式

考慮到分組協作式學習與增材制造實訓課程的契合程度，項目中教師采用不同的分組策略對學生進行異質分組，學生以小組為單位，突出以學生為主體，強調平等性和創新性，營造積極的學習氛圍，努力探索增值評價的方法與途徑。

4.2 “遇、引、踐、育”思政教育貫穿課堂

以醫用離心管模具型芯金屬3D 打印項目的實際工作流程為主線，從遇見3D 打印，到“大國工匠”、勞模的職業信念引領，再到項目任務的實際踐行，培養學生樹立正確勞動觀、就業觀、價值觀，培育精益求精的“大國工匠”精神。

5 反思改進

1）由于高職生源的多樣性，需要積極探索更多有效的體現實際學情的教學分組策略，落實分組協作式實踐教學的體系。

2）“任務外置”和“崗位內置”的教學模式包含崗位、任務、能力三個層面，不僅拓寬了課程教學領域，而且銜接了企業先進技術與先進工藝的發展，提升了學生就業競爭力。

3）積極推進X 證書試點工作，組織學生參與技能等級證書考核，全面推進相關專業教材改革、教法改革以及師資培訓，后續將深化校企合作，逐步推進“1+X”證書標準內容融入課程，以適應3D打印行業的需求。