基于新職業標準的3D 打印與逆向工程實訓教學探索*

王鳳梅

鄭州工程技術學院工程訓練中心 鄭州 450000

0 引言

3D 打印又稱增材制造，是以三維模型數據為基礎，通過材料堆積的方式制造零件或實物的新興制造技術，將對傳統的工藝流程、生產線、工廠模式、產業鏈組合產生深遠的影響。逆向工程是對產品實物進行測量、擬合、編輯和重構等一系列分析方法和應用技術，即從實物原型→數字化實物三維原型→三維原型建?！鷦撔略O計的三維模型→創新實物的過程[1-2]。3D 打印與逆向工程的結合在機械制造、生物醫療、航空航天、文物保護等領域得到越來越多的應用。

隨著3D 打印與逆向工程技術在各行各業的廣泛應用，社會對掌握先進制造技術的需求日益增大，需要高校畢業生通過自身掌握的先進技術手段為企業帶來更多的效益，創造更大的價值。人社部于2021 年底發布了《增材制造設備操作員國家職業技能標準》，規定了增材制造設備操作員這類新職業不同等級的基本要求、技能要求及權重[3]。為了能夠滿足社會需求，在工程訓練中積極開展3D 打印與逆向工程項目，根據新職業國家標準和各專業人才培養計劃的要求，將工程訓練3D 打印與逆向工程項目不斷優化創新，建立3D 打印與逆向工程項目實訓的新方法，以此滿足新工科人才培養的新需求[4]。

為適應社會需求并滿足新職業國家標準的要求，讓學生通過工程訓練3D 打印與逆向工程課程更好地了解先進制造所涉及的新技術、新工藝、新材料，鄭州工程技術學院工程訓練中心開設3D 打印與逆向工程實訓課程，主要面向機械類、土木類、化工類、電子類等專業。此課程教學的主要目的是通過理論講授和實踐操作相結合，能夠讓學生了解先進制造技術的原理、工藝和方法，基本掌握3D 打印與逆向工程技術，提升綜合能力，從而滿足企業對大學生在工程技術知識領域的要求，充分發揮工程訓練作為理論聯系實際的橋梁與紐帶作用，培養學生先進的工程意識，全面提高學生的工程素養[5-7]。

1 教學軟硬件建設

1.1 教學大綱

根據《增材制造設備操作員國家職業技能標準》，結合鄭州工程技術學院專業人才培養方案及實際情況，將“課證融合”的新型教學模式融入教學中，確定不同專業工程訓練3D 打印和逆向工程教學方案，再擬定教學大綱。因此，工程訓練中心設置三層次階梯形教學大綱，即五級技能型—四級技能型—三級技能型[3]，具體大綱如表1 所示。

表1 教學大綱

1.2 教材

為配合工程訓練中心加強先進制造技術的工程訓練教學內容，并結合高等工科院校工程訓練教學改革的實際需要，工程訓練中心正在編寫符合鄭州工程技術學院特色的現代工程訓練教程，有助于提高學生的工程實踐能力。編寫該教材的理念要求為精選內容、注重實際訓練、講求實用、最好圖文并茂、方便學生自學[8-10]。編寫過程中力求文字簡潔，注重知識的系統性和科學性。該教材的編寫對3D 打印和逆向工程教學具有非常重要的作用。

1.3 實訓指導書

根據《增材制造設備操作員國家職業技能標準》職業守則“嚴謹規范、愛護設備、安全操作、團隊協作”等要求，工程訓練中心編寫并出版了工程訓練指導書，可幫助學生在有限的時間內系統有效地掌握關于3D 打印與逆向工程教學的安全操作規程和基本操作步驟，提高學生在操作過程中的準確性和安全性，保障教學的順利開展。

1.4 硬件設施

工程訓練中心為3D 打印與逆向工程實訓課程配備了充足的訓練場地和硬件設施，實驗室占地面積達300 m2，包括桌面級3D 打印機20 臺、工業級3D 打印機5 臺、三維掃描儀14 臺、計算機40 臺、三維軟件40 個節點等。以上設備全部投入3D 打印與逆向工程項目教學，能夠保證演示教學和學生實際操作的需要。

1.5 師資隊伍

為了保障3D打印與逆向工程課程的教學質量，工程訓練中心配備比較穩定的、專業對口的、多層次的實訓教師，以教學資歷深、經驗豐富、“雙師型”的高級職稱的教師作為3D 打印實訓方向的專業帶頭人，以接受新技術、新工藝能力較強的碩士研究生學歷人員和具有高級技師職業資格的技能型人才作為實訓指導教師。實訓教師必須具備3D 打印和逆向工程技術的理論知識和實操能力，保障實訓的有序進行。

2 教學過程實施

根據教學大綱的要求，秉承鄭州工程技術學院“修德、敏學、篤行、拓新”的思想，教學過程遵循學生的認知規律，循序漸進地對3D 打印與逆向工程項目進行規范化設計，逐層深入地進行實訓教學。

2.1 五級技能型課程

五級技能型3D 打印課程教學以講授、演示教學法為切入點，指導學生進行3D 打印的簡單操作。首先，教師利用多媒體教學講解3D 打印技術的概念、發展歷史，介紹幾種典型的成型工藝：熔融沉積成型（FDM）、光固化成型（SLA）、數字光處理（DLP）、聚合物噴射成型（PolyJet）、選區激光熔化成型（SLM）、選區激光燒結成型（SLS）等。再舉例說明3D 打印的應用領域。結合動畫、視頻和打印的實物直觀形象地進行講解，學生更易于接受。

在學生了解關于3D 打印的基本知識后，帶領學生參觀相關實驗室，觀摩不同的3D 打印設備、制造過程及產品實物，促進學生和教師互動，鼓勵學生多提問題并討論。

學生通過互聯網搜索簡單的STL 三維模型，在教師的指導下進行切片處理及參數設置，導入打印機進行打印操作，打印完成進行后處理操作。

2.2 四級技能型課程

四級技能型3D 打印課程主要采用項目化教學模式，帶領學生學習基礎理論知識，培養學生的動手能力，通過完成一系列的項目來學習和掌握3D打印與逆向工程四級技能型人才所需的知識和技能。教師明確設計任務和要求后，學生積極發揮主動性和團隊協作精神，要求學生主要掌握這幾個方面的技能：簡單零件（如曾比較火的冰墩墩產品）外觀各面的三維掃描、點云處理及后處理操作，提交經過處理后的STL 格式文件；根據數字模型進行切片軟件的優化操作、3D 打印成型加工，并對制件進行基本的后處理，提交打印產品。

2.3 三級技能型課程

三級技能型3D 打印課程的教學模式同樣采用項目化教學，在學生學習和了解3D 打印與逆向工程技術的基礎上，要求學生綜合運用三維掃描和3D 打印技術，完成對選定產品（如手機共鳴音箱、后視鏡外殼、葉輪、鼠標、鞋子、兔子玩具擺件等）的逆向加工[11-12]。要求學生掌握以下幾個方面的技能。

2.3.1 產品三維數據采集

學生使用三維掃描設備，高精度完成對選定產品外觀各面的三維掃描，并對獲得的點云數據進行除雜、降噪、平滑、填補等操作，提交經過處理后的STL 格式文件。

2.3.2 三維逆向建模

學生使用Geomagic 軟件對選定產品的掃描數據進行三維建模，要求整體外觀嚴格按照實際情況完成，大面拆分合理，公差范圍內盡量光順，產品造型特征線保持美觀。

2.3.3 產品3D 打印與后處理

根據以上完成的三維數字模型，結合實驗室提供的3D 打印設備和配套的切片軟件、加工耗材等條件，進行產品的3D 打印成型加工。向3D 打印設備輸入數據模型，按照設備操作指導書進行打印，打印制作完成后，去除產品的支撐材料，對產品的表面進行打磨、修補等處理，最后提交打印完成的產品。

2.4 工程勞動素養

學生在操作過程中要做到耗材工具正確使用、保證現場的安全及衛生、團隊協作的配合度高、完成任務的計劃性和條理性強、遇到問題時具備一定的應對能力。

3 評分標準

考核與3D打印項目教學的過程化管理相結合，此項目的最終評分采用百分制，其中，技能操作占70 分，實訓紀律占20 分，工程素養占10 分；如果有創新設計的加入，還會得到額外的獎勵分。評分分布如圖1 所示。其中，實訓紀律：聽從教師指導，遵守紀律，得20 分；不聽從教師指導，遲到或早退2 次累計，扣20 分；嚴重違反實訓紀律，導致安全事故，嚴肅處理。工程素養：耗材工具擺放整齊得5 分；設備干凈、場地整潔得5 分。同時，針對不同等級的技能型課程的學生，在技能操作分值的具體分配上稍有不同，具體評分標準如表2 所示。

圖1 評分分布

表2 評分標準

4 結束語

面向3D 打印與逆向工程在教育行業應用的關鍵性問題，本文針對新職業國家技能標準改進相對應的實訓教學課程，引入“課證融合”的教學觀念，符合應用型本科人才培養的特色。之后，繼續深入探討3D 打印與逆向工程實訓課程的創新開發，不斷改進教學內容，提高實訓質量。