基于第二课堂的“数字化设计与3D打印”课程建设

蒋三生

（北京农业职业学院，北京 102208）

“中国制造2025”要求制造业数字化网络化取得明显进展，数字化研发设计工具在企业得到广泛应用；要求智能制造的核心技术不断提升和完善。例如，数字化设计与制造技术、增材制造技术（3D打印）等。《教育部关于深化职业教育教学改革全面提高人才培养质量的若干意见》 （教职成[2015]6号）中强调：坚持工学结合、知行合一；注重教育与生产劳动、社会实践相结合，校内与校外相结合，突出做中学、做中教，强化教育教学实践性和职业性，促进学以致用、用以促学、学用相长。

通过对全国范围内高等职业院校机械制造类传统专业的教学改革和人才培养情况调研，要使学校培养的毕业生能够满足科技和经济发展的需要，必需在原有的专业课程体系中注入新的内容[1-2]，以保证毕业生从业后具备可持续发展的后劲。“数字化设计与3D打印”课程就是基于上述背景，围绕数字化设计与制造、增材制造（3D打印）两大核心技术新开发的课程。目前，国内大部分工科院校的机械制造类专业都开设有与数字化设计或3D打印技术相关的新课程。特别是近年来全国高等职业院校技能大赛“工业产品数字化设计与制造”“模具数字化设计与制造工艺”等项目的设立，极大地促进了各高等职业院校“数字化设计与3D打印”课程的建设与发展。

针对高职院校“数字化设计与3D打印”课程的建设和培养目标方面，在国内并没有统一的标准，因此针对该课程进行标准化建设具有十分重要的意义。同时，由于该课程主要培养学生应用数字化技术与3D打印技术进行工业产品的三维造型设计和增材制造成型等专业核心能力，对于学生的能力要求比较高，而仅仅依靠常规的课堂教学远远不够，需要通过第二课堂的教学形式进行拓展培养。以北京农业职业学院“数字化设计与3D打印”课程的标准建设和第二课堂建设为例，通过课程设计和能力目标分析，探索和实践了几种拓展学生专业及职业能力的方法，以期解决常规课程总学时少、难以达到高水平培养的问题。

1 课程标准建设

1.1 课程定位

课程是三年制数控技术高职专业的一门专业核心课程，属于理实一体化课程，在第4个学期开设，是工业产品设计与制造行业相关岗位的一项重要专业技能。其先导课程为“机械制图与计算机绘图”“机械设计基础”，后续课程为“计算机辅助产品设计制造综合实训”。

1.2 课程设计思路

采用项目案例教学法，以工业产品的数字化设计和3D打印为目标，以学生活动为中心，通过任务驱动的方式，让学生在教师的引导下完成“接受任务-研究任务-寻求帮组-完成任务-任务评价”等教学活动，并在此过程中学习和掌握相关的专业理论知识和操作技能。

1.3 课程目标

教学目标分为知识目标、技能目标和素养目标3个部分。

（1）知识目标。了解3D打印和逆向工程的基本理论知识、熟悉3D打印机的使用与维护常识、熟悉三维扫描仪的使用与维护常识、掌握点云数据的采集与处理方法、掌握工业产品的逆向建模与创新设计方法。

（2）技能目标。熟练掌握FDM（熔融沉积成型）3D打印机的使用技巧和维护方法，熟练掌握三维扫描仪的安装、调整、操作和维护技能，熟练使用Geomagic Studio三维软件对采集的产品表面点云数据进行优化处理，熟练使用Geomagic Design三维软件对处理好的产品面片文件进行曲面重构和三维造型，会使用Geomagic Design三维软件对重构后的产品模型进行创新设计。

（3）素养目标。培养学生分析问题和思考问题的能力，培养学生按时完成任务的职业习惯，培养学生团队合作的精神，培养学生总结经验和自我展示的能力，培养学生创新设计的能力。

1.4 课程内容设计

在国家大力发展数字化产品及数字产业的政策指导下，课程紧跟行业发展趋势和特点，充分调研企业对于数字化设计与制造能力的高技能人才需求现状，基于产业发展的现实需要来设计教学内容及其项目载体。该课程的教学内容及项目侧重学生对于工业产品的逆向设计能力的培养，侧重学生对机械基础知识的综合应用，培养学生的创新和创业能力。

课程内容的设计要点包括打破传统教学中的独立课程体系，围绕“工业产品的数字化设计”这条主线，将数字化测量与数据处理、计算机辅助设计、产品结构设计与造型、模具设计、3D打印等相关技术融合成正向设计、逆向设计和创新设计于一体化的新职业课程[3]。教学项目的设计充分考虑学生的学习兴趣，通过循序渐进的过程，让学生在若干个教学项目的实施过程中，逐步掌握该课程涉及的专业知识和技能[4-5]。

教学项目涵盖了“机械制图与CAD”“机械产品设计基础”“技术测量与公差”等课程知识的系统应用，追踪行业发展的新趋势、新技术和新工艺，紧密结合全国职业院校技能大赛相关赛项的命题思路，针对工程应用和实践，突出工学结合特色，形成职业化的训练课程内容。合计52个学时。

“数字化设计与3D打印”教学项目设计见表1。

1.5 考核方法

采用多种形式进行考核，以阶段性项目实践考核和终结性考核为主，作业、笔记和素养等均纳入课程考核的因素中。

表1 “数字化设计与3D打印”教学项目设计

续表1

“数字化设计与3D打印”考核方案见表2。

表2 “数字化设计与3D打印”考核方案

2 基于第二课堂的课程建设

2.1 课程目标能力要求与分析

“数字化设计与3D打印”课程主要培养学生在产品造型与建模、3D打印成型、综合素养等方面的专业和职业能力。具体包括收集分析产品资料、产品正向设计、产品逆向数据采集与处理、三维逆向建模、3D打印模型准备、快速成型分析与准备、模型输出与后处理等专业能力，以及产品设计的直观性、功能性、市场性、经济性和创造性等职业能力。

要想培养学生具备扎实的上述专业和职业能力，仅靠52个学时的常规课堂教学是远远不够的，需要通过开展第二课堂的途径和方法来拓展和提升学生的专业技能和职业素养，而科技社团活动、技能大赛和社会实践则是高校常用的3种拓展手段，并在历年的实践过程中得到了检验和证明。

2.2 基于科技社团活动的项目建设

科技社团作为锻炼大学生科技能力的一个重要平台，不仅丰富了他们的业余生活，还对拓展他们的专业知识和技能意义重大[6]。该课程仅52学时，对于学生学习课程所涉及到的专业知识方面，只能起到引导和入门的作用，要想提升学生的三维数字化设计与3D打印专业核心能力，必须通过其他途径进行补充和拓展，而科技社团活动正好弥补了课时数的不足。

北京农业职业学院“三维建模与3D打印”科技社团创立至今已有3年之久，社团开展的科技活动能充分满足学生自身的个性化发展。在全面贯彻素质教育中，科技社团以学生活动为主体，注重学生在“数字化设计与3D打印”方面的科技兴趣与爱好的养成；通过拓展活动来挖掘学生的创新、创造天赋和自主探究的潜力；通过在科技社团实践活动中制定方向性任务，加强学生的特长培养和实用技能的培养；同时，通过教师的定期指导，社团成员的分组合作和互相竞技等方式，也能确保社团探究活动得到有效实践，并从基础向深层次逐渐上升，锤炼学生的精神品质。

“三维建模与3D打印”社团活动部分项目见表3。

表3 “三维建模与3D打印”社团活动部分项目

表3列出了北京农业职业学院“三维建模与3D打印”科技社团的部分活动项目，该项目紧跟全国职业院校技能大赛相关赛题，紧跟行业发展的动态和前沿，项目综合难度系数高，对于提升学生的专业能力意义重大。

2.3 基于技能大赛的体系建设

技能大赛作为近年来国内外职业技能水平竞技的一个重要平台，越来越受到政府部门和职业院校的重视。特别是有着“技能奥林匹克”之称的世界职业技能大赛的开展，更将职业技能大赛的发展推向了一个新的阶段。北京农业职业学院通过积累历年技能大赛的经验，目前已构建了“院赛-市赛/行业赛-国赛”逐层递进的技能大赛体系。所有技能大赛项目的设立，均以国赛项目的竞技内容为指导，通过院赛选拔，市赛/行业赛锤炼和国赛冲刺几个阶段，有效地提升了学生的技术技能水平。与“三维数字化设计与3D打印”专业能力相关的国赛（高职）项目为“工业产品数字化设计与制造”项目。学院装备制造类专业学生近5年来均以该赛项作为重点参赛项目，通过制定系统科学的参赛计划，让学生在3年的学习生涯中均有机会参加与数字化设计相关的技能竞赛。

“数字化设计与3D打印”相关技能大赛安排见表4。

表4列举了学院学生在校期间（第1学期到第5学期）可以参加的各项赛事。

表4 “数字化设计与3D打印”相关技能大赛安排

通过上述各级职业技能大赛的参与，充分调动了学生的学习兴趣和积极性，挖掘了他们的内在动力，营造了“比、学、赶、帮、超”的学习氛围。历年的参赛结果说明，技能大赛不仅能有效拓展学生的专业能力，更能培养学生对于奋斗目标的执着和追求，并锤炼学生的精神和意志品质，让他们毕业后更好地适应企业文化和工作氛围。

2.4 基于校企合作的机制建设

社会实践是高校开展思想政治教育的重要手段之一[7]，是指学生在学校的统筹组织、设计和安排下，进入企业参与实践活动。其主要目的是检验学生在校期间的学习成果，并增强学生与社会的联系，寻找与企业存在的差距。在社会实践中，学生不仅可以了解行业的发展动态，还能巩固和拓展自己的专业能力。

近年来，北京农业职业学院数控技术专业不断向“数字化设计与制造”方向转型和发展，并围绕“数字工匠”和“数字工坊”2个项目，与北京昆仑三迪科技发展有限公司签订了校企合作协议。该项目核心内容包括：①共建“数字工坊”和“数字工匠示范基地”，以国内外市场需求为向导，重点培养掌握三维数字化技术的应用人才；②企方每年培训校方一定数量的三维数字化设计相关专业教师和学生达到国内行业先进水平；③企方负责校方的三维数字化相关项目的技术支持与协作，双方共同开发产教合作项目；④校方可选派部分学生参加由企方组织的“全国3D大赛获奖选手暑期游学营”学习活动。

基于上述校企合作机制，学院学生通过假期社会实践活动进入到该企业进行学习，不仅学到了三维数字化设计方面的专业技术能力，更拓宽了知识面；还通过暑假“全国3D大赛获奖选手暑期游学营”的活动与国内其他高校的优秀学生进行互动交流和学习，通过完成企业安排的工作任务，找出自身能力的不足，并激发自己的学习动力。

3 结语

随着“数字化设计与3D打印”课程在职业院校机械、数控类专业的逐步开展，有必要制定相应的课程标准，以达到标准化人才培养的目的。由于该课程重点培养学生对工业产品进行数字化设计和3D打印成型等专业核心能力，对于学生的综合能力要求比较高，依靠常规的课堂教学难以满足高水平培养的目标，需要对第二课堂的培养形式进行探索和实践。北京农业职业学院“数字化设计与3D打印”课程建设经验表明，围绕课程的能力培养目标，通过创建科技社团并开展相关活动，构建“院赛-市赛/行业赛-国赛”逐层递进的技能大赛体系，与校企合作单位建立培养机制等手段和方法，以第二课堂的形式不断完善该课程的内涵建设，对于课程资源建设和专业人才培养等方面都具有重要的意义。