3D打印在計算機輔助產品設計教學中的應用與實踐

袁加奇，酈銀花，王長林，張亮

（江蘇開放大學 信息工程學院，江蘇南京 210036）

2021 年12 月，工業和信息化部等八部門聯合印發了《“十四五”智能制造發展規劃》，明確了智能制造是制造強國建設的主攻方向。當前，以信息技術與制造技術深度融合為特征的智能制造模式，正在引發整個制造業的深刻變革。作為制造業具有代表性的技術，3D 打印正逐步成為世界各國搶占未來產業制高點的焦點領域[1-3]。計算機輔助產品設計是面向高職機電一體化技術專業的專業實踐課，對接機械行業產品設計工程師崗位要求，課程團隊依托職業技能證書、專業技能競賽、企業實踐，以項目為載體開展“課證融通、賽教融合、校企合作”的課程改革[4-8]。建立“德、智、技、美、勞”五維教學評價體系，全程融入弘揚中華優秀傳統文化、制造強國、工匠精神、創新思維的課程思政教育，全面提升學生的綜合能力素養。計算機輔助產品設計利用三維建模軟件（Solidworks）完成產品的設計、實體造型等任務[9-14]。結合3D 打印技術制作產品模型，旨在提高學生空間思維、創新能力以及實踐能力，培養學生良好的團隊合作精神、嚴謹的工作作風和敬業愛崗的工作態度。

1 課程整體設計

1.1 圍繞崗位能力重構教學內容體系

隨著信息時代的發展，計算機輔助產品設計的方法也不斷更新迭代。根據課程標準，計算機輔助產品設計課程的教學內容將三維建模的教學內容與3D 打印技術相結合，教學設計共分為4 個項目，分別是3D 打印賦能非遺、榫卯結構三維設計、榫卯結構裝配設計、3D 打印與創新設計（見圖1），通過融入榫卯結構、3D 打印技術等，讓學生了解從設計到建模再到制造的全過程。

圖1 教學設計內容

1.2 關注個性化發展，精準分析學情特點

教師通過調查分析，多維度把握學生學習情況，既考慮個體特征，也考慮全局學情分布。計算機輔助產品設計課程授課對象是機電一體化技術專業一年級（第二學期）學生，該階段學生對專業基礎知識有一定的儲備，具備一定的創新思維能力和動手操作能力。在課程初期階段，學生已經學習了機械制圖的基礎知識，能夠繪制和識讀機械圖紙，也已經學習利用AutoCAD 軟件繪制二維平面圖，對三維建模有初步認知，但沒有系統學習三維建模的流程，對3D 打印的應用場景不夠了解。根據調查分析，大部分學生屬于動覺型學生，對理論內容缺少學習興趣，更喜歡實踐操作的學習內容。

1.3 對標學情分析確定三維教學目標

根據學情分析，結合課程標準、人才培養方案、行業規范和相關職業技能證書考核標準，圍繞計算機輔助產品設計課程的教學內容，確定了知識、技能、素質三維教學目標（見圖2）。其中，掌握三維建模的基本步驟、模型處理以及3D 打印的基本操作流程為教學重點，幫助學生完成產品的分析、設計是教學難點。

1.4 深化虛實結合，打造立體教學資源

課程建立立體化教學資源庫，做到線上線下混合、虛實結合，從多維度、多層次滿足學生的學習需求，為混合式教學、翻轉課堂、課堂教學和實踐訓練提供豐富的教學資源。

（1）教師針對課程內容推薦“學習強國”中的相關學習篇目，通過對行業動態、熱點新聞、政策法規等的解讀，聯系時代發展和社會生活，培養學生在學習專業知識的同時養成關注時政熱點的習慣，將思想政治教育有效融入課程。

（2）基于超星學習平臺，為課前導學、課堂實戰、課后拓展提供多種便于互動討論和學習交流的方式，實現翻轉課堂。教師為學生提供學習視頻、講義、動畫、學習動態等數據，并在教學過程中動態調整。

（3）通過三維建模軟件（Solidworks）完成產品的三維數字化建模，讓學生感受到產品設計建模的過程。

（4）利用3D 打印操作軟件，對三維模型進行切片處理及模型輸出，使學生增強對3D 打印概念的了解，并提出處理方案。

（5）利用3D 打印設備制造產品，實現創意設計到個性化實物制作一體化，達到培養學生團隊協作、創新實踐等專業核心能力的目的，進而為學生走向工作崗位奠定堅實基礎。

1.5 聚焦能力提升，實施多元教學方法

（1）情境教學法：通過產品設計的應用場景創設現實情境，分步驟完成學習任務，貼近學生實際需求，增強學生直觀認識和學習沉浸感。在實踐訓練環節，以企業真實任務為引領，模擬實際應用場景，培養學生的實踐能力和職業規范。

（2）任務驅動法：將整體任務分為三個階段，學生層層深入、步步進階地完成學習任務，減輕學生學習過程中的思想負擔，提高學生學習效率，增強學生的成就感。

（3）自主探究法：為學生提供課程知識學習的網絡資源，學生在教師的引導下進行信息檢索，自主探究，合作完成任務。

（4）互動討論法：教師提前給每組學生發放任務書，引導學生通過“自主探索→小組交流→獲得反饋→總結評價→動手實踐”等環節達到項目目標，讓學生學會自主學習、多向交流，鍛煉學生語言表達能力，活躍課堂氣氛。

2 教學實施過程

2.1 融入課程思政，全方位塑造職業素養

在教學過程中，教師通過對行業動態、熱點新聞、政策法規等的解讀，培養學生在學習專業知識的同時養成關注時政的習慣，將思想政治教育有效融入課程教學。

（1）在教學過程中引入中國非物質文化遺產——榫卯結構，弘揚中華優秀傳統文化，培養學生的家國情懷和工匠精神。

（2）融入極美南京·人物——微縮榫卯，指尖上的非遺傳承，南京微型榫卯結構木作傳承人陳和生，為學生樹立學習榜樣，弘揚中華優秀傳統文化，使學生樹立終身學習的理念，培養學生創新精神和工匠精神。

（3）在教學過程中融入大國工匠——中國電子科技集團公司第十四研究所數控車高級技師胡勝的事跡，胡勝等幕后工匠的精心雕刻，讓中國“千里眼”俯瞰全球。讓學生樹立智能制造、制造強國的信念，培養學生精益求精的工匠精神。

（4）通過融入“冰墩墩”“雪容融”“冬奧會火炬”等現代元素，使學生了解奧運會上火炬內外飄帶都是通過3D 打印鋁合金加上后處理制作而成，弘揚中華優秀傳統文化，增強學生的民族自信心和創新精神。

2.2 項目驅動，全過程貫穿職業技能

教學過程以指導學生完成一個個具體、具有實際應用價值的項目為目標，把教學內容巧妙地隱含在每一個項目中，讓學生自己提出問題，并經過思考與教師指導，自己解決問題，大膽創新。學生在完成任務的同時，培養專業技術能力、創新意識以及自主學習習慣，學會如何發現問題、思考問題、尋找解決問題的方法。

2.2.1 結合學生學習特點和專業內容，精心設計項目

以榫卯結構為案例，講解拉伸、旋轉、切割、掃描等基本操作，并完成榫卯結構的裝配過程。以具有中國特點的古樓結構、北京冬奧會吉祥物“冰墩墩”“雪容融”“冬奧會火炬”為案例，學習過程循序漸進，案例生動形象，既與中華優秀傳統文化融合，又緊隨現代社會發展，同時也可以激發學生學習興趣和專業學習的熱情。

2.2.2 項目驅動遞進式課堂

在教學中，各項目按照知識和技能的復雜程度漸進式設計，各項目子任務按照“認知、探究、設計、制造”遞進式的模式設計，知識點和技能點銜接緊密、循序漸進。教師在課前任務、課程導入、情境創設、概念認識、原理探究、任務實踐等環節創設情境、以問題驅動，以學生為中心，啟發學生主動思考、探究，分析問題、解決問題，并形成初步解決方案（見圖3）。

圖3 “項目驅動型”教學模式

圖3 三維教學目標

2.2.3 信息技術融合創新，多元方法活學活用

在教學實施中，合理運用多元化信息技術輔助教學，集合超星學習平臺、建模與仿真軟件平臺完成課程教學，在此基礎上，綜合運用動畫、視頻等，提高實踐教學效果，培養學生現代化信息管理思維和能力，提升其職業發展和遷移能力以及終身學習能力。

課前，學生從學習平臺接收任務，通過觀看相關視頻、查閱資料、小組討論等方式完成課前任務；課中，利用三維建模軟件、3D 打印處理軟件、視頻、動畫等展示教學重點和難點內容，運用頭腦風暴方法，開展小組討論、互動交流、匯報點評等方式，使學生加深對學習內容的理解；課后，學生登錄學習平臺完成任務和成果上傳。教師通過學習平臺查看學生學習成果和數據統計，分析總結學生在教學環節中的參與情況。

2.2.4 教學流程

具體教學流程如圖4 所示。

圖4 教學流程

2.3 “多維評價”，全流程評價教學效果

課程建立多維評價機制，從德、智、技、美、勞五個方面對學生進行評價。其中，德：道德品質占比為10%，包括思想素質和社會責任感。智：學習表現占比為50%，分為課前導學、課堂表現、課后拓展三個階段，線上、線下兩個場景。課前自學和課后拓展的考核評價均在線上完成，課前自學包括完成課前學習和測試，課后拓展包括完成課后作業及任務等。課堂教學評價一般在線下完成，包括考勤簽到、課堂表現、隨堂測試、項目完成、匯報展示、團隊協作、操作規范等。同時，還形成小組自評、小組互評、教師點評、師生互評的多維評價模式。技：操作技能占比為20%，包括技能水平、操作規范和操作安全。美：職業素養占比為10%，包括團隊精神和職業發展。勞：勞動創造占比為10%，包括工匠精神和勞動素養。

3 教學成效

3.1 任務驅動，使學生獲得扎實專業技能

通過課程的設計與實施，學生對于計算機輔助產品設計的過程及3D 打印基本流程有了新的認識和理解，創設任務驅動型的課堂教學，使學生在學習新知識、新技能的同時，通過動手實踐達到理論與實踐相結合、學以致用的教學目的。將課程的內容與專業職業技能證書相結合，讓學生在學習新知識的過程中獲得相應的職業技能證書，為今后的職業發展奠定基礎。班級學生參加三維建模、3D 打印技術等職業技能證書考試，考核通過率達90%以上，參加“高教杯”全國大學生先進成圖技術與產品信息建模創新大賽獲獎10 余項。

3.2 引入項目情境，激發學生學習興趣

在引入項目情境時，與中華優秀傳統文化、民族特色相結合，激發學生的學習興趣，學生學習的主動性和動手能力明顯提升，職業規范意識顯著增強，明確意識到新時代高素質技能型人才應具備的專業技術能力和職業素養，為今后更好地融入專業崗位奠定基礎。

3.3 借助校企融合，使學生能力強化提升

教學團隊通過走訪企業、院校，主持修訂專業人才培養方案，修訂課程標準，注重學生學習成果反饋，及時調整和優化教學過程，做到常態化糾偏。在教學改革過程中提高了團隊成員的教學能力和水平，積累了寶貴的在線課程建設和教學經驗，有效提升了專業水平和創新素養。院校與多家企業簽訂實習協議，為學生提供實習崗位，提升學生專業實踐能力。

4 特色與創新

4.1 創新教學形式，以任務驅動促進技能培養

充分利用學習平臺、教學資源等，在教學內容中結合最新的3D 打印技術，讓學生學以致用，對所學內容有直觀的認識，激發學生的學習興趣。采用情景創設、項目導入、任務驅動方式，以任務為主線，以學生為主體，以教師為主導，創設以學定教、學生主動參與、團隊協作探究的學習模式。教學過程層層遞進，包含教學準備、課堂導入、創設情境、概念認知、講解示范、發布任務、實踐活動、課中指導、小組交流、教學小結、評價反思等環節，考核從德、智、技、美、勞五個方面對學生進行綜合評價。

4.2 傳承中華優秀傳統文化，課程思政融入實踐活動

教學過程圍繞中國非遺榫卯結構的三維模型結合3D 打印制作的技術，融入大國工匠、非遺傳承人等思政元素，弘揚中華優秀傳統文化，使學生樹立終身學習的理念，培養學生精益求精的工匠精神和創新思維，增強學生的社會責任感。

5 反思與改進

5.1 完善信息技術，改進專業學習方式

隨著計算機技術和智能制造技術的發展，智能制造將融合更多新技術，如機器人、信息通信技術、人工智能、大數據等技術，在未來的課程改革中，教師可將虛擬現實技術、計算機視覺和可穿戴設備等引入課堂，讓學生感受智能制造技術發展所帶來的制造業變革，更直觀地體會產品的設計、制造過程；校企深度融合，學生實際參與智能制造的全過程；可采用信息化技術，輔助診斷教學行為，并持續改進。

5.2 持續深化校企合作，提高整體教學質量

持續關注和思考計算輔助制造技術與不同學科、不同專業的交叉融合，深化校企合作，深化課程團隊與企業的合作，開發教學資源和數據庫，實現知識的串聯和延展，關注學生的專業方向和職業發展，為學生專業實踐能力培養提供有效的驅動力。

5.3 關注學生職業發展，滿足學生個性化學習需求

關注和思考學生的專業發展和職業發展，考慮不同專業、學科的交叉融合，拓寬學生的學習領域和職業發展渠道，為學生專業能力和專業技能培養注入創新驅動力。因材施教，一生一策，滿足學生的個性化學習需求。

6 結束語

本文針對計算機輔助產品設計課程中的部分教學內容進行教學設計，從教學內容的整體設計、教學實施過程、教學成效、特色與創新、反思與改進5 個方面進行闡述，將三維建模與3D 打印技術相結合，開展“認知、探究、設計、制造”遞進式的教學模式，并在教學過程中融入制造強國、工匠精神、創新思維、職業素養、團隊協作等課程思政，旨在提升學生的專業素養，為其今后的職業發展奠定基礎。