程婷婷 孫偉

安徽機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 安徽蕪湖 241000

0 引言

中國制造正逐漸向中國“智造”轉(zhuǎn)型，增材制造作為《中國制造2025》代表性的新興技術(shù)，是制造業(yè)數(shù)字化大趨勢的重要部分?！对霾闹圃鞂嵱?xùn)》課程項目四“醫(yī)用離心管模具型芯金屬3D 打印”案例源自**小微企業(yè)自動化生產(chǎn)線的真實項目，依托全國機械行業(yè)數(shù)字化設(shè)計與增材制造職教集團、省級增材制造協(xié)同研發(fā)中心和省級增材制造技術(shù)教學(xué)資源庫等優(yōu)質(zhì)資源，開展“任務(wù)外置、崗位內(nèi)置”工學(xué)一體化教學(xué)模式，采用任務(wù)驅(qū)動法、分組協(xié)作法、情境教學(xué)法、參觀法、模擬教學(xué)法，將職業(yè)規(guī)范、勞動教育、工匠精神、勞模精神等融入教學(xué)環(huán)節(jié)中，有效達成課程育人教學(xué)目標(biāo)。

新冠疫情暴發(fā)后，涌現(xiàn)出許多企業(yè)利用增材制造技術(shù)解決了像口罩調(diào)節(jié)扣、護目鏡、測溫儀等抗疫物資緊缺的問題。2020 年，商務(wù)部和科技部將鑄鍛銑一體化金屬3D 打印技術(shù)列入《中國禁止出口限制出口技術(shù)目錄》[1]。由此可見，增材制造技術(shù)對于加快國家工業(yè)轉(zhuǎn)型升級帶來很大的影響。以安徽省高職院校教師教學(xué)能力大賽為契機，對增材制造實訓(xùn)課程進行項目式課改工作，對于培養(yǎng)智能制造應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域高素質(zhì)技能人才[2]以及持續(xù)推進高校專業(yè)教學(xué)改革具有重要意義。

1 教學(xué)整體設(shè)計

1.1 教學(xué)內(nèi)容

增材制造實訓(xùn)課程是工業(yè)工程技術(shù)專業(yè)核心課程，主要培養(yǎng)學(xué)生對產(chǎn)品工藝設(shè)計、三維數(shù)字化設(shè)計與數(shù)據(jù)處理、3D 打印設(shè)備操作、產(chǎn)品檢測等方面的綜合實踐能力。課程由“基礎(chǔ)項目—中階項目—競賽項目—高階項目”四個遞進項目組成，教學(xué)內(nèi)容依據(jù)學(xué)生生源及學(xué)情適時調(diào)整，高階項目案例選自企業(yè)真實生產(chǎn)項目。課程教學(xué)設(shè)計充分考慮學(xué)生學(xué)習(xí)認(rèn)知規(guī)律，具體教學(xué)內(nèi)容設(shè)計如圖1 所示。

本項目引入教學(xué)案例“醫(yī)用離心管模具型芯金屬3D 打印”?；诮饘俅蛴」ぷ髁鞒毯推髽I(yè)崗位職責(zé)，課程組將項目教學(xué)內(nèi)容設(shè)置為六個任務(wù)，讓學(xué)生在實崗演練中夯實技能、提升職業(yè)素養(yǎng)。

1.2 學(xué)情分析

1.2.1 知識與技能分析

授課對象為高職19 級工業(yè)工程技術(shù)專業(yè)大二的學(xué)生。結(jié)合前三個項目的學(xué)習(xí)，學(xué)生已掌握3D 打印技術(shù)的相關(guān)基礎(chǔ)知識和技能；能熟練操作FDM、光固化3D 打印設(shè)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(fù)雜零件模型。

1.2.2 認(rèn)識與實踐能力分析

學(xué)生缺少真實企業(yè)訂單任務(wù)的經(jīng)驗，對崗位認(rèn)知有限，質(zhì)量意識、安全意識相對薄弱。模具隨形水路設(shè)計能力和金屬3D 打印設(shè)備的操作熟練度還有待提升。

1.2.3 學(xué)習(xí)特點

學(xué)生實踐動手能力較強，但自主學(xué)習(xí)能力有待提高，對知識總結(jié)歸納能力不夠，缺乏知識遷移能力。

1.3 教學(xué)目標(biāo)

依據(jù)專業(yè)人才培養(yǎng)方案、課程標(biāo)準(zhǔn)、GB/T 35352、39252—2020 增材制造金屬粉末熔融工藝規(guī)范、GB/T 33000—2016企業(yè)安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化基本規(guī)范、Q/TBKJ 增材制造工藝標(biāo)準(zhǔn)，對接2021 年世界技能大賽“增材制造”項目技能標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，參照“1+X”增材制模型設(shè)計、增材制造設(shè)備操作與維護職業(yè)技能等級證書評分標(biāo)準(zhǔn)，制定本項目教學(xué)目標(biāo)。

1.3.1 知識目標(biāo)

1）掌握選區(qū)激光熔化工藝原理；

2）掌握深腔型模具隨形冷卻水路設(shè)計方法；

3）掌握模型的數(shù)據(jù)處理方法；

4）掌握嫁接打印工藝參數(shù)設(shè)置原則。

1.3.2 能力目標(biāo)

1）能按照生產(chǎn)要求制定金屬打印工藝流程卡；

2）能按照設(shè)備操作規(guī)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(shè)備檢測產(chǎn)品質(zhì)量。

1.3.3 素養(yǎng)目標(biāo)

1）培養(yǎng)安全規(guī)范操作的職業(yè)行為習(xí)慣；

2）樹立良好的創(chuàng)新意識和質(zhì)量意識；

3）樹立崇尚勞動、尊重勞動的價值觀；

4）培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致、精益求精的工匠精神。

1.4 教學(xué)重難點

打印工藝創(chuàng)新度、產(chǎn)品質(zhì)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(xué)的重難點。

1.4.1 教學(xué)重點

1）醫(yī)用離心管模具型芯金屬3D 打印的工藝制訂；

2）醫(yī)用離心管模具型芯隨形冷卻水路設(shè)計；

3）金屬3D 打印設(shè)備基板調(diào)平、工作臺鋪粉操作技能。

1.4.2 教學(xué)難點

1）優(yōu)化型芯隨形冷卻水路設(shè)計方案以提高模具注塑冷卻效果；

2）優(yōu)化型芯產(chǎn)品3D 打印加工工藝以提高加工效率；

3）產(chǎn)品同軸度檢測與表面質(zhì)量測量方法。

1.5 教學(xué)資源

主教材選用“十三五”國家規(guī)劃教材《3D 打印技術(shù)》，主要供學(xué)生對3D 打印理論知識進行系統(tǒng)學(xué)習(xí)。

輔助教材選用最新的行業(yè)研究指導(dǎo)教材《增材制造設(shè)計（DFAM）指南》，作為項目實施過程的技術(shù)指導(dǎo)用書。

項目活頁式教材是由課程組與企業(yè)專家共同編制校本教材，包含企業(yè)實際生產(chǎn)案例、企業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、軟件及設(shè)備使用說明等，是項目實施過程的教學(xué)指導(dǎo)書。

1.5.2 結(jié)構(gòu)化教學(xué)團隊

課程組是一支由全國勞模、技術(shù)能手、省技術(shù)領(lǐng)軍人才、企業(yè)專家等組成的結(jié)構(gòu)化教學(xué)團隊，團隊共9 人，如圖2 所示，分工協(xié)作開展項目化教學(xué)。

圖2 課程團隊組成與分工

1.5.3 實訓(xùn)硬件教學(xué)資源

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

圖3 硬件教學(xué)資源

1.5.4 信息化教學(xué)工具與資源

嵌入式Linux操作系統(tǒng)定制模型如圖2所示，“操作系統(tǒng)功能構(gòu)件”實線框作為Linux操作系統(tǒng)配置模型的數(shù)據(jù)輸入，“相關(guān)配置文件”實線框作為Linux操作系統(tǒng)配置模型的數(shù)據(jù)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(yù)判到注塑過程中塑件所產(chǎn)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(zhì)。

Magics 模型處理軟件：用于開展快速自動的模型修復(fù)、按面放平、模型切割、手動添加和刪減支撐等操作訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生對模型修復(fù)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(yù)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(jié)構(gòu)、熱等靜壓（HIP）等工藝過程，培養(yǎng)學(xué)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(shè)備操作的虛擬仿真與測試，打破傳統(tǒng)實驗教學(xué)的時空限制，實驗教學(xué)更加直觀、形象；豐富了實驗教學(xué)內(nèi)容，實驗教學(xué)形式、實驗教學(xué)環(huán)境得以優(yōu)化，利于實驗教學(xué)各環(huán)節(jié)順利進行，促進實驗教學(xué)目標(biāo)順利實現(xiàn)。

信息化教學(xué)資源：課程團隊建設(shè)有增材制造技術(shù)省級教學(xué)資源庫，包含增材制造技術(shù)、增材制造結(jié)構(gòu)優(yōu)化與仿真、3D 打印設(shè)備拆裝與調(diào)試、增材制造技術(shù)實訓(xùn)、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(yè)產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計與測量九門課程教學(xué)資源。

校企合作開發(fā)的近100 項企業(yè)實際生產(chǎn)案例，案例涉及汽車零部件、航空航天、模具及文創(chuàng)等行業(yè)。

1.6 教學(xué)策略

1.6.1 踐行“三融、三滲”的任務(wù)外置、崗位內(nèi)置工學(xué)一體化教學(xué)模式（圖4）

圖4 “三融、三滲”工學(xué)一體化教學(xué)模式

離心管型芯訂單產(chǎn)品需求量大，為了滿足企業(yè)生產(chǎn)訂單要求，將任務(wù)四離心管模具型芯嫁接打印外移到增材制造企業(yè)完成。課程組教學(xué)設(shè)計過程充分考慮項目內(nèi)容目標(biāo)與企業(yè)工程標(biāo)準(zhǔn)無縫銜接，實現(xiàn)三個“融合”：項目實踐與課堂學(xué)習(xí)融合、實訓(xùn)環(huán)境與企業(yè)實景融合、課堂控制與企業(yè)管理相融合。在綜合化的企業(yè)情景中完成實踐教學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致、精益求精的企業(yè)崗位意識。

同時，根據(jù)學(xué)生技術(shù)成長與企業(yè)需要，把企業(yè)崗位放到日常教學(xué)中，實現(xiàn)三個“滲透”：企業(yè)領(lǐng)域中的專業(yè)崗位工作內(nèi)容滲透于課程任務(wù)中，企業(yè)領(lǐng)域中的崗位職責(zé)要求滲透到課堂教學(xué)要求中，把專業(yè)領(lǐng)域中的崗位標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范滲透到評價體系中。

1.6.2 分組協(xié)作學(xué)習(xí)法

結(jié)合學(xué)情分析了解學(xué)生存在自主學(xué)習(xí)能力差、責(zé)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(xué)效果，課程組從學(xué)生學(xué)習(xí)心理、學(xué)習(xí)積極性調(diào)動方法等方面設(shè)置三種分組方法（圖5）。小組合作學(xué)習(xí)是轉(zhuǎn)化“差生”，縮小差異，面向全體，促進和諧發(fā)展的有效途徑。

圖5 分組教學(xué)法

方法一：“循環(huán)報數(shù)法”分組

根據(jù)教學(xué)任務(wù)確定每小組成員為五人，將學(xué)生分為六組，學(xué)生隨機站成一至兩排，按順序從1 ～6循環(huán)報數(shù)（事先提示大家，務(wù)必要高度集中注意力，并且記住自己報出的這個數(shù)）。所有報數(shù)相同的學(xué)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(shù)為“1”的，即為第一組……以此類推形成六個小組。

方法二：“前導(dǎo)成績”分組

教師根據(jù)相應(yīng)知識點，調(diào)出前導(dǎo)課程成績，并將成績分為五級制，平均到每組，成員有優(yōu)良中差等級，每個小組推選一位組長，便于合作學(xué)習(xí)時有組織、有領(lǐng)導(dǎo)。各小組根據(jù)項目任務(wù)進行合作探究，將探究結(jié)果進行展示分享，為了防止出現(xiàn)學(xué)生一言堂，會要求每個小組發(fā)言時首先必須是學(xué)習(xí)成績在中下等的學(xué)生發(fā)言，教師會對優(yōu)等生提出一些較難的問題供其拓展。

方法三：“競賽學(xué)生傳幫帶”分組

以參加專業(yè)技能大賽的學(xué)生為組長，再根據(jù)異質(zhì)分組挑選組員，為了調(diào)動全組學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，安排每組剩余組員擔(dān)任各子任務(wù)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(wù)幫扶指導(dǎo)，過程中，教師采用一定的合作學(xué)習(xí)獎勵辦法，不斷提升教學(xué)效果，促進學(xué)風(fēng)建設(shè)。

該教學(xué)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(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性、培養(yǎng)學(xué)習(xí)自信心、提升個人評價，努力提升班級整體教學(xué)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(wù)中，培養(yǎng)學(xué)生正確的價值觀、崗位意識、質(zhì)量意識，培育學(xué)生執(zhí)著專注、精益求精、一絲不茍、不畏艱難、勇于創(chuàng)新的工匠精神。

圖6 思政融入

2 教學(xué)實施過程

2.1 教學(xué)安排

如圖7 所示，根據(jù)金屬3D 打印產(chǎn)品真實工作流程，將“離心管模具型芯金屬3D 打印”項目設(shè)置為六大教學(xué)任務(wù)，體現(xiàn)打印工作任務(wù)連貫性，選擇課程導(dǎo)入、水路設(shè)計、嫁接打印和檢測及驗收四個重點教學(xué)環(huán)節(jié)作為視頻展示。

圖7 16 學(xué)時教學(xué)安排

2.2 任務(wù)設(shè)計

本項目的六個任務(wù)按照課前自學(xué)、課中導(dǎo)學(xué)、課后拓展組織教學(xué)活動。

課前：根據(jù)任務(wù)推送學(xué)習(xí)資源，發(fā)布課前測試并在線答疑。

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

圖8 任務(wù)四教學(xué)實施安排

課后：教師發(fā)布教師教學(xué)效果問卷調(diào)查，學(xué)生線上完成問卷調(diào)查，并對教師教學(xué)模式提出意見。

2.3 教學(xué)評價

項目采用“三評”多元化教學(xué)評價體系（圖9），課程組設(shè)置學(xué)習(xí)評價、過程評價和結(jié)果評價三個體系，將職業(yè)技能和素養(yǎng)目標(biāo)融入過程性評價的核心部分。該評價體系以學(xué)生、教師、技能大師、企業(yè)專家為評價主體，對教學(xué)過程和教學(xué)結(jié)果進行信息反饋，及時指導(dǎo)教學(xué)策略。與采用傳統(tǒng)評價方法的往屆教學(xué)班對比，學(xué)生的職業(yè)技能水平、解決實際問題能力、溝通能力和團隊協(xié)作能力有顯著提高。

圖9 “三評”多元化評價體系

3 學(xué)生學(xué)習(xí)效果

基于分組協(xié)作學(xué)習(xí)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(xué)習(xí)效果進行統(tǒng)計學(xué)分析，采用配對樣本檢驗，將評價內(nèi)容賦值后比較評價結(jié)果。結(jié)果顯示項目四在1、4、8、12 等條目的評價顯著，賦值具有統(tǒng)計學(xué)意義，一定程度上反映出在探索增值評價過程中，學(xué)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(shù)據(jù)對比

4 特色創(chuàng)新

4.1 踐行分組協(xié)作式實踐學(xué)習(xí)模式

考慮到分組協(xié)作式學(xué)習(xí)與增材制造實訓(xùn)課程的契合程度，項目中教師采用不同的分組策略對學(xué)生進行異質(zhì)分組，學(xué)生以小組為單位，突出以學(xué)生為主體，強調(diào)平等性和創(chuàng)新性，營造積極的學(xué)習(xí)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(yī)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(yè)信念引領(lǐng)，再到項目任務(wù)的實際踐行，培養(yǎng)學(xué)生樹立正確勞動觀、就業(yè)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(xiàn)實際學(xué)情的教學(xué)分組策略，落實分組協(xié)作式實踐教學(xué)的體系。

2）“任務(wù)外置”和“崗位內(nèi)置”的教學(xué)模式包含崗位、任務(wù)、能力三個層面，不僅拓寬了課程教學(xué)領(lǐng)域，而且銜接了企業(yè)先進技術(shù)與先進工藝的發(fā)展，提升了學(xué)生就業(yè)競爭力。

3）積極推進X 證書試點工作，組織學(xué)生參與技能等級證書考核，全面推進相關(guān)專業(yè)教材改革、教法改革以及師資培訓(xùn)，后續(xù)將深化校企合作，逐步推進“1+X”證書標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容融入課程，以適應(yīng)3D打印行業(yè)的需求。