机械三维建模及3D打印课程教学模式研究

卜祥安

（1.德州机电工程学校，山东 德州 251200；2.德州科技职业学院，山东 德州 251200）

0 引言

当前，三维建模和3D打印在机械行业中越来越受到重视，相关软件的教学也成为机械大类专业的核心课程。因此，探讨机械类三维建模软件的教学，以及如何把课程教学和企业实践密切结合，成为各职业院校的一个重要课题。下面以CREO3.0软件建模与3D打印技术课程的教学为例，探讨三维建模类软件的课程开发和教学模式[1]。

1 机械三维建模课程在教学过程中发现的问题

（1）建模过程不完整，学习过程无法实现闭环控制。建模课程以往只是空洞地进行模型的建立，学生模仿实物建模，但建模之后很难做成模型，学生无法对所建模型进行比对与评估，整个学习过程无法闭环，从而使得学生无法对自己的学习过程进行评价。

（2）原有教学手段单一。原有的教学模式进行课程教学时，只对课本内容及相关的命令及菜单进行讲解和操作，没有实际案例应用于教学，课程学习结束，学生并没有学到企业所有的专业技能，学生学习积极性差，效果很不理想。

（3）教学内容无法和职业岗位进行有效对接。通过对用人企业和毕业生的多方考察调研，发现存在以下问题：学生在学校所学的知识无法用到工作岗位，达不到学以致用，企业对学生的专业技能不满意，企业普遍反映学生的学习能力差，专业技能环节薄弱。

2 课程的内容选取和组织

为了解决课程教学过程中教材内容与现实工作所需的专业知识脱节的问题，在课程的内容选取、组织上进行深入的研究并作出适当的调整。

2.1 内容选取：基于职业岗位群及典型任务分析

经过充分调研、研讨和分析，依据职业能力分析结果，将机械设计与制造、数据技术专业等专业的职业能力分解为绘图设计能力、工艺编程能力、加工操作能力等三个核心职业能力，并按照从简单到复杂、从低级到高级的能力进阶规律，形成了由专业基础能力模块、专业能力模块、综合专业能力模块以及拓展能力模块构成的课程设置路线。在此基础上，结合当地区域和产业特色，以及机械制造类企业对该专业人才的需求，对课程知识点进行了有机的细化，使课程内容更加“贴近专业、贴近工艺、贴近生产”，从而构建了课程设置链路清晰、课程定位具有区域产业特色、以工作过程为主线的系统化课程体系[2]。

在课程结构上，分别以知识点和技能点两条主线。

（1）知识点：从软件内容角度进行取舍，主要以建立常见机械类零件的三维模型、二维工程图、虚拟装配、并在数控加工、3D打印新技术方面的知识点为主，并适当进行有效的拓展。

（2）技能点：从课程内容角度选择，主要以CA6140普通车床上的典型零件为载体，对机械常见零件为主，分别选择了轴类、盘盖类、箱体类、叉架类、齿轮、螺纹和弹簧类等零件为主要内容[3]。

在内容选取上，同时把这两条主线有机地融合在一起，避免了只讲软件指令的弊端，使学生能够在项目化学习的过程中，既掌握了软件的应用技能，又掌握了典型零件的设计方法。

2.2 内容组织：注重与其他课程的横向联系，突出职业岗位的过程控制

三维建模课程是使用CREO3.0进行建模，然后用3D打印机对所建立模型打印输出，最后将打印的实物与建模实物进行对比，找出建模过程中出现的问题和所建模型的缺陷，进行修改与完善，最终打印输入，完成建模的全过程[4]。

因此，课程在内容组合上，与计算机基础、机械制图、AUTO CAD、机械设计基础、普通机床与数控机床结构、数控编程与加工等前期所学的课程有着密切的关联，同时，也对后期的毕业设计起着一定的促进和支撑作用。

（1）以《机械制图》和《AUTO CAD》中的测绘结果为素材。本课程是以CA6140普通车床的典型零件为载体，建模所用的图形和尺寸，主要来源于学生在大一学习机械制图、AUTO CAD等课程时，对车床典型零件的测绘的结果为主。从而以本课程的三维建模、工程图、虚拟装配为核心，与其他课程形成了密切的结构体化课程体系。

（2）以《机械设计基础》的课程内容为纲。在软件建模的内容安排中，分别以轴类、盘盖类、箱体类、叉架类等主要零件为纲领，这些零件的分类依据也正是以《机械设计基础》中课程内容安排互相对应。

（3）和数控编程与加工相互照应。学生在学习本课程前，还安排了数控编程与加工的课程学习，与本课程的数控加工模块相互补充，拓展了学生的学习知识面。

（4）与《普通机床与数控机床结构》课程内容同步开设。在本课程的学习安排上，是与《普通机床与数控机床结构》同学期开设，这两门课程可以实现在内容上互相印证，在知识上相互促进和深化。

课程内容在教学内容的组织与安排方面，完全遵循了“由浅入深、循序渐进”“适度够用”的原则。课程每一个项目，都配有文本教材、任务驱动、演示视频、课件PPT、建模参考步骤、相关配套训练素材，主要的训练素材同时给出参考步骤、参考模型，对于较复杂的素材同时也给出演示视频等几个方面。

（5）不断拓展课堂内容，及时添加新技术、新工艺。除了原来的课程内容外，在近几年还在课程中加入了3D打印技术的新技术和新工艺。同时，以选修内容的形式，对软件的并行设计、逆向工程、行为建模理念也有适当的拓展。

（6）内容由浅入深，体现课程的层次性。所在学习项目，都经过精心选择，在内容安排上，学习任务由浅入深。以学习项目2轴类零件的设计与建模为例，在介绍了基础知识后，首先以最为简单的车床光杠作为入门，掌握轴类零件的建模思路，然后，依次再进行一般阶梯轴、车床花键轴的建设，最好是比较复杂的车床主轴建模。这样，使学生在学习在循序渐进的过程中，掌握轴类零件的建模特点和思路。

3 教学模式

为保证教学内容的不断丰富和充实，课程在教学模式上的主要措施有以下方面：

3.1 采取任务驱动、六步教学法进行教学

针对课程内容安排，在教学模式上进行进一步的整改和优化。一方面结合装备制造业对CAD/CAM行业的人才需求特点，将基本设计理论和新的设计理念、设计方法相融合，一方面，结合典型的机械类零部件（如轴类零件、盘盖类零件、箱体类零件、叉架类零件等），以实际工程案例任务作为任务驱动，避免原来的只讲不练，或者是理论和实践相脱节的方式。不断引入了案例教学，一般提前给学生下发任务单，使学生在咨询、实施、评价等各个环节中都能积极参与，培养学生的分析能力，启发学生思考。

使学生掌握实际工程设计方法和技巧，在更大程度上解决理论与实际脱节的问题，着重培养学生在分析实际问题、解决问题的能力。

3.2 情境化模式，突出工程实践能力的培养

本课程是一门实践性很强的课程，为此，我们精心设计了培养和提高学生基本知识、专项技能以及课程综合应用技术三大策略，形成了一套较为完整的教学体系和教学方法。能力训练的内容和过程都是严格遵循了循序渐进的原则进行安排。三个层次的训练有序进行，学生不但可以进行一般机械类零部件的设计、装配、分析及制造，大大提高工程实践能力。同时，因为学生在建立三维模型时面对的不仅仅是单一的图形，图形的来源是车间实际车床实物为参照，并且是通过前期课程中拆装、测绘，所积累下来的知识和图形。使本课程与其他课程有着密切的关联，达到融会贯通、综合应用的目的。实现了产品的测绘、建模、加工、装配、技术革新等多个环节的统一，使课程在更大程度上接近企业实际工作情境。

3.3 强化课堂之外的学习环境、资源和平台建设

除了课堂教学方式外，学院建立了网络教学平台，所有的学习资源都能在网络平台上查看和下载。同时，还针对每一个教学班级，建立微信群、QQ群，实现师生在课堂之外的即时交流和互动。实现作业的发放、收缴以及答疑、咨询等都可以通过课堂外的网络平台实现，也能保证学生在时时处处都能学习到课堂内容和知识。

3.4 考核方式以操作和考取技能资格证书相结合

在课程考试、考核上，将传统的考试改为课程考试和学生考取技能证书相结合。学院除了与当地劳动部门有着长期的合作外，还和国家制造业信息化中心、全国3D技术推广服务与教育培训联盟等多家单位有密切的联系，推行证书与学分互认，学生在课程结业后，可以根据个人实际情况，选择考取一个或多个CAD/CAM方面的技能资格证书。

4 特色创新

相对于传统的课程教学方式，本课程的特色创新体现在以下几个方面：

（1）课程体系的系统化。课程使用了全新的教学载体，经过精心的选择，采用了CA6140车床典型零件为建模、工程图和装配时的载体，从而使课程在内容和载体上区别于当前众多的教材内容。而这些内容都是在经过前期课程在测绘、拆装过的典型零件。使本课程和我院开设的其他课程保持了一脉相承的关系。

（2）资源内容的颗粒化。在提供的课程内容上，我们摒弃了过去那种整堂课的学习模式，把知识点和技能点以颗粒化的形式提供给学生。比如，很多视频讲解一个内容时，往往只需要三、五分钟的时间，这样，使学生在学习时用较短的时间，也能学习和掌握一个完整的知识点。

（3）学习手段的现代化创新。除了正常的课堂学习方式外，课程还准备了更为丰富的课程资源，充分利用现代化的通信手段，以网络、手机、平板电脑等工具，让学生课堂之外也能实现学习和师生即时的交流和互动。

（4）教材编写方式创新。在教材上学习内容上，都设计二维码，学习者只需要用手机扫描教材上的二维码，就可以看到相关的视频、PPT、电子教材等学习资源。

（5）3D打印学习模块创新。近年来，3D打印技术成为计算机辅助设计和制造的热门方向。为了适应这种新形式，让学生了学生了解和掌握一定的3D打印技术，我们及时在教学内容上添加了3D打印这一学习模块。对于部分零件，学生在用软件建立了三维模型后，可以直接借助学校的3D打印机，打印出实物模型。

5 结束语

近几年，在课程教学过程中，通过多方调研和教学实践，积累了一些成功的经验，课程组对课程内容进行重新组织和选取，拓展了与企业相关的课程内容，及时添加新技术、新工艺，在课程层次性上进行一定的改革。大教学模式上进行了创新，采取任务驱动、六步教学法进行教学，采用情境模式，突出工程实践能力的培养，强化课外学习环境、资源和平台采取操作和资格证书相结合的新型考核模式；实现了课程体系系统化、教学资源颗粒化和学习手段的现代化。课程的改革与创新赢得了学生和学校的一致认可。