基于职业分析的3D打印一体化课程设计

秦鸿骄 赵丽

摘要：近年来，在职业院校中，一体化课程改革是越来越深入，学生也因此获益良多。3D打印作为智能制造和工业4.0的新兴技术，随着市场需求不断增加，备受高职院校青睐，一些高职院校已陆续开设相关专业和课程。设计基于职业分析的3D打印技术一体化课程，一方面有利于理实结合、方便教学，另一方面可以总结工作经验，从而促进学生的学习效果和实习效率。文章以天津市海河教育园区某高职院校3D打印技术课程实践为例，设计总结了一种基于职业分析的3D打印一体化课程案例。

关键词：职业分析；3D打印；一体化课程

中圖分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1672-5727（2018）05-0068-05

高等职业教育以高技能、高素质应用型人才的培养为己任，能力是双高人才不可或缺的核心要素[1]。一方面，高技能、高素质的应用型人才必须掌握专业技能，另一方面需要具备基本的职业道德素养[2]。鉴于此，高等职业教育的培养目标是专业化的，这就要求我们孕育出比较有特色的课程开发理念。这其中，依托以往一体化教学改革中的经验，天津市海河教育园区某高职院校课程开发依旧选择了职业分析作为主要课程设计依据，因为它能向高职3D打印一体化课程的目标定位、设置安排、内容选择和教学实施提供一个实际工作过程的参考。

近些年，由于智能制造的发展和新兴产业需求，3D打印逐渐走下神坛，被广泛应用在加工制造的各个领域。根据最新修订的《普通高等学校高等职业教育（专科）专业目录（2015年）》，高职院校的一些专业设有“3D打印”和“增材制造技术”方向，如机械制造与自动化专业（增材制造技术方向）、航空材料精密成型技术专业（航空产品3D打印）等[3]。3D打印是增材制造技术专业的必修课，配有工程制图、建模技术、自动控制等基础课程。学生在学习这门课程之后，能掌握并理解3D打印技术在实际工程应用的基础知识，从而有能力组装3D打印设备，设计和编写3D打印程序，根据生产需要设计工程部件，进而满足基于3D打印技术的工程安装、调试、维护和设计的要求。开设该课程的目标是培养学生面向实际工程时的动手、动脑能力，为后续学习工业设计、文化创意、3D打印模具制造等其他课程提供知识和技术保障。

一、3D打印职业分析

（一）岗位群分析

通过前期的市场调研和企业走访，可以根据行业水平把中国的3D打印产业所需的人才分为三种类型：一是上游技术和材料研发企业所需的3D打印技术研究、材料开发人才；二是中游设备生产商所需的3D打印机生产工艺人才；三是下游服务商所需的3D打印机营销、售后服务以及3D打印服务等方面的技术应用人才。这三类人才所需掌握的技术技能如下页表1所示。

简言之，相关岗位群主要涉及3D打印产品设计、开发、制造和管理等岗位，从业人员主要需要掌握如何操作、加工、维护激光设备以及对加工产品进行销售等。以技术路线为主，通过技能的不断提高，3D打印初期技术岗位对应技术员二次晋升可成为技术工程师，通过业务能力的提升，三阶段可以晋升为技术总工程师等；以业务人员为主线，有3D打印技术的人员还可以对相关服务和设计公司、在线商店和其他相关单位进行技术操作、咨询服务和管理服务；或者选择建立一个提供3D产品设计和打印服务的网上商店或实体店。

（二）典型工作过程分析

面向典型工作任务的3D打印一体化课程的工作过程如图1所示。

3D打印一体化课程从教学内容上分析，既不同于普通高校开设的3D打印原理类课程，主要侧重3D打印技术理论的讲授和学习，不重视实践训练；又不同于中职学校或培训学校开设的3D打印技术类课程，主要侧重应用性实践训练，忽略3D打印技术理论知识的传授；也不同于普通高职学校3D打印技术类课程主要采取基于知识点的传统教学形式，而是在教学中构建基于实际工作过程的3D打印项目设计、安装与调试仿真情境，让学生在仿真情境中以一贯性项目开发为载体，将3D打印技术基本理论知识和3D打印成品设计、应用、设备管理和维护技能以及基于3D打印技术的上位机界面模型设计通过软件进行解构与重构，使其完全融入到一贯性项目开发过程中。教学过程中采用基于工作任务的教学方法，是为了让学生在完成项目和进行任务的过程中掌握3D打印技术的基本知识和实际操作技能[4]。

（三）典型工作任务分析

以基于3D打印的零件加工这个典型工作任务的具体过程举例来说，在企业生产工作中，经常需要操作人员自主设计和加工一些工具，加工人员有时也会根据产品的要求自制一些小工具，以提高工作效率。完成这些任务的过程是：处理人员接受处理任务，或者根据现有模式的要求，根据功能需求，制定工作计划，确定加工工艺，并制备3D打印机和对应打印模式，完成产品的加工、装配、检验，合格后交货。在工作过程中，有关人员的执行要严格遵守安全规则，在完成工作后，按照现场清理管理、退货、废物处理等环节进行废物处置。

表2是3D打印材料采购岗位的关键职业能力对照表。这只是3D打印项目所涉及的其中一个典型工作过程和任务，经过市场调研和多次论证后，基于相对科学的典型的工作任务，把知识点渗透在每一步工作过程中，以项目的方式体现系统性，才是本文所说的3D打印一体化课程设计中的思路。一方面，学生通过现场观摩、视频图片等观看的方式，感知企业生产环境和生产流程，了解安全生产要求、规章制度和技术发展趋势等，并通过各种方式展示所认知的信息；另一方面，学生能规范使用工具和设备（如3D打印机、SLS切割等），利用工具按图样制作零件，并能正确保养和归置工具和设备，按照国家标准，完成手工零件绘制和产品三视图制作，具备一个技术人员的核心素养。

二、课程整体设计

（一）课程目标设计

1.总体目标

本课程通过“数控磨床组件设计”这一贯穿项目以及“数控机床风机配置的离心叶轮制作”这一自主项目的训练，使学生能够使用3D MAX模型设计软件和组装好的3D打印机，根据工程项目参数要求，构建磨床各部件之间的组装模型；利用3D MAX建模软件的内部资源、基本操作和3D视觉仿真，根据项目要求，每个组件的设计和安装可以一步一步完成，整个项目可以调试。上位机可用于软件设计，根据工程要求，数控磨床可以完成基本操作，编制设计软件的设计过程，调试整机，具有初步的3D打印设计能力和解决3D打印技术项目实际问题的能力。

2.能力目标

能根据项目方案需求，进行模型设计相关参数的计算，完成建模；能根据项目方案需求，对项目外围的非3D打印部件进行选型，做项目配置；能根据项目设备选型，进行相应产品的询价，做项目报价单；能根据项目配置和方案，利用3D MAX、Auto CAD等软件绘制部件模型和整机3D图样；能根据数控磨床组件的机械安装图和控制原理图，进行整机组装；能用3D MAX、Cura等软件进行部件的绘制、修改、组装效果仿真等操作；能用3D打印机完成设计部件的制作；能读懂要打印件的工作图；能够合理选择打印机及打印材料，在打印过程中，改变包含打印部分的测试区域的电容值的时间序列曲线，并比较时间序列曲线和参考时间序列曲线，以确定是否应该改变打印的参数；能够定期进行设备检查，分析、判断设备测试结果是否正常；能直观地判断机械设备的运行是否异常，并能分析故障的原因；目测打印件与图样的形状及尺寸；优化3D打印机程序，打印设备维护；升级3D打印机程序及电子设备；根据产品的需求提出可行的解决方案；能应用3D打印技术的知识和技能解决某些实际工程问题。

3.知识目标

掌握3D打印技术理论知识；熟悉3D打印应用的科技领域；熟悉常用金属材质、绘图、公差与配合的知识；掌握机械加工基础知识；掌握机械加工的常规工艺知识；掌握数控机床操作及编程方面的知识；掌握钳工基础知识；掌握液压、装配技术知识；了解质量管理知识；熟悉3D打印复杂零件的工作图的读取方法；了解项目优化的指标和方法；掌握3D MAX、Cura等软件的基本操作方法；掌握3D打印设备的组装方法；掌握3D打印设备的组装与维护方法。

4.素质拓展目标

能够根据客户需求和实际工程情况正确地讲述、说明、提问、回答问题，普通话流利，并能够正确理解客户的意图，增加实际工程现场工作经验；在项目设计过程中，根据设计要求，绘制出各部件的模型图和操作流程图，培养学生的形象思维能力，从不同的角度找出问题和解决问题的能力；在项目模型绘制和匹配过程中，根据程序流程图，以实现整机工作功能为基础，尽量简化模型的设计，培养学生养成独立思考的学习习惯，能全面的分析和比较、总结和概括所学内容，举一反三；在项目进行过程中，按照一定的要求把所有的学生分组，组内成员可以在组长的安排下，与团队成员合作，及时完成任务，每个团队成员都必须善于从别人的经验中学习，发扬团队精神，由此培养学生的团队建设能力、组织协调能力、创新能力等；在项目训练过程中，掌握安全第一的原则，严格按照工作规程操作，培养学生良好的职业素养；在学习和教学过程中，培养学生承受失败和接受挑战的意识；在构建数控磨床组件设计项目的过程中，培养学生经济成本、安全、环保、质量等方面的意识；能熟知在基于数控磨床组件设计的项目中遇到的专业英语词汇及缩写词的意义。

（二）课程内容及项目设计（见下页表3）

在实际教学过程中整体流程如下：接受任务→学生获取信息（自我学习）→按教师示范进行操作→自检→按标准进行自评、互评和师评→进一步学习完善→根据工艺等要求重新完成工作→自检→按标准进行自评、互评和师评→总结。

（三）考核方式

1.学习任务过程性考核

每个学习任务可采用学生自评、组内互评、组间互评、教师评价和企业专家评价等方式相结合进行考核[5]。依据任务难度、能力需求和课时分布，暂定的各学习任务成绩占比分别为：学习任务1和学习任务2共占5%；学习任务3、学习任务4和学习任务5共占15%；学习任务6至学习任务10共占40%；学习任务11至学习任务16共占40%。

2.课程终结考核

完成各学习任务后，3D打印一体化课程的终结考核按如下方式进行：学生根据项目B的任务书，独立完成实施方案，并根据实施方案独立完成作品的加工、装配和调试工作。评估的结果是课程的最终测试结果。

3.课程成绩计算

课程成绩=学习任务成绩×60%+课程终结考核×40%。

三、课程实施效果

（一）教师和学生在一体化课程进行中的角色发生了转变

这门课的目的是让学生做更多的事情，不仅仅是动手去做，而且要动脑去做，不仅是学生要做，而且是教师要做。在学习过程中，学校经常使用竞争法。例如，在进行“完成3D打印部件的制作”内容时，要求每一个制作组推选一名学生上台展示、比赛，学生们的学习兴趣十分浓厚，而且都争着举手回答问题，主要是因为害怕其他同学把自己的答案讲出来，自己没有可以讲的了，每个人都想为自己的团队而战，这样也能提高集体凝聚力。“以教师为主导，以学生为主体”的理念在一体化课程进行中展现无遗，这极大提高了学生自主学习的积极性，因此达到了较好的教学效果，提高了教学质量[6]。

（二）合作意识和合作能力是高技能应用型人才应该具备的基本素质

小组学习是组织课堂的主要方式，这不仅为学生提供了合作的机会，还帮助学生共同学习和交流经验，从而形成积极、主动、合作的学习方式，进而培养学生合作与共享的能力素养。例如，在进行“完成整机的运行调试”内容时，在最后的展示阶段，学生自己设计了从设计→修改→组装→调试等一系列的操作，调动了同组的每一个成员，实现了在学习专业技能的同时又提高了合作的意识和能力的教学目的。

（三）分享是有能力者自信的表现

在项目结束、点评的过程中，学生会像教师那样，为所有的学生解释专业问题，为所有学生的疑问找出方案，过去非常害羞的学生现在都能从容自信地站在同学面前。可见，3D打印一体化课程教学能大大提高学生的交际能力和表达能力，学生的综合素质在一体化课程整合的过程中也有了质的飞跃[7]。

基于职业分析的3D打印课程采用“数控磨床组件设计”和“数控机床风机配置的离心叶轮制作”两个项目，一主一辅相互补充，每个项目以一个或几个典型的工作任务为载体，将学习知识分解成不同的项目和工作过程[8]。知识学习和能力训练由浅入深，克服了学生的畏难情绪。每个任务的实施按照“收集资料——做出决策——制定计划——制作实施——检查改进——评价总结”六个步骤来展开。其中，数控磨床组件设计项目（课内项目）在教师引导下进行项目实施，通过本项目的完成学生可以养成根据用户的需求，从专业技术人员的角度完成基于3D打印技术的迷你数控磨床组件设计、制作、组装和调试等，并能通过上位机模型绘制软件完成项目部件改进和整机参数匹配优化等；数控机床风机配置的离心叶轮制作（课外项目）以学生自主实施为主，教师指导为辅。学生在采用一体化的教学课程后，学习积极性明显提高。

参考文献：

[1]温得位.关于新形势下职业教育发展与改革的思考[J].青海教育，2005（zl）：15-16.

[2]谢俊琍.基于工作过程导向的市场营销专业课程发展研究——以浙江省高职院校营销专业分析为例[D].金华：浙江师范大学，2010.

[3]教育部.普通高等学校高等职业教育（专科）专业目录（2015年）[Z].2015-10-28.

[4]徐念农，徐月华，张鹏，等.关于项目课程情境教学的研究[J].职教论坛，2009（21）：18-21.

[5]田晔，李兵.高校基础课“任务驱动-分组教学法”的探索[J].中国电力教育，2013（10）：85-86.

[6]畢既华.基于工作过程机电一体化技术专业课程体系的开发与实践[J].牡丹江大学学报，2012（11）：176-178.

[7]赵小平.电工电子课程理实一体化教学模式创新思考[J].科技与创新，2014（3）：133-133.

[8]朱洪军.论“1+1”模式下《机床电气分析与项目实践》教学改革[J].职业教育研究，2012（6）：93-94.

（责任编辑：王璐）