中职学校3D打印校本课程的建设与应用

潘丹丹

摘   要：根据《中国制造2025》的方针政策，《中等职业学校专业目录》中加入了增材制造课程，3D打印课程将会是中职学校增材制造专业的一门主干课程。厦门市海沧区职业中专学校《3D打印技术应用》校本课程根据国家课程改革要求，结合学生发展的实际状况，综合利用教师的课程开发能力与特长，充分调动本校的课程资源而开发的设计课程，。

关键词：3D打印技术;校本教材;课程创新;教学实践

1  3D打印校本教材创新的理论与实践背景

2015年，国务院发布的《中国制造2025》中提出推进信息技术与制造技术融合发展的要求，把智能制造作为我国科技制造发展新时期的主攻方向[ 1 ]。2019年，教育部发布新版《中等职业学校专业目录》意见函，在中等职业学校加工制造专业大类中，新增了工业机器人、增材制造、新能源汽车装修与检测三项专业[ 2 ]。其中3D打印技术作为增材制造技术中最受瞩目的一项，近几年来技术发展迅猛、应用领域广泛，3D打印专业人才市场需求巨大，也为中职院校培养3D打印专业技术人才提供了机遇与挑战。

我校自2015年开始开设《3D打印》课程，调查试用过大量市场上现有的教材，仍然未能找到符合中职学校3D打印专业教学需求的教材。总体来说，现有教材有以下几点不足：（1）打印机型号太多太杂，每个打印机的操作方法不一，学生无法针对书本自主学习;（2）目前市场上的教材理论性知识太多，案例数量不够支撑整个学年的学习;（3）通用教材内容片面，没有很好地体现中职学生的实践操作能力和分层次教学。

而校本课程是根据学校具体教育教学客观实际情况而编写的，与國家课程与地方教材相衔接，能够发挥学校在课程设置上的自主权、充分调动一线授课教师的经验智慧、贴近实际教学场所与学生学情，灵活创新和配合行业最新动态，具有不可替代的课程创造力与专业创新性。为更好地组织符合我校教学实际的3D打印专业课程，我校3D打印任课教师经过长达五年的教学实践，创新总结出一套适合中等职业学校3D打印专业教学的校本课程。

2  3D打印校本课程大纲

2.1  课程简介

3D 打印（3D printing），即快速成型技术的一种，它是一种以 3D 数字模型为基础，通过逐层打印可粘合的材料（包括塑料、金属、生物材料等）方式来构造物体的技术[ 3 ]。3D 打印已在科研、教育、制造等行业得到越来越多应用。3D 打印机和3D计算机辅助设计软件（UG）结合可以有效培养中职学生的设计素养和创新潜质，为学生毕业后进入前沿工业加工制造领域打下技术基础，也为学生在高校进一步深造提供专业基础能力的培养。

本校本教材主要采用北京龙宇打印机作为课程实验配套工具，利用互联网+教育的模式进行编写，充分响应信息化时代对专业课程教育带来的巨大影响，以最高效贴近我国工业加工制造行业发展实际的方式进行课程设计[ 4 ]。本校本教程的编制既考虑了实用性和创新性，又考虑了学生的学习能力，由易到难，层层递进。全书由四个单元组成，从3D打印概述到教学案例再到学生创新，尤其是课程的后两单元，采用项目式教学，“以项目为主线、教师为引导、学生为主体”。这种课程设计能够整体满足正向建模与3D打印的教学需求，也符合我校对3D打印专业的定位——在教授学生扎实掌握专业操作的基础上，启发学生工业产品设计的创新精神，培养高素质3D打印专业人员。通过本课程的学习，学生们可以掌握如何应用3D设计软件来表达头脑中的创意，并通过操作3D打印机设备将自己的创意设计图纸实现为千奇百态的真实物品，充分感受创新创造的乐趣，逐步激发学习动力与创新能力。

2.2  教学对象

我校增材制造专业和机械专业的学生，需要具有一定的计算机、数学、美术、物理基础。

2.3  教学内容及课时安排（如表1所示）

3  3D打印校本课程的具体实施

3.1  第一单元：3D打印技术

在最开初的3D打印技术导论部分，主要从三个方面进行介绍：3D打印技术的重要意义、3D打印技术的主要类型、3D打印的材料分类。经过初步的教学，使学生对3D打印有了初步的认识，了解3D打印技术的工作原理。

在此基础上，进一步介绍我校使用的FDM 3D打印技术，使得学生对FDM 3D打印技术的工作过程、FDM 3D打印材料、FDM 3D打印技术的优缺点有更加深入的理解。

3.2  第二单元：FDM 3D打印机

本章节主要针对我校现有的教学打印机进行编写，主要从四个部分进行讲解：

（1）认识桌面式3D打印机（FDM）

（2）首次安装及使用指南

详细讲解了打印机的安装步骤，学生可以自己根据书本提示进行安装，尤其是对于首次安装顺序。

（3）打印机核心软件

本节从主界面、打印机设置、加载模型及模型操作这几个步骤详细讲解了切片软件的使用过程。

（4）3D打印模型设计的技巧及注意事项

学生在动手操作实践的过程中会遇到各式各样的困难，校本教程中把常见问题进行整理并有针对性的提供解决方案，使得学生在设计用于3D打印的模型时，能活用这些技巧，将大大提高模型打印的成功率及打印的效果。

3.3  第三单元：教学实例讲解

本单元一共10个案例（具体内容见表2），在案例选取上结合工业产品设计的典型案例和机械行业的相关案例，符合我校专业特点，同时结合3D打印使学生不仅掌握软件的操作还能通过实物对机械零部件有更深入地了解，使学生的专业基础知识更加牢固。

全单元主要采用任务式教学方法，教师示范教学，学生跟着建模和打印，最终达到学生能够熟练掌握3D打印建模软件使用的教学目的。

例如在讲解实例1钻头的时候，教学难点是“沿引导线扫掠”这个指令，那我们就把详细的绘图步骤一步一步的写下来，如图1所示，学生完全可以根据书中的步骤自行建模，这种教学形式能够提高学生自主学习的能力。

3.4  第四单元：创新案例设计

本单元采用的10个案例是生活中常见的物品（具体内容见表3），跟上个单元相比增加了设计的环节。

我们发现目前大部分学校的3D打印课都只停留在学生依葫芦画瓢，学生必须根据已经提供的范例要求按部就班地一步步操作，完成整齐划一的作品建模，打印出来的实物也是一模一样。这种固定刻板的教学方式忽略3D打印本身的优势——创新，我校教师根据我校的学生特点，着重在这一单元加入创新的元素，使得学生明白3D打印课程，并不是根据指示建个模型进行打印就行了，而是要能发散我们的思维，把天马行空的想象转换成现实的产品。让学生体验到自由的设计创造过程，切身感受到设计的乐趣，同时加入生活中的实用案例，让学生意识到生活中个性化设计的意义，培养学生的创新设计思维，逐步使得创新创造成为习惯，成为学生终身职业生涯发展的习惯。

例如：在实例3 “刀”的设计中，首先给学生一个框架，即刀柄的二维图纸，如图2所示，让学生根据图纸的要求绘制出三维模型并打印，这也很好的巩固了上一章课程的知识点。

然后要求学生根据任务一完成的三维数字模型文件，进行刀身的创新设计。请在刀柄的基础上设计一个刀身，具体要求如下：刀身能与刀柄配合，且孔位对上;刀身要求外形设计美观，多功能实用，至少能分清刀刃、刀背;刀身设计应结构合理，有足够的强度支撑;符合 3D 打印制作工艺。

学生自行创造建模并打印，最终完成的作品各式各样，部分学生作品见图3。

这一章节采取分组教学，小组合作的形式，每个小组3-4个人，自行分配任务，最后完成再进行展示、讲解，师生互评等。

评分标准如下：

任务一  三维模型绘图（表4）（30 分）

任务二  产品创新设计（表5）（30 分）

任务三  产品 3D 打印与后处理（表6）（30 分）

任务四  职业素养（表7）（10 分）

整个章节采用项目式教学法的教学模式，采取分组教学，小组合作的形式，每個小组3-4个人，自行分配任务。每个环节都相应给评分标准，最后完成再进行展示、讲解、师生互评等。其中加入了职业素养分，旨在培养学生的职业道德、安全操作规程等行为，使学生养成良好的职业素养，为将来的实际工作奠定良好的工作作风。

4  课程建设的优点与不足

我校3D打印校本教程的设计与实践，充分发挥了校本课程的创造性，深入贴近我校学生学情与就业要求，目前课程建设取得成果的优势有以下几点：

（1）教学层次清晰，教材难度从易到难，理论联系实际;

（2）教材案例丰富，步骤示范清晰而详尽，适合学生用以自主学习;

（3）紧密联系行业前沿，选取的案例符合生产生活实际，符合我校专业人才培养目标;

（4）培养学生基础专业能力的同时，注重创新能力的培养，在教学中时刻贯彻学生职业素养的提高。

我校3D打印校本教程经过5年的实践创造，虽已经取得喜人的进展，但仍存在一些有待改进的不足，主要有以下几点：

（1）应加入信息化手段，在书中添加二维码看视频功能，使学生可以通过微课更直观学习;

（2）本书把过多内容放在设计建模上，针对学生在3D打印过程中出现问题的指导还有待进一步的完善，如支撑、位置摆放、打印速度、打印温度等对打印结果的影响写的太笼统，没有案例支撑，需在后期收集案例并增加进去;

（3）在案例开发中还要注重加强校企合作，在与企业合作的过程中汲取最先进、最前沿的技术，并运用到教学中去， 不断优化实操过程与步骤，提升教学效率，为学生全面掌握3D打印技术创造良好的条件。

5  小结

经过5年来的3D打印教学实践与创造，我校研发的3D打印校本课程在应用中更符合学生实际专业特点，也取得了一定的成效，毕业的部分学生能根据所学的专业知识走向一些工业产品设计岗位，这也是我们开设3D打印课程培养学生的目标之一。之所以能取得这样的成果，离不开学校对新专业前沿发展的重视，尤其是在课程的开设初期，组织专业教研团队进行前期调研和情境分析、拟定课程开发目标、 编制课程开发方案。当然，这是个更新换代异常迅速的年代，我们的教材也要不断的随着时代的发展而改变，未来的开发还会面临很大的挑战性和竞争力。

参考文献：

[1] 董建中，深圳应在我国智能制造的发展中有所作为[J].特区实践与理论，2016（4）：51-55.

[2] 宾恩林. 改革开放40年来中职服务产业发展的路径与未来转向——基于政策变迁分析[J].职教论坛，2018（6）：78-85.

[3] 吴铠波. 中职学校3D打印技术校本课程开发研究[J].教育现代化， 2019， 6（20）： 175-176.

[4] 龚小龙. 基于校本课程的中职学校课程过程性评价探究[D].上海：华东师范大学， 2010.