OBE-CDIO理念下3D打印技术的应用探究

周苏洁

摘 要：近年来，随着OBE-CDIO教育理念在高职教学改革中越来越普及，将3D打印技术与专业课程进行融合，对于培养学生的综合实践能力以及顺应社会人才发展的需求至关重要。文章在基于OBE-CDIO理念指导下，将3D打印技术与“机械制图”课程相结合，可以在培养学生的创新思维与综合技能的同时，有效地激发学生的学习兴趣，从而显著提升教学质量。

关键词：OBE-CDIO;3D打印;“机械制图”

0    引言

目前，企业对高职工科毕业生的实践技能要求越来越看重。因此，旨在培养符合社会发展需求的综合技能型人才的OBE-CDIO教育理念在高職教学改革中得到了推广，这就要求高职院校在课程建设中要注重以两个需求为导向：（1）一是注重以市场人才需求为导向;（2）二是注重以学生多样化发展为导向，递进式地挖掘学生潜能。同时随着智能化生产时代的到来，培养技术性及复合型的技能人才日益迫切，3D打印技术的出现和普及成为OBE-CDIO理念与专业课程教学改革实现融合的桥梁。

“机械制图”是高职工科类专业大一必修的一门知识和技能并重的专业基础课，课程具有很强的实践应用性，目标在于培养学生绘制和识读机械图样的基本技能。传统课堂教学中的“老师讲，学生练”的教学模式，学生容易被局限在一个狭小的知识层面上，“图-物”之间的相互转化只停留在脑海的想象和纸面上，不利于学生创新思维和工程素质的培养，已不再满足目前市场对人才的要求。因此，针对“机械制图”课程进行教学改革，更新教学理念和教学模式是非常有必要的。

1    研究背景

1.1  OBE-CDIO理念

OBE（Outcome Based Education）是一种以成果为导向的教育理念，核心是强调学生在接受教育后获得的学习成果和实际技能。OBE理念要求围绕学习产出这个终极目标， 以“学习成果-能力培养-课程设计”为这条反向路线，组织开展教学活动以及实施教学考核评价[1-3]。

CDIO教育理念是将构想、设计、实现、运行4个内容进行有机结合，将实际项目作为载体，引导学生主动地、实践性地完成实际项目，在过程中不断巩固理论和专业知识，提升个人、团队沟通协作以及工程系统能力，成为一名真正符合企业需求的人才[4]。

以产品产出为导向的OBE和项目式主导的CDIO教学理念有共同之处，它们都是以培养学生能力作为目标，是相辅相成的关系。OBE理念具体指导“培养什么学生”，而CDIO教学模式就“怎样培养”作出了解答[5]。CDIO项目式教学的开展是OBE理念得以实现的一种方式。由以上分析可知，OBE-CDIO融合的教学模式，首先应该根据企业的人才需求合理地制定教学目标和教学计划，以项目为载体实施教学活动。

1.2  3D打印技术

《中国制造2025》文件中明确提出推进制造过程智能化，而3D打印技术的蓬勃发展是实现推进智能化制造的有利途径。3D打印技术可以直接通过三维数字化模型生成模型实体。相比于传统的加工技术，利用自下而上层层堆叠的增材制造方式，可以加工出任何具有复杂形状和内部结构的物体，具有快速自由成型、高柔性以及经济性等显著特点[6]。近年来，3D打印技术已经普及到各行各业，企业对于熟悉和掌握3D打印技术等先进制造技术的人才需求日益增加。

为提高学生的实践能力和综合工程素养，开拓学习视野，本文基于OBE-CDIO理念的指导，将3D打印技术引入“机械制图”课程建设。并且针对“机械制图”课程目前存在的问题，基于学习成果为导向，借助3D打印技术的CDIO项目为载体，对传统的“机械制图”课程进行教学改革。

2    OBE-CDIO理念下3D打印技术在“机械制图”中的应用

2.1  “机械制图”课程“教”与“学”过程中的问题分析

在“教”方面，传统的“机械制图”课堂更多地以老师为中心，属于“老师教什么，学生学什么”的模式，学生被动式地被灌输知识，不利于学生学习兴趣的培养，甚至容易产生厌学心理。在课程内容的讲解上，更多偏向于理论知识的讲解，实践内容主要以手工绘图为主。在教学手段的使用上，比较单一，课堂教学以PPT、板书为主，利用动画、视频、挂图以及实物模型等教具加以辅助，但是，PPT课件展示模型大多以平面图形为主，缺乏三维空间感，学生学习难度大，加上实体模型不足和课时的缩减，整个教学过程缺乏互动体验，枯燥乏味，导致教学效率低下，教学效果不佳。

在“学”方面，“机械制图”注重二维图形和三维模型之间的相互转化，特别是识图方面，高职学生的空间想象能力普遍不足，无法准确实现一些复杂二维图形的三维表达，这将导致一些课程中的重难点内容知识教学效果不理想。例如，截交线与相贯线一直是“机械制图”教学的重要模块，但也是教学难点，学生很难从投影视图直观地想象出其三维模型。

2.2  “机械制图”教学活动的反向设计

教学的最终目的是学生能力的培养，学习成果则是衡量学生能力的高低的标尺。“机械制图”的教学设计应该基于OBE理念，逆向设计课程实践环节，自上而下进行分析，首先要从企业目前对毕业生的要求出发，分析学生应该从课程获取什么能力，包括3个方面：（1）培养绘图和识图的能力，提高学生的空间思维能力，能够利用二维和三维绘图软件将“物”“图”之间进行正确的转化，并且具有一定地设计创新能力;（2）培养一定的工程实践能力，能够完整地完成一个实际项目;（3）培养良好的团队沟通协作能力。其次，根据培养能力的分析，引入3D打印产品作为课程学习成果的形式。再则，坚持以“学生为中心”的原则，对“机械制图”进行教学设计，依托CDIO项目开展教学活动，最后建立多元化的教学考核方案，根据CDIO项目的实施过程以及学习成果作品进行综合评价，如图1所示。

2.3  教学内容与项目实践的整合探索

教学内容是对教学目标进行的反向设计，教学目标的设定应与最终的培养能力目标保持一致，由培养目标出发反推出各个教学模块的子目标，并将这些子目标与课程的知识点进行关联。需要以知识能力目标和素质能力目标为指导，梳理和归纳知识点模块，同时更重要的是要利用CDIO教学理念，将3D打印实践项目作为学习成果与课程教学内容进行优化整合，如表1所示。

由表1可见，每一个知识模块的最终学习成果都是相关的3D打印模型，这样学生在可以在理解本章知识点的基础上，通过3D打印技术这个载体，将理论和实践进行紧密的结合，在过程不仅掌握了二维制图和三维建模的技能，又亲身参与了模型的加工实践，完全符合总培养能力的目标要求。

2.4  教学过程的实施

在课程教学实施过程中，要靈活应用多样化的教学方法，以学生为中心，老师为引导，使理论教学和现场教学相结合，并融入启发式、讨论式、问题提交式等新的教学方法。例如在讲授“绘制和识读零件图”模块时，首先可以将已经打印好的齿轮 轴作品展示给学生，让学生事先明白要做什么，下一步再将学生进行分组，以小组为单位就 “怎么做”这个问题进行分析和讨论，通过小组代表发言的形式，让学生发表自己的想法思路。基于此，通过教师的引导，指出齿轮轴打印任务的关键步骤，再映射到本章节相关的知识点进行逐一讲解，学生可以结合所学的理论知识开展实践训练，首先利用二维CAD软件对齿轮轴进行工程图的绘制，并利用三维建模软件将其转换为三维空间模型，再将三维模型导入3D打印机进行实物的打印。最后，通过小组汇报的形式进行项目汇报，使学生梳理学习和实践过程，并且可以就过程中的疑惑提出问题，教师和其他组学生共同来答疑，培养学生团队合作精神，提高学生自主学习、问题和解决的能力。

并且可以通过以赛促学的方法，在课程末尾阶段组织院内的3D打印大赛，作品展示和小组汇报可以作为比赛的内容，例如课程的最后一个模块就可以作为比赛的主题。通过竞赛的形式，对获奖的队伍进行适当地奖赏，不仅可以激发学生的学习兴趣，提高学习的主动性，而且通过竞赛，可以检验学生的知识接受程度，作为最后成绩考核重要指标之一。

在课程教学实施过程中，要充分利用信息化教学平台来延伸教学时空，可以提供微课、网络视频等在线资源，方便学生利用课余零碎化的时间进行学习和巩固。并且可以针对学生的3D打印作品和三维模型建立对应的资源库，可以供下一届的学生参考和学习。

2.5  多元考核评价制度的制定

教学考核评价制度的制定是教学过程的重要环节之一，基于OBE-CDIO教学理念，教学考核制度应该体现多元化。多元化考核评价制度的设计需要结合过程性评价和结果评价两种方式，设置多项考核内容和指标，全面考核学生的综合能力，特别是考核学生对知识点的运用创新能力、项目实践能力以及团队协作能力，从而实现对学生达成的学习成果进行全面的、综合恶的考核评价。考核要素主要由学习过程（30%）、理论考试（30%）和项目实践（40%）3个方面构成。

其中，针对项目实践方面，主要考核以下几个内容：

（1）绘图识图能力的考核，占比为40%：通过学生上交的二维图纸，考核学生对“机械制图”知识点的应用能力以及二维CAD软件的操作能力;

（2）3D打印实践能力的考核，占比为30%：通过学生上交的三维模型和3D打印实物模型进行综合评价;

（3）语言表达能力的考核，占比为15%：通过项目分组汇报的形式，考查学生是否能够清晰地阐述项目内容以及回答教师的提问;

（4）团队协作能力的考核，占比为15%：通过组内互评的方式考核学生是够具备优秀的团队沟通和协作能力。

3    结语

本文以“机械制图”为例，基于OBE-CDIO教育理念，从企业需求能力培养目标出发，将3D打印技术引入课程并作为实践项目的主题，对教学目标和内容、教学组织形式和教学考核评价制度进行了逆向设计。引入3D打印的项目式教学模式不仅可以提高学生对理论知识的理解，掌握必须的绘图识图技能，还可以增强其工程实践能力和创新能力，提升其综合素质，使其成为真正符合企业需求的综合性应用人才。

[参考文献]

[1]王保敏，王睿.OBE-CDIO理念在高职院校实训课程改革中的实践[J].安徽商贸职业技术学院学报（社会科学版），2019（2）：78-80.

[2]董永刚，宋剑锋，李兴东，等.基于OBE理念和学堂在线MOOC平台的新型教学模式探索—以高校制图类在线开放课程为例[J].中国教育信息化，2018（10）：51-54.

[3]张京英，杨薇，佟献英，等.构建基于OBE的立体化制图教学新体系[J].图学学报，2019（1）：201-206.

[4]胡建强.基于CDIO工程教育模式的高职机械制图课程教学改革探索[J].教育现代化，2018（47）：55-56.

[5]孙迎兵，汪飞雪，翟富刚，等.基于OBE-CDIO理念的机械设计专业项目课程群教学改革[J].教育现代化，2019（51）：54-57.

[6]高成德，冯佩，帅词俊，等.3D打印技术在机械制图课程中的教学改革探索[J].科技资讯，2020（17）：22-23.

[7]赵紫悦.3D打印技术在机械识图教学中的应用[J].职业教育，2018（4）：71-75.

（编辑 傅金睿）

Research on the application of 3D printing technology based on OBE-CDIO concept：

taking the course of “Mechanical Drawing” as an example

Zhou Sujie

（Zhejiang College of Security Technology， Wenzhou 325016， China）

Abstract：In recent years， as the OBE-CDIO educational concept has become more and more popular in higher vocational teaching reforms， the integration of 3D printing technology with professional courses is essential for cultivating students comprehensive practical ability and meeting the needs of social talent development. Under the guidance of the OBE-CDIO concept， this article combines 3D printing technology with the “Mechanical Drawing” course， which can effectively stimulate students interest in learning while cultivating students innovative thinking and comprehensive skills， thereby significantly improving the quality of teaching.

Key words：OBE-CDIO; 3D print; “Mechanical Drawing”