“三教”改革背景下Inventor建模教学融合3D打印技术的策略

王 韬

(江苏省邳州中等专业学校,江苏 邳州 221300)

随着3D打印技术的不断发展,熔融沉积成型(FDM)工艺已高度成熟,特别是以ABS和PLA为耗材的3D打印技术凭借易用性、稳定性和经济性,在各个领域均取得了良好的实用效果。因此,在中职学校Inventor三维建模教学中,尝试将3D打印技术与建模技能培养相融合,落实“三教”改革的具体要求,探索Inventor软件三维建模融合3D打印技术的教学策略,实现以“虚”建“实”,以“实”验“虚”的闭环教学过程,为学生高效完成Inventor三维建模提供支持,引导学生掌握Inventor三维建模与优化的方法,有效提升中职学校专业课教学质量。

一、中职学校专业课“三教”改革的实施路径分析

(一)优化专业课教师的能力结构

1.成立专业课创新教学团队

创新教学团队的作用在于汇集高水平教学力量、创新专业课教学方法、实践专业课教学改革、发挥带动作用。在创新教学团队的带动下,引导全校专业课教师自觉适应数字化、智能化等新技术,有效推进专业课教学改革。专业课创新教学团队每学期定期赴企业实践,以优化专业课教师能力结构,并通过相关考核制度与细则,激发专业课教师的工作潜能,实现专业课教师角色的多样化,实现专业课教学与教研的有机整合,打造适合“三教”改革的专业课教师团队,真正把内容整合、教法创新融合到专业课教师的培养培训过程中,力争在“谁来教”上取得成效。

2.打造“双师型”专业课教师队伍

学校与企业之间的产教融合需要一支高素质的“双师型”专业课教师队伍,但建设“双师型”专业课教师队伍不能只凭教改方案,而是要靠“三教”改革政策推动、教改任务驱动、校企双方共同来建设“双师型”教师队伍。落实“三教”改革后,江苏省邳州中等专业学校的“双师型”专业课教师人数快速增加,专业课教师的专业发展快速提升,多数专业课教师自愿去合作企业进行专业实践,主动学习企业新技术,保障了学校专业课教学内容与企业同步,保障了产教融合项目的正常开展[1]。

3.厘清教师改革工作中的关键点

“三教”改革的主体与关键是教师,教师改革是“三教”改革、职业教育转型升级的突破口和切入点,也是推进“三教”改革有效实施的枢纽。如果教师改革不能有效推进,教材改革、教法改革可能会流于形式、迫于压力而被动进行改革。教师主动进行改革和被动参与改革,其内生动力、质量标准和实施目标是不同的,实施中制定以人为本的制度、机制,充分挖掘教师内心深处的正能量、闪光点,扬长避短,充分发挥每个教师的优势、特长和兴趣,给教师以充分选择、发挥作用的空间。

(二)优化专业课的教学内容

学校进行教材改革解决了“教什么”的问题,出发点就是按照中职教育专业课的特征开发设计新型教材,优化专业课教学内容,把新思想、新理念、立德树人、创新创业教育、新技术和新要求等体现在新型教材中,把握好教材改革的理论依据、编写方法、内容选择依据等。目前,职业教育专业课使用的教材多数存在不足,不适合学生的学习使用,需要进行系统性彻底改造,重新策划编写。

实施中,把握好教材改革的侧重点与关键点非常重要。一是从学科体系框架内彻底跳出来,按照职业行动体系的思维方式、理念方法开展企业调研、系统规划等工作;二是促进教师真正理解职业教育专业课教材改革与建设是一项系统工程,不是单独对某一门专业课程的教材进行改革编写;三是建立符合教改要求的、企业工程技术人员真正参与的教材改革编写团队,引入典型生产案例;四是学校制定教材开发编写相关制度和质量保证体系,保障专业课教材改革工作有效实施,确保专业课教学内容的质量。

(三)优化专业课的教学模式

中职学校实施教法改革的目的是解决“如何教”的问题,其核心问题是如何根据训练内容选择适宜的行动导向教学方法,恰当选用任务驱动、小组合作、角色扮演等行动导向的教学方法实施教学,以确保取得最佳教学成效。教法改革以学生为中心、学习成果为导向组织教学活动,提高学生学习专业的兴趣,逐步培养学生的自主学习能力,根据不同学生的兴趣点、基础能力等,设计多个具体学习方式供学生选择,严格按照评价标准进行学习业绩测评。

实施教法改革时,其侧重点与关键点应注重四个方面:一是教师思想理念真正转变,并主动积极参与相关改革、试验工作;二是建设、改进实践教学条件、环境和运行机制,开放实践性设施和实训室,给学生更多的时间、条件进行自主学习与创新研究;三是以学习成果为导向,对学生完成的各级学习成果的含金量、质量进行抽查和评价,以此作为评价专业课教师教学质量的主要依据;四是将学校督导工作重点转移到指导、咨询和服务教师进行教法改革与试验工作上。

二、中职学校Inventor三维建模教学存在的不足

(一)三维建模教学目标不明晰

有些专业课教师在组织学生三维建模训练时,未能结合企业的真实生产产品,也没有结合企业的真实工作过程,培养目标仅限教会学生能使用Inventor三维建模软件,教学理念落后,基于应用型人才培养的目标不够明晰。教学中学生运用的建模模型多为教材中指定的,仅对模型本身进行程式化操作,操作步骤单一,往往忽视对学生建模源头的思考和对生产验证的能力培养。同时,培养学生的知识结构相对老化,不能满足当前企业真实需求。而三维建模教学的能力结构应包含知识目标、能力目标及情感态度与价值观目标,实现人文、职业素质并举育人。但现有的课堂教学多数是理论教学与实践相脱节,专业课教师“重理论、轻实践操作”的问题突出,未紧随机械行业发展迭代的步伐,不能动态调整教学目标。另外,教学过程中师生间互动不多,训练中学生学习主动性受限,有时被动受教,对于所建模型的理由、如何建模型、所建模型的对与否、效率高与否、是否有实物验证建模设计的合理性都较为模糊,最终导致课堂氛围枯燥。

(二)三维建模教学手段单一

1.实物教具单一

教师往往采用少量的教学模型、挂图来辅助教学,有的教师虽然在教学中采用了仿真视频、爆炸图、3D演示等信息化手段,但虚实结合不够紧密,虚拟演示与真实案例教学教具不配套,不成体系,教学模型品种少、数量少,又因模型加工费用高,样式变动快而实体教具更新较慢,导致学生不能通过虚拟演示深刻理解相关知识点。教学模型展示虽然可以帮助学生深刻理解所学知识,实现从“虚”到“实”的教学效果,但不能激发学生学习专业的兴趣;对于挂图式教学只能展示平面的图像,学生无法在脑海中构建空间立体结构,进而影响建模思路,学生也很难将实物的三维结构与二维制图联系起来,致使对要建模结构理解不深刻。

2.授课方式单一

多数专业课教师采用以讲为主的授课方式,完全控制训练教学中的各个环节,致使课堂氛围枯燥,抑制学生训练的主动性。很多专业课教师在授课过程中未能恰当融入思政元素,不能有效激发学生学习专业的热情,无法增强学生学习专业的动力。另外,教师在组织训练时,只是把专业知识内容传授给学生,很少对学生进行创新意识、创新能力和工匠精神的培养,致使学生虽然学习了专业知识,却不能运用专业知识处理实际问题,学生不具备工匠精神、工匠能力和相应的专业技术能力。学生在使用Inventor三维建模时,只是模仿教材中的一些实例,这不利于学生空间思维、创新思维的形成,进而限制Inventor三维建模教学质量的提升。

(三)三维建模内容与行业对接不紧密

实际教学中所用案例、教材相对落后,与行业对接不紧密,并缺乏针对性。教学过程中,教师组织学生进行Inventor建模时,学生只是按照给定的操作步骤完成建模,注重的是某一工具或特征的功能实现,缺少对产品创新的理解与设计,不关注产品生产效率和实用性,整个教学过程重于模仿,与行业的实际产品联系不多。学生学习后没有掌握与产品设计和实际生产产品制造加工的相关内容,只关注一些建模功能的操作步骤,缺乏建模方案优化操作,忽略了建模参数优化。另外,有些建模的知识点过于陈旧,跟不上软件发展迭代的步伐。

(四)3D建模实训条件简单

3D建模实训室多数是在普通机房完成教学,并未搭建3D建模实训室,建模完成后的三维工程文件“困”于电脑硬盘中,无法有效开展验证建模实体的加工生产,更谈不上依据实体反馈进行模型的二次修改。特别是较为复杂的3D建模模型,由于缺少五轴加工中心设备,更难于验证3D建模的合理性,造成多数三维建模课程仅仅是完成教材中的实训内容,不利于培养学生的专业技能素养。

三、中职Inventor建模教学融合3D打印技术的策略

随着3D打印技术的不断发展和推广应用,目前越来越多的学校已普及3D打印设备,作为一门专业课程和社团兴趣小组活动内容成为学生学习生活的一部分。因此,提出将3D打印技术引入三维建模教学,通过增材制造验证建模效果,让Inventor建模由“虚”转“实”,丰富专业课程的训练内容,提升学生学习专业技能的兴趣,增强学生的团队合作能力,营造良好的训练氛围。

(一)实施项目教学

借鉴其他专业课教学的成功经验,针对Inventor建模教学实际,设计出融合3D打印技术的项目教学流程(如图 1)。项目教学以任务形式来引导学生合作学习,训练过程设定准备、实施、评价三个环节,帮助学生通过自主学习、合作探究等方式完成既定实训项目。

1.准备环节

教师课前布置Inventor建模设计任务,明确学习目标,有效激发学生学习兴趣。项目任务开始时,教师利用微课视频为学生进行项目任务的讲解,营造相对真实的任务环境,以项目任务为载体,向学生提出任务要求,引导学生自觉做好学习准备。

2.实施环节

任务活动中为学生提供实施平台,营造讨论交流的氛围,激发学生的求知欲,树立学生完成项目的信心。通过“思”“验”“练”,运用讲解示范、多媒体演示、问题引导等手段,突破Inventor建模的教学难点,通过“教、学、做”方式帮助学生掌握所学内容。学生小组内讨论时,教师提供项目内容,通过图纸和3D打印实体教具分发给学生,学生结合课前准备,运用所学知识分析项目相关技术要求,并提出建模思路,制定合理的方案及具体建模流程,锻炼学生查阅资料的能力。当学生完成建模后,要求进行3D打印验证,完成“思”“验”“试”各环节,并观察Inventor建模的合理性,再次引导学生重新设置相关参数,进一步优化建模方案[2]。

3.学习评价

完成实施环节后,学生对本项目有了一定的理解,为了让学生进一步熟悉建模过程,组织学生进行学习评价,各组学生按照给定的学习评标内容,通过自评、互评的方式检测学习效果,让“思”“验”“练”过程再次得到提升,让“思”“验”“试”过程得到反馈,引导学生掌握建模的总体框架及利用3D打印后如何优化方案,帮助学生发现训练中的成绩与不足,促进学生巩固所学知识,达到学以致用的教学效果。

(二)3D打印实体模型辅助建模

在教学过程中,教师根据学情进行针对性演示训练环节,课前将抽象的图样内容、空间复杂的结构用3D打印机制作教学模型,再结合虚拟仿真,通过“虚”“实”结合的方式来弥补学生对抽象、空间立体结构想象力的欠缺,进一步理顺“三维—二维—三维”之间的思维转换,让学生更加容易理解建模产品的结构。借助3D打印的实物模型不仅使教学内容更加具体,而且有利于学生理解三维结构,同时3D打印的教具与虚拟仿真视频也构成一套教学资源库,方便学生的后续学习与教师的教研推广。

(三)优化实训教学环境

1.重视三维建模实训室建设

校内实训室增加与建模相关的设备,保障学生在三维建模后可以完成3D打印操作,验证建模的合理性,进而转化为由“虚”到“实”的教学过程。学校改建原有普通实训机房,增加3D打印机数量,从而实现对实训教学环境的优化,3D打印机可采用FDM成型技术的设备,选用PLA打印耗材,不仅让设备经济可靠,耗材环保、经济,产品光洁度高,而且比数控机床、五轴加工中心的资金投入少,有效满足Inventor建模实训教学的需求。同时,通过校企合作搭建学生校外实训基地,让学生融入真实的工作场所,了解企业实际的项目和工作流程,通过岗位实战训练,以提升学生专业技能水平。

2.优化3D打印与三维建模验证流程

在实施建模和3D打印融合实训教学时,以案例和项目任务推进形式,驱动学生完成相关学习内容,根据课程培养目标要求组织学生进行实战训练,针对学生真实学情来合理设置操作任务,注重培养学生对学习任务的分析能力,加强学生由“虚”转“实”的操作能力,借助3D打印实物给学生创设直观的建模结果,降低学生理解Inventor建模知识的难度,训练学生的工业产品设计能力。以曲面上创建文字为例,利用Inventor2018进行建模绘制时,为学生设计明确的建模、验证流程:(1)软件建模:学生绘制好三维零件图,另存为可打印的格式,多数为STL、OBJ等常用格式。(2)FDM切片软件分层处理:首先,对关键参数进行调整,例如热床温度、打印机挤出头温度、层厚、合理填充率(一般为20%—30%);其次,分析模型的特点,合理增减支撑数量,完成模型打印,验证修改。(3)调试打印:调整耗材托架,设置耗材加载数值,完成打印等工序[3]。

四、中职Inventor建模教学融合3D打印技术的思考

中职学校专业课实施“三教”改革时,教师、教材和教法三者是密不可分的,它们相互关联、相互促进、相互制约。Inventor建模编写的新教材是课程内容和行动导向教学方法的载体,教法是应用新教材完成学生技能培养的路径和方法,专业课教师通过教法和教材改革实现对学生专业能力的培养。实施“三教”改革时,要以人为本,以学生为中心,以学习成果为导向,才能实现提高专业课教学质量的教改目标。

中职学校专业课实施“三教”改革时,专业课教师应做好工作过程调研。专业课教师不仅要到企业开展深入细致的调研工作,还应在与课程、教材对应的、密切相关的工作岗位上,参加岗位工作实践,按照企业规范要求与企业员工一起工作,亲身体验工作内涵。通过体验和调研岗位要求,分析确定每一个项目任务需要具备的具体专业技能和职业素养,明确应该掌握的知识点,并运用到教改过程中。