3D打印在计算机辅助产品设计教学中的应用与实践

袁加奇，郦银花，王长林，张亮

（江苏开放大学 信息工程学院，江苏南京 210036）

2021 年12 月，工业和信息化部等八部门联合印发了《“十四五”智能制造发展规划》，明确了智能制造是制造强国建设的主攻方向。当前，以信息技术与制造技术深度融合为特征的智能制造模式，正在引发整个制造业的深刻变革。作为制造业具有代表性的技术，3D 打印正逐步成为世界各国抢占未来产业制高点的焦点领域[1-3]。计算机辅助产品设计是面向高职机电一体化技术专业的专业实践课，对接机械行业产品设计工程师岗位要求，课程团队依托职业技能证书、专业技能竞赛、企业实践，以项目为载体开展“课证融通、赛教融合、校企合作”的课程改革[4-8]。建立“德、智、技、美、劳”五维教学评价体系，全程融入弘扬中华优秀传统文化、制造强国、工匠精神、创新思维的课程思政教育，全面提升学生的综合能力素养。计算机辅助产品设计利用三维建模软件（Solidworks）完成产品的设计、实体造型等任务[9-14]。结合3D 打印技术制作产品模型，旨在提高学生空间思维、创新能力以及实践能力，培养学生良好的团队合作精神、严谨的工作作风和敬业爱岗的工作态度。

1 课程整体设计

1.1 围绕岗位能力重构教学内容体系

随着信息时代的发展，计算机辅助产品设计的方法也不断更新迭代。根据课程标准，计算机辅助产品设计课程的教学内容将三维建模的教学内容与3D 打印技术相结合，教学设计共分为4 个项目，分别是3D 打印赋能非遗、榫卯结构三维设计、榫卯结构装配设计、3D 打印与创新设计（见图1），通过融入榫卯结构、3D 打印技术等，让学生了解从设计到建模再到制造的全过程。

图1 教学设计内容

1.2 关注个性化发展，精准分析学情特点

教师通过调查分析，多维度把握学生学习情况，既考虑个体特征，也考虑全局学情分布。计算机辅助产品设计课程授课对象是机电一体化技术专业一年级（第二学期）学生，该阶段学生对专业基础知识有一定的储备，具备一定的创新思维能力和动手操作能力。在课程初期阶段，学生已经学习了机械制图的基础知识，能够绘制和识读机械图纸，也已经学习利用AutoCAD 软件绘制二维平面图，对三维建模有初步认知，但没有系统学习三维建模的流程，对3D 打印的应用场景不够了解。根据调查分析，大部分学生属于动觉型学生，对理论内容缺少学习兴趣，更喜欢实践操作的学习内容。

1.3 对标学情分析确定三维教学目标

根据学情分析，结合课程标准、人才培养方案、行业规范和相关职业技能证书考核标准，围绕计算机辅助产品设计课程的教学内容，确定了知识、技能、素质三维教学目标（见图2）。其中，掌握三维建模的基本步骤、模型处理以及3D 打印的基本操作流程为教学重点，帮助学生完成产品的分析、设计是教学难点。

1.4 深化虚实结合，打造立体教学资源

课程建立立体化教学资源库，做到线上线下混合、虚实结合，从多维度、多层次满足学生的学习需求，为混合式教学、翻转课堂、课堂教学和实践训练提供丰富的教学资源。

（1）教师针对课程内容推荐“学习强国”中的相关学习篇目，通过对行业动态、热点新闻、政策法规等的解读，联系时代发展和社会生活，培养学生在学习专业知识的同时养成关注时政热点的习惯，将思想政治教育有效融入课程。

（2）基于超星学习平台，为课前导学、课堂实战、课后拓展提供多种便于互动讨论和学习交流的方式，实现翻转课堂。教师为学生提供学习视频、讲义、动画、学习动态等数据，并在教学过程中动态调整。

（3）通过三维建模软件（Solidworks）完成产品的三维数字化建模，让学生感受到产品设计建模的过程。

（4）利用3D 打印操作软件，对三维模型进行切片处理及模型输出，使学生增强对3D 打印概念的了解，并提出处理方案。

（5）利用3D 打印设备制造产品，实现创意设计到个性化实物制作一体化，达到培养学生团队协作、创新实践等专业核心能力的目的，进而为学生走向工作岗位奠定坚实基础。

1.5 聚焦能力提升，实施多元教学方法

（1）情境教学法：通过产品设计的应用场景创设现实情境，分步骤完成学习任务，贴近学生实际需求，增强学生直观认识和学习沉浸感。在实践训练环节，以企业真实任务为引领，模拟实际应用场景，培养学生的实践能力和职业规范。

（2）任务驱动法：将整体任务分为三个阶段，学生层层深入、步步进阶地完成学习任务，减轻学生学习过程中的思想负担，提高学生学习效率，增强学生的成就感。

（3）自主探究法：为学生提供课程知识学习的网络资源，学生在教师的引导下进行信息检索，自主探究，合作完成任务。

（4）互动讨论法：教师提前给每组学生发放任务书，引导学生通过“自主探索→小组交流→获得反馈→总结评价→动手实践”等环节达到项目目标，让学生学会自主学习、多向交流，锻炼学生语言表达能力，活跃课堂气氛。

2 教学实施过程

2.1 融入课程思政，全方位塑造职业素养

在教学过程中，教师通过对行业动态、热点新闻、政策法规等的解读，培养学生在学习专业知识的同时养成关注时政的习惯，将思想政治教育有效融入课程教学。

（1）在教学过程中引入中国非物质文化遗产——榫卯结构，弘扬中华优秀传统文化，培养学生的家国情怀和工匠精神。

（2）融入极美南京·人物——微缩榫卯，指尖上的非遗传承，南京微型榫卯结构木作传承人陈和生，为学生树立学习榜样，弘扬中华优秀传统文化，使学生树立终身学习的理念，培养学生创新精神和工匠精神。

（3）在教学过程中融入大国工匠——中国电子科技集团公司第十四研究所数控车高级技师胡胜的事迹，胡胜等幕后工匠的精心雕刻，让中国“千里眼”俯瞰全球。让学生树立智能制造、制造强国的信念，培养学生精益求精的工匠精神。

（4）通过融入“冰墩墩”“雪容融”“冬奥会火炬”等现代元素，使学生了解奥运会上火炬内外飘带都是通过3D 打印铝合金加上后处理制作而成，弘扬中华优秀传统文化，增强学生的民族自信心和创新精神。

2.2 项目驱动，全过程贯穿职业技能

教学过程以指导学生完成一个个具体、具有实际应用价值的项目为目标，把教学内容巧妙地隐含在每一个项目中，让学生自己提出问题，并经过思考与教师指导，自己解决问题，大胆创新。学生在完成任务的同时，培养专业技术能力、创新意识以及自主学习习惯，学会如何发现问题、思考问题、寻找解决问题的方法。

2.2.1 结合学生学习特点和专业内容，精心设计项目

以榫卯结构为案例，讲解拉伸、旋转、切割、扫描等基本操作，并完成榫卯结构的装配过程。以具有中国特点的古楼结构、北京冬奥会吉祥物“冰墩墩”“雪容融”“冬奥会火炬”为案例，学习过程循序渐进，案例生动形象，既与中华优秀传统文化融合，又紧随现代社会发展，同时也可以激发学生学习兴趣和专业学习的热情。

2.2.2 项目驱动递进式课堂

在教学中，各项目按照知识和技能的复杂程度渐进式设计，各项目子任务按照“认知、探究、设计、制造”递进式的模式设计，知识点和技能点衔接紧密、循序渐进。教师在课前任务、课程导入、情境创设、概念认识、原理探究、任务实践等环节创设情境、以问题驱动，以学生为中心，启发学生主动思考、探究，分析问题、解决问题，并形成初步解决方案（见图3）。

图3 “项目驱动型”教学模式

图3 三维教学目标

2.2.3 信息技术融合创新，多元方法活学活用

在教学实施中，合理运用多元化信息技术辅助教学，集合超星学习平台、建模与仿真软件平台完成课程教学，在此基础上，综合运用动画、视频等，提高实践教学效果，培养学生现代化信息管理思维和能力，提升其职业发展和迁移能力以及终身学习能力。

课前，学生从学习平台接收任务，通过观看相关视频、查阅资料、小组讨论等方式完成课前任务；课中，利用三维建模软件、3D 打印处理软件、视频、动画等展示教学重点和难点内容，运用头脑风暴方法，开展小组讨论、互动交流、汇报点评等方式，使学生加深对学习内容的理解；课后，学生登录学习平台完成任务和成果上传。教师通过学习平台查看学生学习成果和数据统计，分析总结学生在教学环节中的参与情况。

2.2.4 教学流程

具体教学流程如图4 所示。

图4 教学流程

2.3 “多维评价”，全流程评价教学效果

课程建立多维评价机制，从德、智、技、美、劳五个方面对学生进行评价。其中，德：道德品质占比为10%，包括思想素质和社会责任感。智：学习表现占比为50%，分为课前导学、课堂表现、课后拓展三个阶段，线上、线下两个场景。课前自学和课后拓展的考核评价均在线上完成，课前自学包括完成课前学习和测试，课后拓展包括完成课后作业及任务等。课堂教学评价一般在线下完成，包括考勤签到、课堂表现、随堂测试、项目完成、汇报展示、团队协作、操作规范等。同时，还形成小组自评、小组互评、教师点评、师生互评的多维评价模式。技：操作技能占比为20%，包括技能水平、操作规范和操作安全。美：职业素养占比为10%，包括团队精神和职业发展。劳：劳动创造占比为10%，包括工匠精神和劳动素养。

3 教学成效

3.1 任务驱动，使学生获得扎实专业技能

通过课程的设计与实施，学生对于计算机辅助产品设计的过程及3D 打印基本流程有了新的认识和理解，创设任务驱动型的课堂教学，使学生在学习新知识、新技能的同时，通过动手实践达到理论与实践相结合、学以致用的教学目的。将课程的内容与专业职业技能证书相结合，让学生在学习新知识的过程中获得相应的职业技能证书，为今后的职业发展奠定基础。班级学生参加三维建模、3D 打印技术等职业技能证书考试，考核通过率达90%以上，参加“高教杯”全国大学生先进成图技术与产品信息建模创新大赛获奖10 余项。

3.2 引入项目情境，激发学生学习兴趣

在引入项目情境时，与中华优秀传统文化、民族特色相结合，激发学生的学习兴趣，学生学习的主动性和动手能力明显提升，职业规范意识显著增强，明确意识到新时代高素质技能型人才应具备的专业技术能力和职业素养，为今后更好地融入专业岗位奠定基础。

3.3 借助校企融合，使学生能力强化提升

教学团队通过走访企业、院校，主持修订专业人才培养方案，修订课程标准，注重学生学习成果反馈，及时调整和优化教学过程，做到常态化纠偏。在教学改革过程中提高了团队成员的教学能力和水平，积累了宝贵的在线课程建设和教学经验，有效提升了专业水平和创新素养。院校与多家企业签订实习协议，为学生提供实习岗位，提升学生专业实践能力。

4 特色与创新

4.1 创新教学形式，以任务驱动促进技能培养

充分利用学习平台、教学资源等，在教学内容中结合最新的3D 打印技术，让学生学以致用，对所学内容有直观的认识，激发学生的学习兴趣。采用情景创设、项目导入、任务驱动方式，以任务为主线，以学生为主体，以教师为主导，创设以学定教、学生主动参与、团队协作探究的学习模式。教学过程层层递进，包含教学准备、课堂导入、创设情境、概念认知、讲解示范、发布任务、实践活动、课中指导、小组交流、教学小结、评价反思等环节，考核从德、智、技、美、劳五个方面对学生进行综合评价。

4.2 传承中华优秀传统文化，课程思政融入实践活动

教学过程围绕中国非遗榫卯结构的三维模型结合3D 打印制作的技术，融入大国工匠、非遗传承人等思政元素，弘扬中华优秀传统文化，使学生树立终身学习的理念，培养学生精益求精的工匠精神和创新思维，增强学生的社会责任感。

5 反思与改进

5.1 完善信息技术，改进专业学习方式

随着计算机技术和智能制造技术的发展，智能制造将融合更多新技术，如机器人、信息通信技术、人工智能、大数据等技术，在未来的课程改革中，教师可将虚拟现实技术、计算机视觉和可穿戴设备等引入课堂，让学生感受智能制造技术发展所带来的制造业变革，更直观地体会产品的设计、制造过程；校企深度融合，学生实际参与智能制造的全过程；可采用信息化技术，辅助诊断教学行为，并持续改进。

5.2 持续深化校企合作，提高整体教学质量

持续关注和思考计算辅助制造技术与不同学科、不同专业的交叉融合，深化校企合作，深化课程团队与企业的合作，开发教学资源和数据库，实现知识的串联和延展，关注学生的专业方向和职业发展，为学生专业实践能力培养提供有效的驱动力。

5.3 关注学生职业发展，满足学生个性化学习需求

关注和思考学生的专业发展和职业发展，考虑不同专业、学科的交叉融合，拓宽学生的学习领域和职业发展渠道，为学生专业能力和专业技能培养注入创新驱动力。因材施教，一生一策，满足学生的个性化学习需求。

6 结束语

本文针对计算机辅助产品设计课程中的部分教学内容进行教学设计，从教学内容的整体设计、教学实施过程、教学成效、特色与创新、反思与改进5 个方面进行阐述，将三维建模与3D 打印技术相结合，开展“认知、探究、设计、制造”递进式的教学模式，并在教学过程中融入制造强国、工匠精神、创新思维、职业素养、团队协作等课程思政，旨在提升学生的专业素养，为其今后的职业发展奠定基础。