基于数字双生的3D情景建模的教学方法实践——以“职业技能鉴定（钳工）”课程为例

刘莉，史骏，张配，张丽媛，张宗芳

（西安铁路职业技术学院 机电工程学院，陕西西安 710026）

1 课程简介

“职业技能鉴定（钳工）”是铁道车辆技术专业的一门专业拓展课。课程主要对铁路货客车车辆机械检修做理论知识讲解与实践操作培训，使学生掌握车辆钳工（中级工）技能鉴定的理论和实操技能。学生在毕业前可考取车辆钳工证，考取该中级工证书，对学生的就业、定岗以及就业后对岗位工作的理论认知以及实际技术操作都有重要意义。

针对“职业技能鉴定（钳工）”课程实践性较强，并且铁道车辆存在机械装置体积大、重量大、难分解、难组装等问题，创新性地提出了数字双生的基于3D 情景建模的线下线上资源交互映射的教学方法，并成功应用于课堂实践。以铁道车辆机械结构组成和工作原理为学习主线，以基于3D 扫描、3D 打印技术的情景建模为核心亮点，利用3D 扫描打通了线下真实结构到线上数字资源的通道，使用3D 打印技术制作实物缩比教具，实现线下实物与线上数字资源的有效映射。以大数据、云图画像的学情分析为课前支撑[1]，以“闭环设计螺旋上升”为教学设计，以爱国主义、团结协作和工匠精神为思政要素，形成了岗位导向、任务驱动和虚实结合的教学体系，有效达成了培养新时代铁道车辆技术复合型人才的教学目标。

2 课程思路与目标

2.1 传统教学存在的弊端

本课程的传统教学采用课堂教学+实践教学的方式，存在一定的弊端[2]。

（1）课堂教学与真车实物脱节。课堂教学利用多媒体课件介绍设备结构组成和工作原理，理论讲解多采用挂图或机械平面结构图，不利于学生对实际设备结构的把握。在转入实践教学后，面对真实车体结构，学生需要重新认知，导致教学效果不佳。

（2）使用真实练功车教学，效果有限。真实练功车体积大，无法进入课堂。而采用实地场景教学，受场地空间限制，有些学生无法看到教师的操作。为保证教学质量，目前的实训环节多采用分组分批次讲解，教学效率低。

（3）课堂教学中的理论讲解对实际操作帮助有限，以车辆钳工技能鉴定考核车钩的拆装为例，在进行拆装车钩前，学生对车钩内部钩舌销、钩锁铁等部件有整体了解，但对具体的部件安装位置和车钩的连挂原理了解有限，导致对实际的拆解和安装过程只能摸索进行，且真实车钩体积大重量大，在装配错误的情况下容易出现安全事故。

（4）传统的课堂教学偏重理论，学生课堂参与的积极性不高。

（5）高职学生喜欢动手操作，但是对于专业机械设备结构认知不足，容易导致操作失误。

2.2 基于3D 情景建模的教学思路

（1）数字双生的基于3D 情景建模的线下线上资源交互映射的教学方法能够有效解决上述问题。将大体积的铁道车辆真实结构利用3D 扫描的方式变成数字模型，数字模型的建立丰富了本课程的线上数字化资源，实现线下资源到线上资源的转化。3D 扫描后得到的数字模型能够真实反映结构外形，能有效帮助学生建立对结构的直观认知。再通过3D 打印对数字模型具象化，制作缩比教具，使线上线下资源交互映射，实现了数字双生的教学模式。在进行机械结构理论讲解过程中，教师可结合3D 扫描形成的数字化资源进行辅助教学[3]，学生通过多媒体课件就可以看到真车上的设备结构外观，360 °可旋转的数字模型，方便学生全方位观察，帮助学生快速建立对机械设备结构的直观认识。再将3D 打印缩比模型带入课堂，学生通过拆装模型，强化原理认知，提升了学生的学习兴趣，为后续实训环节中的实体拆装、检修工作奠定基础，对提升课堂效果起到一定的作用。

（2）基于大数据相关性分析，解决学生课堂参与度问题[4]。通过使用相关性分析工具，对往届学生成绩进行大数据分析，找出与“职业技能鉴定（钳工）”相关系数最高的先导课程“高铁概论”，再根据“高铁概论”的课程成绩，预判本课程的潜在“尖子生”和“后进生”，进而优化课堂分组结构，实现组内帮扶进步。应用词云生成工具对学生的特点“画像”进行刻画，掌握学生共性特征，通过学情分析可知，学生的动手操作和了解新鲜事物的欲望较强。因此教师积极引导动手能力强的学生参与3D 情景建模，理论基础扎实的学生参与数字模型的修复，学生通过参与情景建模过程，能够接触到3D 扫描、3D 打印、三维建模等信息化工具，了解前沿信息化技术手段，增强动手操作能力，也可提前近距离接触到真车结构，提升学习兴趣。

（3）细化课堂设计，构建分节闭环、螺旋上升式总体实施框架，环环相扣助力学生能力提升。课程内容实现从理论学习到实践应用的转化，职业素养教育贯穿始终，实现知识提升、能力提升、素质提升。课堂教学环节细化教学目标，优化教学设计，采用螺旋上升式教学设计[5]。坚持以学生为中心、教师为引导的设计原则，随着课堂的推进，知识难度上升、所需实践能力上升、所要求职业素质提升，打造有深度的课堂。每个课堂环节均闭环设计，学生在每个环节结束后以测验的方式进行信息反馈，教师能够准确获知学生对每个知识点的掌握程度和学习效果，便于对学生进行个性化指导和后续教学精准调整，打造有效度的课堂。在课程教学过程中，素质培养贯穿整个任务过程，打造有温度的课堂。

3 基于3D 情景建模的教学设计

选用《车辆钳工》铁路职工岗位培训教材，结合《车辆钳工（实训）》活页式教材，利用西安铁路职业技术学院创新创业工作室的3D 扫描和3D 打印的硬件设备，完成线下线上资源转化。智慧职教云教学管理平台全过程记录学生的学习轨迹，基于云的跨端思维导图平台MindMaster 实现学生在线协作与学习。采用GCT（小组协作任务化）配合任务驱动法、合作探究法、情景教学法、比较法等教学方法，基于工作过程对教学内容进行结构化和学习化处理，营造实战氛围，激发学生的学习积极性[6]。

课堂的教学环节采用螺旋上升的设计理念，以货车篇车钩为例。整个教学过程采用“四引导”的教学策略，即岗位导向、案例导引、概念导学、实操导思。课前，教师引导学生使用3D 扫描设备对13 号车钩进行扫描，并对扫描后的数字模型进行修补，修补后的模型导入三维建模工具制作车钩结构爆炸动画。同时，修复后的模型进行尺寸缩比，利用3D 打印设备得到缩比教具，整个过程可以提升学生的动手能力。课程前期，教师通过播放重载线车钩断裂的视频引入车钩，融入结构可靠性对列车安全运行的重要作用，引发学生的职业认同感，实现案例导引。课程中期，给出车钩的概念和作用，通过缩比教具展示两个车钩的连挂、摘解状态，使学生在好奇心的驱使下自行探究车钩实现不同状态间切换的奥秘，实现概念导学。教师在多媒体课件中融入扫描后得到的车钩零部件三维图，播放车钩结构爆炸图，使学生对车钩内部部件结构和各部件之间的安装位置关系建立直观认知。课程后期，教师引导学生结合理论使用车钩模型，探究钩头内部结构和组装过程，实现实操导思，为后期实训过程中的真实车钩拆装打下基础。在课堂教学过程中，每个环节都通过测验的方式进行信息反馈，教师能准确掌握学生学习情况，方便后期进行教学策略的调整。

课程采用线上线下混合式教学模式，坚持过程性评价、总结性评价、发展性评价相结合，对学生课程学习、交流研讨、成果汇报、实践作业、成果总结等方面进行综合考评，构建全过程全方位的教学评价体系[7]。

4 基于3D 情景建模的教学方法的特色与创新

4.1 3D 情景建模推动线下线上资源交互映射，实现数字双生

基于3D 扫描技术将大体积的真车机械结构变成数字模型，再通过3D 打印技术将扫描得到的数字模型具象成教具，线上线下资源交互映射，实现数字双生。在课堂教学中利用3D 扫描的数字模型可以强化学生对结构的认知，将缩比模型带入课堂，学生通过拆装教具，提升动手能力，提高学习兴趣，为后续真实设备拆装与检修工作奠定基础，极大降低了检修实训过程中安全事故的发生，对提升课堂效果起到一定的作用。学生通过参与3D 情景建模，接触3D 扫描和3D打印等信息化工具，掌握前沿新技术，通过全过程参与扫描和打印环节激发对专业知识的好奇心。在整个教学过程中，学生加深了对实际结构的认知，增强了动手操作能力，提升了学习兴趣。

4.2 大数据与云图画像支撑课前学情分析，提供决策支撑

采用大数据的云图分析把学生特征“画像”，采用大数据挖掘的相关性算法查找对本课程存在显著影响力的先导课程，为教学手段和教学内容的选择调整提供高置信度的决策支撑。

4.3 “闭环”与“螺旋”细化课堂教学设计，助推高效优质

课程结构设计中每个知识点采用闭环设计，以培养应用能力为导向，实现从理论学习到实践应用的转化，同时职业素养教育贯穿始终，随着课程推进，逐步实现知识提升、能力提升和素质提升。课堂环节采用闭环设计，学生在每个环节结束后以测验的方式进行信息反馈，教师能够准确获知学生对每个知识点的掌握程度和学习效果，便于对学生进行个性化指导和后续教学精准调整，打造高效课堂。

5 基于3D 情景建模的教学方法的教学效果评价

学生在课堂上观看可灵活旋转的数字模型和由三维模型制作的仿真动画，可以直观学习到机械内部结构和各零部件之间的相对位置关系，学生利用缩比模型模拟真实结构的拆装过程，将理论知识与拆装实践相结合，在课程的实践训练环节学生能够更容易上手。整体教学目标达成度较高，知识、能力和素养目标都基本达成，与教学预期相符合，职业技能考核通过率也显著提高。

在教师授课过程中，通过对学生整体和个体信息的采集，形成一个过程性评价，使学生课堂表现可评可测[8]。学生在每个环节结束后以测验的方式进行反馈，教师能够准确获知学生对每个知识点的掌握程度和学习效果，便于进行个性化指导和后续教学精准调整，打造高效课堂。