以赛促改模式下高职课程项目式教学改革探索与实践*——以增材制造实训课程为例

程婷婷 孙伟

安徽机电职业技术学院 安徽芜湖 241000

0 引言

中国制造正逐渐向中国“智造”转型，增材制造作为《中国制造2025》代表性的新兴技术，是制造业数字化大趋势的重要部分。《增材制造实训》课程项目四“医用离心管模具型芯金属3D 打印”案例源自**小微企业自动化生产线的真实项目，依托全国机械行业数字化设计与增材制造职教集团、省级增材制造协同研发中心和省级增材制造技术教学资源库等优质资源，开展“任务外置、岗位内置”工学一体化教学模式，采用任务驱动法、分组协作法、情境教学法、参观法、模拟教学法，将职业规范、劳动教育、工匠精神、劳模精神等融入教学环节中，有效达成课程育人教学目标。

新冠疫情暴发后，涌现出许多企业利用增材制造技术解决了像口罩调节扣、护目镜、测温仪等抗疫物资紧缺的问题。2020 年，商务部和科技部将铸锻铣一体化金属3D 打印技术列入《中国禁止出口限制出口技术目录》[1]。由此可见，增材制造技术对于加快国家工业转型升级带来很大的影响。以安徽省高职院校教师教学能力大赛为契机，对增材制造实训课程进行项目式课改工作，对于培养智能制造应用技术领域高素质技能人才[2]以及持续推进高校专业教学改革具有重要意义。

1 教学整体设计

1.1 教学内容

增材制造实训课程是工业工程技术专业核心课程，主要培养学生对产品工艺设计、三维数字化设计与数据处理、3D 打印设备操作、产品检测等方面的综合实践能力。课程由“基础项目—中阶项目—竞赛项目—高阶项目”四个递进项目组成，教学内容依据学生生源及学情适时调整，高阶项目案例选自企业真实生产项目。课程教学设计充分考虑学生学习认知规律，具体教学内容设计如图1 所示。

本项目引入教学案例“医用离心管模具型芯金属3D 打印”。基于金属打印工作流程和企业岗位职责，课程组将项目教学内容设置为六个任务，让学生在实岗演练中夯实技能、提升职业素养。

1.2 学情分析

1.2.1 知识与技能分析

授课对象为高职19 级工业工程技术专业大二的学生。结合前三个项目的学习，学生已掌握3D 打印技术的相关基础知识和技能；能熟练操作FDM、光固化3D 打印设备、三维扫描仪以及UP Studio 3D 打印软件，能够利用UG、3D One Plus 三维建模软件绘制中等复杂零件模型。

1.2.2 认识与实践能力分析

学生缺少真实企业订单任务的经验，对岗位认知有限，质量意识、安全意识相对薄弱。模具随形水路设计能力和金属3D 打印设备的操作熟练度还有待提升。

1.2.3 学习特点

学生实践动手能力较强，但自主学习能力有待提高，对知识总结归纳能力不够，缺乏知识迁移能力。

1.3 教学目标

依据专业人才培养方案、课程标准、GB/T 35352、39252—2020 增材制造金属粉末熔融工艺规范、GB/T 33000—2016企业安全生产标准化基本规范、Q/TBKJ 增材制造工艺标准，对接2021 年世界技能大赛“增材制造”项目技能标准规范，参照“1+X”增材制模型设计、增材制造设备操作与维护职业技能等级证书评分标准，制定本项目教学目标。

1.3.1 知识目标

1）掌握选区激光熔化工艺原理；

2）掌握深腔型模具随形冷却水路设计方法；

3）掌握模型的数据处理方法；

4）掌握嫁接打印工艺参数设置原则。

1.3.2 能力目标

1）能按照生产要求制定金属打印工艺流程卡；

2）能按照设备操作规程正确操作金属3D 打印机；

3）能正确使用表面粗糙度仪等设备检测产品质量。

1.3.3 素养目标

1）培养安全规范操作的职业行为习惯；

2）树立良好的创新意识和质量意识；

3）树立崇尚劳动、尊重劳动的价值观；

4）培养严谨细致、精益求精的工匠精神。

1.4 教学重难点

打印工艺创新度、产品质量控制、操作技能水平不高等是课程实施过程中的主要障碍，确定教学的重难点。

1.4.1 教学重点

1）医用离心管模具型芯金属3D 打印的工艺制订；

2）医用离心管模具型芯随形冷却水路设计；

3）金属3D 打印设备基板调平、工作台铺粉操作技能。

1.4.2 教学难点

1）优化型芯随形冷却水路设计方案以提高模具注塑冷却效果；

2）优化型芯产品3D 打印加工工艺以提高加工效率；

3）产品同轴度检测与表面质量测量方法。

1.5 教学资源

主教材选用“十三五”国家规划教材《3D 打印技术》，主要供学生对3D 打印理论知识进行系统学习。

辅助教材选用最新的行业研究指导教材《增材制造设计（DFAM）指南》，作为项目实施过程的技术指导用书。

项目活页式教材是由课程组与企业专家共同编制校本教材，包含企业实际生产案例、企业行业标准、软件及设备使用说明等，是项目实施过程的教学指导书。

1.5.2 结构化教学团队

课程组是一支由全国劳模、技术能手、省技术领军人才、企业专家等组成的结构化教学团队，团队共9 人，如图2 所示，分工协作开展项目化教学。

图2 课程团队组成与分工

1.5.3 实训硬件教学资源

课程项目教学环境为校企合作共建的生产性实训基地，实训基地占地面积约2 000 m2，设备总值3 000 余万元，是国家级金属3D 打印校企共建生产性实训基地、省增材制造技术校企合作实践教育基地、全国数控技能型紧缺人才培训基地、省校企共建材料成型工艺与模具设计制造生产性实训基地，拥有三维数字化设计与创新中心、工艺装备技术服务中心、机械产品精密检测中心等，辅助课程硬件教学，如图3 所示。

图3 硬件教学资源

1.5.4 信息化教学工具与资源

嵌入式Linux操作系统定制模型如图2所示，“操作系统功能构件”实线框作为Linux操作系统配置模型的数据输入，“相关配置文件”实线框作为Linux操作系统配置模型的数据输出。

模流分析软件：借助分析软件可以模拟注塑过程中液体的充填过程、凝固过程和冷却过程，进而分析得出最佳注塑方案，能清晰地预判到注塑过程中塑件所产生缩孔、缩松、气孔等凝固缺陷的原因，更好地提高塑件精度和品质。

Magics 模型处理软件：用于开展快速自动的模型修复、按面放平、模型切割、手动添加和删减支撑等操作训练，培养学生对模型修复和切片处理能力。

Simufact Additive 金属增材制造成形仿真软件：用于金属3D 打印的工艺模拟仿真，可预测打印过程的热变形，还具备模拟从基板切断部件、去除支撑结构、热等静压（HIP）等工艺过程，培养学生深入研究材料制造加工工艺仿真分析能力。

金属3D 打印虚拟仿真平台：用于开展金属3D打印设备操作的虚拟仿真与测试，打破传统实验教学的时空限制，实验教学更加直观、形象；丰富了实验教学内容，实验教学形式、实验教学环境得以优化，利于实验教学各环节顺利进行，促进实验教学目标顺利实现。

信息化教学资源：课程团队建设有增材制造技术省级教学资源库，包含增材制造技术、增材制造结构优化与仿真、3D 打印设备拆装与调试、增材制造技术实训、材料分析与检验、三维扫描与逆向建模、增材制造零件后处理工艺、典型零部件增材制造工艺、工业产品数字化设计与测量九门课程教学资源。

校企合作开发的近100 项企业实际生产案例，案例涉及汽车零部件、航空航天、模具及文创等行业。

1.6 教学策略

1.6.1 践行“三融、三渗”的任务外置、岗位内置工学一体化教学模式（图4）

图4 “三融、三渗”工学一体化教学模式

离心管型芯订单产品需求量大，为了满足企业生产订单要求，将任务四离心管模具型芯嫁接打印外移到增材制造企业完成。课程组教学设计过程充分考虑项目内容目标与企业工程标准无缝衔接，实现三个“融合”：项目实践与课堂学习融合、实训环境与企业实景融合、课堂控制与企业管理相融合。在综合化的企业情景中完成实践教学内容，培养学生严谨细致、精益求精的企业岗位意识。

同时，根据学生技术成长与企业需要，把企业岗位放到日常教学中，实现三个“渗透”：企业领域中的专业岗位工作内容渗透于课程任务中，企业领域中的岗位职责要求渗透到课堂教学要求中，把专业领域中的岗位标准与规范渗透到评价体系中。

1.6.2 分组协作学习法

结合学情分析了解学生存在自主学习能力差、责任意识不强、沟通表达能力较弱等突出问题，为增强课堂整体的教学效果，课程组从学生学习心理、学习积极性调动方法等方面设置三种分组方法（图5）。小组合作学习是转化“差生”，缩小差异，面向全体，促进和谐发展的有效途径。

图5 分组教学法

方法一：“循环报数法”分组

根据教学任务确定每小组成员为五人，将学生分为六组，学生随机站成一至两排，按顺序从1 ～6循环报数（事先提示大家，务必要高度集中注意力，并且记住自己报出的这个数）。所有报数相同的学生，聚集到一起，形成一个组。同时，组的序列也自动生成了。例如：报数为“1”的，即为第一组……以此类推形成六个小组。

方法二：“前导成绩”分组

教师根据相应知识点，调出前导课程成绩，并将成绩分为五级制，平均到每组，成员有优良中差等级，每个小组推选一位组长，便于合作学习时有组织、有领导。各小组根据项目任务进行合作探究，将探究结果进行展示分享，为了防止出现学生一言堂，会要求每个小组发言时首先必须是学习成绩在中下等的学生发言，教师会对优等生提出一些较难的问题供其拓展。

方法三：“竞赛学生传帮带”分组

以参加专业技能大赛的学生为组长，再根据异质分组挑选组员，为了调动全组学生学习积极性，安排每组剩余组员担任各子任务的组长。小组组长要利用课余时间通过开放性实验室对组员进行拓展任务帮扶指导，过程中，教师采用一定的合作学习奖励办法，不断提升教学效果，促进学风建设。

该教学法旨在探索增值评价的方式，具有随机性和主观性，目的在于充分调动学生学习积极性、培养学习自信心、提升个人评价，努力提升班级整体教学效果。

1.6.3 “无痕”融入课程思政

如图6 所示，课程组积极挖掘知识技能点蕴含的思政元素，将劳动教育、工匠精神、劳模精神等融入各技能任务中，培养学生正确的价值观、岗位意识、质量意识，培育学生执着专注、精益求精、一丝不苟、不畏艰难、勇于创新的工匠精神。

图6 思政融入

2 教学实施过程

2.1 教学安排

如图7 所示，根据金属3D 打印产品真实工作流程，将“离心管模具型芯金属3D 打印”项目设置为六大教学任务，体现打印工作任务连贯性，选择课程导入、水路设计、嫁接打印和检测及验收四个重点教学环节作为视频展示。

图7 16 学时教学安排

2.2 任务设计

本项目的六个任务按照课前自学、课中导学、课后拓展组织教学活动。

课前：根据任务推送学习资源，发布课前测试并在线答疑。

课中：根据项目实施工作流程，完成六个任务目标。以任务四离心管模具型芯嫁接打印为例，教学活动安排如图8 所示。

图8 任务四教学实施安排

课后：教师发布教师教学效果问卷调查，学生线上完成问卷调查，并对教师教学模式提出意见。

2.3 教学评价

项目采用“三评”多元化教学评价体系（图9），课程组设置学习评价、过程评价和结果评价三个体系，将职业技能和素养目标融入过程性评价的核心部分。该评价体系以学生、教师、技能大师、企业专家为评价主体，对教学过程和教学结果进行信息反馈，及时指导教学策略。与采用传统评价方法的往届教学班对比，学生的职业技能水平、解决实际问题能力、沟通能力和团队协作能力有显著提高。

图9 “三评”多元化评价体系

3 学生学习效果

基于分组协作学习法将项目三和项目四的阶段考核成绩进行对比（图10），使用SPSS 19.0 对学习效果进行统计学分析，采用配对样本检验，将评价内容赋值后比较评价结果。结果显示项目四在1、4、8、12 等条目的评价显著，赋值具有统计学意义，一定程度上反映出在探索增值评价过程中，学生实践综合能力显著提升。

图10 项目三与项目四过程考核数据对比

4 特色创新

4.1 践行分组协作式实践学习模式

考虑到分组协作式学习与增材制造实训课程的契合程度，项目中教师采用不同的分组策略对学生进行异质分组，学生以小组为单位，突出以学生为主体，强调平等性和创新性，营造积极的学习氛围，努力探索增值评价的方法与途径。

4.2 “遇、引、践、育”思政教育贯穿课堂

以医用离心管模具型芯金属3D 打印项目的实际工作流程为主线，从遇见3D 打印，到“大国工匠”、劳模的职业信念引领，再到项目任务的实际践行，培养学生树立正确劳动观、就业观、价值观，培育精益求精的“大国工匠”精神。

5 反思改进

1）由于高职生源的多样性，需要积极探索更多有效的体现实际学情的教学分组策略，落实分组协作式实践教学的体系。

2）“任务外置”和“岗位内置”的教学模式包含岗位、任务、能力三个层面，不仅拓宽了课程教学领域，而且衔接了企业先进技术与先进工艺的发展，提升了学生就业竞争力。

3）积极推进X 证书试点工作，组织学生参与技能等级证书考核，全面推进相关专业教材改革、教法改革以及师资培训，后续将深化校企合作，逐步推进“1+X”证书标准内容融入课程，以适应3D打印行业的需求。