基于新职业标准的3D 打印与逆向工程实训教学探索*

王凤梅

郑州工程技术学院工程训练中心 郑州 450000

0 引言

3D 打印又称增材制造，是以三维模型数据为基础，通过材料堆积的方式制造零件或实物的新兴制造技术，将对传统的工艺流程、生产线、工厂模式、产业链组合产生深远的影响。逆向工程是对产品实物进行测量、拟合、编辑和重构等一系列分析方法和应用技术，即从实物原型→数字化实物三维原型→三维原型建模→创新设计的三维模型→创新实物的过程[1-2]。3D 打印与逆向工程的结合在机械制造、生物医疗、航空航天、文物保护等领域得到越来越多的应用。

随着3D 打印与逆向工程技术在各行各业的广泛应用，社会对掌握先进制造技术的需求日益增大，需要高校毕业生通过自身掌握的先进技术手段为企业带来更多的效益，创造更大的价值。人社部于2021 年底发布了《增材制造设备操作员国家职业技能标准》，规定了增材制造设备操作员这类新职业不同等级的基本要求、技能要求及权重[3]。为了能够满足社会需求，在工程训练中积极开展3D 打印与逆向工程项目，根据新职业国家标准和各专业人才培养计划的要求，将工程训练3D 打印与逆向工程项目不断优化创新，建立3D 打印与逆向工程项目实训的新方法，以此满足新工科人才培养的新需求[4]。

为适应社会需求并满足新职业国家标准的要求，让学生通过工程训练3D 打印与逆向工程课程更好地了解先进制造所涉及的新技术、新工艺、新材料，郑州工程技术学院工程训练中心开设3D 打印与逆向工程实训课程，主要面向机械类、土木类、化工类、电子类等专业。此课程教学的主要目的是通过理论讲授和实践操作相结合，能够让学生了解先进制造技术的原理、工艺和方法，基本掌握3D 打印与逆向工程技术，提升综合能力，从而满足企业对大学生在工程技术知识领域的要求，充分发挥工程训练作为理论联系实际的桥梁与纽带作用，培养学生先进的工程意识，全面提高学生的工程素养[5-7]。

1 教学软硬件建设

1.1 教学大纲

根据《增材制造设备操作员国家职业技能标准》，结合郑州工程技术学院专业人才培养方案及实际情况，将“课证融合”的新型教学模式融入教学中，确定不同专业工程训练3D 打印和逆向工程教学方案，再拟定教学大纲。因此，工程训练中心设置三层次阶梯形教学大纲，即五级技能型—四级技能型—三级技能型[3]，具体大纲如表1 所示。

表1 教学大纲

1.2 教材

为配合工程训练中心加强先进制造技术的工程训练教学内容，并结合高等工科院校工程训练教学改革的实际需要，工程训练中心正在编写符合郑州工程技术学院特色的现代工程训练教程，有助于提高学生的工程实践能力。编写该教材的理念要求为精选内容、注重实际训练、讲求实用、最好图文并茂、方便学生自学[8-10]。编写过程中力求文字简洁，注重知识的系统性和科学性。该教材的编写对3D 打印和逆向工程教学具有非常重要的作用。

1.3 实训指导书

根据《增材制造设备操作员国家职业技能标准》职业守则“严谨规范、爱护设备、安全操作、团队协作”等要求，工程训练中心编写并出版了工程训练指导书，可帮助学生在有限的时间内系统有效地掌握关于3D 打印与逆向工程教学的安全操作规程和基本操作步骤，提高学生在操作过程中的准确性和安全性，保障教学的顺利开展。

1.4 硬件设施

工程训练中心为3D 打印与逆向工程实训课程配备了充足的训练场地和硬件设施，实验室占地面积达300 m2，包括桌面级3D 打印机20 台、工业级3D 打印机5 台、三维扫描仪14 台、计算机40 台、三维软件40 个节点等。以上设备全部投入3D 打印与逆向工程项目教学，能够保证演示教学和学生实际操作的需要。

1.5 师资队伍

为了保障3D打印与逆向工程课程的教学质量，工程训练中心配备比较稳定的、专业对口的、多层次的实训教师，以教学资历深、经验丰富、“双师型”的高级职称的教师作为3D 打印实训方向的专业带头人，以接受新技术、新工艺能力较强的硕士研究生学历人员和具有高级技师职业资格的技能型人才作为实训指导教师。实训教师必须具备3D 打印和逆向工程技术的理论知识和实操能力，保障实训的有序进行。

2 教学过程实施

根据教学大纲的要求，秉承郑州工程技术学院“修德、敏学、笃行、拓新”的思想，教学过程遵循学生的认知规律，循序渐进地对3D 打印与逆向工程项目进行规范化设计，逐层深入地进行实训教学。

2.1 五级技能型课程

五级技能型3D 打印课程教学以讲授、演示教学法为切入点，指导学生进行3D 打印的简单操作。首先，教师利用多媒体教学讲解3D 打印技术的概念、发展历史，介绍几种典型的成型工艺：熔融沉积成型（FDM）、光固化成型（SLA）、数字光处理（DLP）、聚合物喷射成型（PolyJet）、选区激光熔化成型（SLM）、选区激光烧结成型（SLS）等。再举例说明3D 打印的应用领域。结合动画、视频和打印的实物直观形象地进行讲解，学生更易于接受。

在学生了解关于3D 打印的基本知识后，带领学生参观相关实验室，观摩不同的3D 打印设备、制造过程及产品实物，促进学生和教师互动，鼓励学生多提问题并讨论。

学生通过互联网搜索简单的STL 三维模型，在教师的指导下进行切片处理及参数设置，导入打印机进行打印操作，打印完成进行后处理操作。

2.2 四级技能型课程

四级技能型3D 打印课程主要采用项目化教学模式，带领学生学习基础理论知识，培养学生的动手能力，通过完成一系列的项目来学习和掌握3D打印与逆向工程四级技能型人才所需的知识和技能。教师明确设计任务和要求后，学生积极发挥主动性和团队协作精神，要求学生主要掌握这几个方面的技能：简单零件（如曾比较火的冰墩墩产品）外观各面的三维扫描、点云处理及后处理操作，提交经过处理后的STL 格式文件；根据数字模型进行切片软件的优化操作、3D 打印成型加工，并对制件进行基本的后处理，提交打印产品。

2.3 三级技能型课程

三级技能型3D 打印课程的教学模式同样采用项目化教学，在学生学习和了解3D 打印与逆向工程技术的基础上，要求学生综合运用三维扫描和3D 打印技术，完成对选定产品（如手机共鸣音箱、后视镜外壳、叶轮、鼠标、鞋子、兔子玩具摆件等）的逆向加工[11-12]。要求学生掌握以下几个方面的技能。

2.3.1 产品三维数据采集

学生使用三维扫描设备，高精度完成对选定产品外观各面的三维扫描，并对获得的点云数据进行除杂、降噪、平滑、填补等操作，提交经过处理后的STL 格式文件。

2.3.2 三维逆向建模

学生使用Geomagic 软件对选定产品的扫描数据进行三维建模，要求整体外观严格按照实际情况完成，大面拆分合理，公差范围内尽量光顺，产品造型特征线保持美观。

2.3.3 产品3D 打印与后处理

根据以上完成的三维数字模型，结合实验室提供的3D 打印设备和配套的切片软件、加工耗材等条件，进行产品的3D 打印成型加工。向3D 打印设备输入数据模型，按照设备操作指导书进行打印，打印制作完成后，去除产品的支撑材料，对产品的表面进行打磨、修补等处理，最后提交打印完成的产品。

2.4 工程劳动素养

学生在操作过程中要做到耗材工具正确使用、保证现场的安全及卫生、团队协作的配合度高、完成任务的计划性和条理性强、遇到问题时具备一定的应对能力。

3 评分标准

考核与3D打印项目教学的过程化管理相结合，此项目的最终评分采用百分制，其中，技能操作占70 分，实训纪律占20 分，工程素养占10 分；如果有创新设计的加入，还会得到额外的奖励分。评分分布如图1 所示。其中，实训纪律：听从教师指导，遵守纪律，得20 分；不听从教师指导，迟到或早退2 次累计，扣20 分；严重违反实训纪律，导致安全事故，严肃处理。工程素养：耗材工具摆放整齐得5 分；设备干净、场地整洁得5 分。同时，针对不同等级的技能型课程的学生，在技能操作分值的具体分配上稍有不同，具体评分标准如表2 所示。

图1 评分分布

表2 评分标准

4 结束语

面向3D 打印与逆向工程在教育行业应用的关键性问题，本文针对新职业国家技能标准改进相对应的实训教学课程，引入“课证融合”的教学观念，符合应用型本科人才培养的特色。之后，继续深入探讨3D 打印与逆向工程实训课程的创新开发，不断改进教学内容，提高实训质量。