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摘要：机械类“3+1”人才培养模式是当前高等院校提高机械相关专业素质教育水平的一种教育模式。当前，机械类“3+1”人才培养模式的教学内容主要以传统行业生产一线的设计、工艺、制造和装配等为主，而对于一些新兴技术教学内容的设计还处于空白，3D技术已经在世界范围内形成了一股强大的发展趋势，而我国要想在此次发展过程中跻身世界前列就必须有相当数量的从业人员和技术工程师，而当前各大高校、科研院所和高职高专院校还没有出台相应的教学内容与之匹配，适应当前3D技术的发展步伐，因此，进行3D相关技术的教学内容改革对培养新型3D技术人才具有一定的现实意义。
关键词：人才培养；教育模式；3D技术；技术人才
作者简介：张海录（1981-），男，黑龙江哈尔滨人，黑龙江科技大学工程训练与基础实验中心，讲师；张增凤（1964-），女，河北仓县人，黑龙江科技大学工程训练与基础实验中心主任，教授。（黑龙江 哈尔滨 150022）
基金项目：本文系2012年黑龙江省高等学校教改工程项目“基于欧洲先进职业培训模式装备制造业高端人才培养的研究与实践”（项目编号：JG2012010564）的研究成果。
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）34-0050-02
一、机械类教学内容改革现状
1.国外机械类教学内容改革现状
20世纪90年代后期，日本教育机构对其大学工科教育进行了大量的调查和反思，认为机械专业的教育太偏重于知识的教育，而忽略了对技术的教育，忽视了对使用技术的人的综合素质的培养。为此，日本设立了日本技术者认定机构（JABBEE：Japan Accreditation Board for Engineering Education），对日本高等教育机构中的机械专业教学内容是否达到了规定的质量和水平，以及受教育者再次是否学到了必须的知识和具备了最基本的技能进行认定。[1]德国及奥地利机械类职业教育人才培养模式中，重视实际动手能力培养的教学内容的安排，以实践教学内容手段弥补理论教学内容不直观的缺点，理论教学内容提升实践教学内容的内涵和理论基础，让学生真正做到理论与实践相结合。[2]英国机械类职业教育中，案例式教学内容贯穿所有教学环节，其核心理念是用大量的实践环节，锻炼提升学生的实践动手能力，培养其独自自主解决问题的能力，教学内容的编排一直围绕培养动手能力展开，极大地提高了教学效果。[3]
2.国内机械类教学内容改革现状
随着我国综合实力的不断攀升，我国机械相关行业也有了突飞猛进的发展，在这种趋势下，要求机械专业教学内容的改革要紧跟行业发展，及时制定与之协调配套的教学内容体系。
20世纪中后期，我国机械专业的教学工作处于起步阶段，主要的教学内容围绕着机械理论展开，培养了一大批理论基础扎实、技术过硬的技术人才，随着我国改革开放的进行，我国机械行业进入了一个高速发展的时期，各个科研院所、高校和高职高专都开设了机械相关的课程，并制定了一系列课程内容，从基础理论到行业机械理论，从简单的实验到复杂的训练操作环节都有囊括。[4]进入21世纪，随着我国与国际接轨，各个机械领域不断与世界融合，教育机构中机械类教学内容也随着完善更新，提倡理论与实践相结合，用理论指导实践，用实践来检验理论，很多高校把课堂拉到企业现场，使学生近距离体会企业实际生产氛围，校企联合开展人才培养工作。[5]
二、基于3D技术教学内容设计
3D技术主要包括产品的三维数字化设计、3D打印技术和三维扫描技术等，近几年3D打印技术和三维扫描技术发展迅猛，为了培养相关工程技术人才，促进我国3D技术的迅速发展，设计了基于3D技术的教学内容。
1.三维数字化设计教学内容设计
三维数字化设计是一门专门针对机械类“3+1”人才培养模式的重要教学内容，是一种培养学生使用三维设计软件进行机械设计、装配设计和虚拟样机设计的主要教学载体。以体积小巧、零件数量少、容易加工且具有一定实用价值为选题依据，以CATIA软件为主要设计软件，完成零件设计、整机装配和虚拟样机的整个设计过程。
2.3D打印技术教学内容设计
3D打印技术在教学内容上主要分为两部分：一是桌面级FDM原理3D打印机结构设计与加工，二是桌面级FDM原理3D打印机的应用。教学内容的安排上按照认知、熟悉、设计加工、应用这四个过程展开：首先以照片、视频和实物的形式，让学生对3D打印技术有一个基本的认知，用直观形象的表达方法极大地激发学生对3D打印技术的兴趣和学习热情；其次，通过任课教师对具体技术、原理、思路和方法的讲授使学生进一步学习3D打印技术涉及到的各个技术环节，熟悉整个设计流程；第三个阶段，学生们进入实质的设计阶段，通过分配给自己的设计题目，各自搜集整理相关资料，理出设计要点，进行具体设计并进行加工装配；最后，学生用CATIA设计打印作品，通过装配完成的3D打印机打印所设计的作品。
3.三维扫描技术教学内容设计
三维扫描属于逆向工程，即把实物通过三维扫描系统生成计算机数据，然后通过对模型的修改和完善生成与实物一模一样的模型数据，由于本环节涉及到专业的三维扫描系统的应用，所以本环节的教学主要针对个别学生开展，生成的模型数据可以通过3D打印机打印出来，并对比实物大小，分析对比3D打印的精度和三维扫描系统的成型精度，从而为优化3D打印机的结构设计、提高三维扫描系统的测量精度提供实验数据。
三、基于3D技术教学内容的改革与实践
机械类“3+1”人才培养模式教学内容主要以数控加工、工艺设计和三大数控系统为主，侧重于工艺和加工，在此基础之上融入了3D技术，把侧重点从工艺和加工转向了设计和装配，以学员学习方向的选定、教学内容体系建设和分组学习机制的探索等作为此次机械类“3+1”人才培养模式教学内容改革与实践的主要内容。 1.学员学习方向的选定
进入“3+1”人才培养模式进行学习的学员在入学之初，任课教师和学员进行双向选择，并确定学习方向和设计题目，即在这一年的“3+1”人才培养模式学习期间，学员都以一个固定的学习方向和设计题目为主线，开展相关课程，如CATIA零件设计与装配、虚拟样机、数控加工与工艺等，有针对地进行系统学习，培养学员在所研究的方向上形成规范的知识体系和良好的工程意识。
2.基于3D技术的教学内容体系建设
机械类“3+1”人才培养模式引入3D技术是在广泛调研整理后形成的一种新型的教学内容体系。基于大三机械类学生的专业能力、可行性较高的3D技术的教学内容切入点及与3D技术相关的多学科交叉情况，采用科学分析、归纳总结的方法制定出了一套适合现阶段机械类“3+1”人才培养模式的基于3D技术的教学内容体系。该体系可概括为：一条主线，两种形式，三个阶段。“一条主线”指的是以FDM原理3D打印机结构设计及其重要组件设计为教学内容主线；“两种形式”指的是最终的作品有两种形式，即数字化设计和实物制作；“三个阶段”指的是设计、制作和应用三个阶段。
3.分组学习机制
3D技术是一种多学科交叉的综合性技术，采用分组学习机制可以降低学员的学习难度，提高学员间的团队合作能力。分组学习机制是指一个指定的设计题目或研究方向，由2～3人组成的小组来完成，组员间分工明确，任务到人，主要内容分为两部分：设计和加工，即一人负责整体设计，一人负责零件加工和装配，三人一组的还有一人负责整机调试和应用。分组学习机制使学习过程更接近企业的实际情况，人与人之间的工作即相互区别又相互联系，这就使学员的学习更加深入，学员间合作更加紧密，小组最终的作品也更加丰富和多元化。
四、基于3D技术机械类“3+1”人才培养模式教学内容改革的推广价值
经过为期一年的改革实践，基于3D技术机械类“3+1”人才培养已经取得了初步成果。
1.丰富现有教学内容
以初中级3D技术作为教学内容改革的切入点，在现有教学内容的基础上融入了设计、电子、软件和控制等多学科知识，课堂教学中引入互联网技术，用于补充和学习各种3D技术的基本知识。
2.普及和提高3D技术
引入3D技术是在教学内容改革上的一次重要尝试，实现了学员对3D技术从不解到了解的学习过程，使学员对前沿科技的认识更加直观、真切。随着这种改革力度的加大，3D技术在教学内容的设置上会更加系统、深入。这种改革对于高校学生普及和提高3D 技术具有重要的现实意义。
3.提高学员动手能力
机械类“3+1”人才培养模式重在培养学员的实际动手能力，3D技术中的一大分支是3D打印机结构设计和加工，从用三维设计软件进行结构设计到二维工程图的设计，从零件加工的工艺分析到用数控机床加工零件都需要学员独立完成，学员从大量的实践过程中积累实战经验，极大提高了学员的动手能力。
4.培养学员的工程意识
实际的工作岗位要求机械专业大学生具有良好的工程意识，即用系统的、符合产品设计和发展的客观规律的眼光去看待自己从事的工作。3D打印机是一个复杂科学的系统工程，设计者要考虑其市场前景、成本、用户需求、可靠性、安全性、稳定性及后期维护等，学员通过自己设计制造3D打印机，找到问题的解决办法，提升自己对产品整个生命周期各种细节的把握，在当前的时代背景下对学员工程意识的培养是极其重要的。
5.改进教学方法和手段
传统的机械专业教学主要是通过教师的讲授并配以多媒体进行的，这种教学方法能够系统地讲解课本上的知识，但难以直接激发学员的学习热情和兴趣。引入3D技术后，我们采取了五段式教学法，如图1所示。
五段式教学法先从感性认识开始，让学员亲自感受3D技术，如让学员亲手操作3D打印机、亲手打印零件等，使学员对3D技术产生最直接的兴趣，从而提高其学习3D技术的积极性；在此基础上进行详细系统的理论学习，包括机械设计、机械加工、3D打印机软件的应用、固件的下载和调试等课程，使学员接受全方位的系统训练；其中以机械加工为重点，进行重点训练，使学生了解零件生产的全过程；在前面两个学习过程中遇到的问题可以在第四个阶段第二次理论学习中解决，带着问题来学习是一种高效的学习方法，有助于学员对理论知识和实践知识进一步巩固；最后重新进行上机加工训练，检验所有已学知识。
参考文献：
[1]周启银.机械类专业设置和教学内容改革的实践与探索 [J].武钢大学学报，2000，（3）.
[2]丛娟.机械类应用型本科实践教学体系的构建与创新[J].辽宁科技学院学报，2013，（2）.
[3]袁文华，李梦奇，周东一.校企合作共建产学研校外机械类人才培养基地的研究与实践[J].当代教育理论与实践，2013，（6）.
[4]徐盛学，张晓东.应用型本科机械专业“3+1”实践教学体系的探索[J].中国现代教育装备，2010，（9）.
[5]茹煜，周宏平，涂桥安，等.“五层次实践、四能力培养”的创新实践教学模式的研究[J].教育教学论坛，2013，（35）.
（责任编辑：王祝萍）
关键词：人才培养；教育模式；3D技术；技术人才
作者简介：张海录（1981-），男，黑龙江哈尔滨人，黑龙江科技大学工程训练与基础实验中心，讲师；张增凤（1964-），女，河北仓县人，黑龙江科技大学工程训练与基础实验中心主任，教授。（黑龙江 哈尔滨 150022）
基金项目：本文系2012年黑龙江省高等学校教改工程项目“基于欧洲先进职业培训模式装备制造业高端人才培养的研究与实践”（项目编号：JG2012010564）的研究成果。
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）34-0050-02
一、机械类教学内容改革现状
1.国外机械类教学内容改革现状
20世纪90年代后期，日本教育机构对其大学工科教育进行了大量的调查和反思，认为机械专业的教育太偏重于知识的教育，而忽略了对技术的教育，忽视了对使用技术的人的综合素质的培养。为此，日本设立了日本技术者认定机构（JABBEE：Japan Accreditation Board for Engineering Education），对日本高等教育机构中的机械专业教学内容是否达到了规定的质量和水平，以及受教育者再次是否学到了必须的知识和具备了最基本的技能进行认定。[1]德国及奥地利机械类职业教育人才培养模式中，重视实际动手能力培养的教学内容的安排，以实践教学内容手段弥补理论教学内容不直观的缺点，理论教学内容提升实践教学内容的内涵和理论基础，让学生真正做到理论与实践相结合。[2]英国机械类职业教育中，案例式教学内容贯穿所有教学环节，其核心理念是用大量的实践环节，锻炼提升学生的实践动手能力，培养其独自自主解决问题的能力，教学内容的编排一直围绕培养动手能力展开，极大地提高了教学效果。[3]
2.国内机械类教学内容改革现状
随着我国综合实力的不断攀升，我国机械相关行业也有了突飞猛进的发展，在这种趋势下，要求机械专业教学内容的改革要紧跟行业发展，及时制定与之协调配套的教学内容体系。
20世纪中后期，我国机械专业的教学工作处于起步阶段，主要的教学内容围绕着机械理论展开，培养了一大批理论基础扎实、技术过硬的技术人才，随着我国改革开放的进行，我国机械行业进入了一个高速发展的时期，各个科研院所、高校和高职高专都开设了机械相关的课程，并制定了一系列课程内容，从基础理论到行业机械理论，从简单的实验到复杂的训练操作环节都有囊括。[4]进入21世纪，随着我国与国际接轨，各个机械领域不断与世界融合，教育机构中机械类教学内容也随着完善更新，提倡理论与实践相结合，用理论指导实践，用实践来检验理论，很多高校把课堂拉到企业现场，使学生近距离体会企业实际生产氛围，校企联合开展人才培养工作。[5]
二、基于3D技术教学内容设计
3D技术主要包括产品的三维数字化设计、3D打印技术和三维扫描技术等，近几年3D打印技术和三维扫描技术发展迅猛，为了培养相关工程技术人才，促进我国3D技术的迅速发展，设计了基于3D技术的教学内容。
1.三维数字化设计教学内容设计
三维数字化设计是一门专门针对机械类“3+1”人才培养模式的重要教学内容，是一种培养学生使用三维设计软件进行机械设计、装配设计和虚拟样机设计的主要教学载体。以体积小巧、零件数量少、容易加工且具有一定实用价值为选题依据，以CATIA软件为主要设计软件，完成零件设计、整机装配和虚拟样机的整个设计过程。
2.3D打印技术教学内容设计
3D打印技术在教学内容上主要分为两部分：一是桌面级FDM原理3D打印机结构设计与加工，二是桌面级FDM原理3D打印机的应用。教学内容的安排上按照认知、熟悉、设计加工、应用这四个过程展开：首先以照片、视频和实物的形式，让学生对3D打印技术有一个基本的认知，用直观形象的表达方法极大地激发学生对3D打印技术的兴趣和学习热情；其次，通过任课教师对具体技术、原理、思路和方法的讲授使学生进一步学习3D打印技术涉及到的各个技术环节，熟悉整个设计流程；第三个阶段，学生们进入实质的设计阶段，通过分配给自己的设计题目，各自搜集整理相关资料，理出设计要点，进行具体设计并进行加工装配；最后，学生用CATIA设计打印作品，通过装配完成的3D打印机打印所设计的作品。
3.三维扫描技术教学内容设计
三维扫描属于逆向工程，即把实物通过三维扫描系统生成计算机数据，然后通过对模型的修改和完善生成与实物一模一样的模型数据，由于本环节涉及到专业的三维扫描系统的应用，所以本环节的教学主要针对个别学生开展，生成的模型数据可以通过3D打印机打印出来，并对比实物大小，分析对比3D打印的精度和三维扫描系统的成型精度，从而为优化3D打印机的结构设计、提高三维扫描系统的测量精度提供实验数据。
三、基于3D技术教学内容的改革与实践
机械类“3+1”人才培养模式教学内容主要以数控加工、工艺设计和三大数控系统为主，侧重于工艺和加工，在此基础之上融入了3D技术，把侧重点从工艺和加工转向了设计和装配，以学员学习方向的选定、教学内容体系建设和分组学习机制的探索等作为此次机械类“3+1”人才培养模式教学内容改革与实践的主要内容。 1.学员学习方向的选定
进入“3+1”人才培养模式进行学习的学员在入学之初，任课教师和学员进行双向选择，并确定学习方向和设计题目，即在这一年的“3+1”人才培养模式学习期间，学员都以一个固定的学习方向和设计题目为主线，开展相关课程，如CATIA零件设计与装配、虚拟样机、数控加工与工艺等，有针对地进行系统学习，培养学员在所研究的方向上形成规范的知识体系和良好的工程意识。
2.基于3D技术的教学内容体系建设
机械类“3+1”人才培养模式引入3D技术是在广泛调研整理后形成的一种新型的教学内容体系。基于大三机械类学生的专业能力、可行性较高的3D技术的教学内容切入点及与3D技术相关的多学科交叉情况，采用科学分析、归纳总结的方法制定出了一套适合现阶段机械类“3+1”人才培养模式的基于3D技术的教学内容体系。该体系可概括为：一条主线，两种形式，三个阶段。“一条主线”指的是以FDM原理3D打印机结构设计及其重要组件设计为教学内容主线；“两种形式”指的是最终的作品有两种形式，即数字化设计和实物制作；“三个阶段”指的是设计、制作和应用三个阶段。
3.分组学习机制
3D技术是一种多学科交叉的综合性技术，采用分组学习机制可以降低学员的学习难度，提高学员间的团队合作能力。分组学习机制是指一个指定的设计题目或研究方向，由2～3人组成的小组来完成，组员间分工明确，任务到人，主要内容分为两部分：设计和加工，即一人负责整体设计，一人负责零件加工和装配，三人一组的还有一人负责整机调试和应用。分组学习机制使学习过程更接近企业的实际情况，人与人之间的工作即相互区别又相互联系，这就使学员的学习更加深入，学员间合作更加紧密，小组最终的作品也更加丰富和多元化。
四、基于3D技术机械类“3+1”人才培养模式教学内容改革的推广价值
经过为期一年的改革实践，基于3D技术机械类“3+1”人才培养已经取得了初步成果。
1.丰富现有教学内容
以初中级3D技术作为教学内容改革的切入点，在现有教学内容的基础上融入了设计、电子、软件和控制等多学科知识，课堂教学中引入互联网技术，用于补充和学习各种3D技术的基本知识。
2.普及和提高3D技术
引入3D技术是在教学内容改革上的一次重要尝试，实现了学员对3D技术从不解到了解的学习过程，使学员对前沿科技的认识更加直观、真切。随着这种改革力度的加大，3D技术在教学内容的设置上会更加系统、深入。这种改革对于高校学生普及和提高3D 技术具有重要的现实意义。
3.提高学员动手能力
机械类“3+1”人才培养模式重在培养学员的实际动手能力，3D技术中的一大分支是3D打印机结构设计和加工，从用三维设计软件进行结构设计到二维工程图的设计，从零件加工的工艺分析到用数控机床加工零件都需要学员独立完成，学员从大量的实践过程中积累实战经验，极大提高了学员的动手能力。
4.培养学员的工程意识
实际的工作岗位要求机械专业大学生具有良好的工程意识，即用系统的、符合产品设计和发展的客观规律的眼光去看待自己从事的工作。3D打印机是一个复杂科学的系统工程，设计者要考虑其市场前景、成本、用户需求、可靠性、安全性、稳定性及后期维护等，学员通过自己设计制造3D打印机，找到问题的解决办法，提升自己对产品整个生命周期各种细节的把握，在当前的时代背景下对学员工程意识的培养是极其重要的。
5.改进教学方法和手段
传统的机械专业教学主要是通过教师的讲授并配以多媒体进行的，这种教学方法能够系统地讲解课本上的知识，但难以直接激发学员的学习热情和兴趣。引入3D技术后，我们采取了五段式教学法，如图1所示。
五段式教学法先从感性认识开始，让学员亲自感受3D技术，如让学员亲手操作3D打印机、亲手打印零件等，使学员对3D技术产生最直接的兴趣，从而提高其学习3D技术的积极性；在此基础上进行详细系统的理论学习，包括机械设计、机械加工、3D打印机软件的应用、固件的下载和调试等课程，使学员接受全方位的系统训练；其中以机械加工为重点，进行重点训练，使学生了解零件生产的全过程；在前面两个学习过程中遇到的问题可以在第四个阶段第二次理论学习中解决，带着问题来学习是一种高效的学习方法，有助于学员对理论知识和实践知识进一步巩固；最后重新进行上机加工训练，检验所有已学知识。
参考文献：
[1]周启银.机械类专业设置和教学内容改革的实践与探索 [J].武钢大学学报，2000，（3）.
[2]丛娟.机械类应用型本科实践教学体系的构建与创新[J].辽宁科技学院学报，2013，（2）.
[3]袁文华，李梦奇，周东一.校企合作共建产学研校外机械类人才培养基地的研究与实践[J].当代教育理论与实践，2013，（6）.
[4]徐盛学，张晓东.应用型本科机械专业“3+1”实践教学体系的探索[J].中国现代教育装备，2010，（9）.
[5]茹煜，周宏平，涂桥安，等.“五层次实践、四能力培养”的创新实践教学模式的研究[J].教育教学论坛，2013，（35）.
（责任编辑：王祝萍）