梁錦明

3D打印技術(shù)是一種快速成型技術(shù)，在教育領(lǐng)域的一個(gè)主要應(yīng)用就是使學(xué)生能夠更加真實(shí)地接觸教學(xué)中的那些難以展現(xiàn)的物體或者概念。因此，3D打印對(duì)于教學(xué)和學(xué)習(xí)的價(jià)值，體現(xiàn)在它是學(xué)生探索科學(xué)和藝術(shù)的入口。

3D打印將虛擬世界和實(shí)體世界聯(lián)系得更加緊密，學(xué)生所繪制的3D模型能夠通過3D打印機(jī)來實(shí)現(xiàn)。學(xué)生可以創(chuàng)造一切實(shí)物，在體驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)，而不是面對(duì)一堆遙遠(yuǎn)又抽象的公式。這將意味著學(xué)生看待問題、思考問題和解決問題的路徑將有所不同。

那么，如何讓學(xué)生接觸3D打印技術(shù)呢？我們知道，3D打印并不是買回來打印機(jī)就能夠使用的，學(xué)生沒有基礎(chǔ)，教師沒有經(jīng)驗(yàn)，這樣的實(shí)驗(yàn)是注定失敗的。為了使3D打印技術(shù)能夠盡早在我校信息技術(shù)課堂發(fā)揮效能，我們經(jīng)研究決定，先行在初二的指定選修課程模塊中設(shè)立3D創(chuàng)意設(shè)計(jì)課程。

創(chuàng)設(shè)3D創(chuàng)意設(shè)計(jì)課程的初衷

3D設(shè)計(jì)是建立在平面和二維設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，讓設(shè)計(jì)目標(biāo)更立體化、更形象化的一種新興設(shè)計(jì)方法。在當(dāng)前制造業(yè)全球化協(xié)作分工的大背景下，我國企業(yè)廣泛、深入應(yīng)用3D設(shè)計(jì)技術(shù)、院校加大3D創(chuàng)新設(shè)計(jì)方面的教育，已是大勢(shì)所趨。只有讓我們的學(xué)生開始接觸并了解3D實(shí)體設(shè)計(jì)，讓學(xué)生的創(chuàng)意得到發(fā)現(xiàn)與發(fā)揮，我們才能更好地發(fā)揮3D打印技術(shù)的應(yīng)用效果。

為了更好地開展3D創(chuàng)意設(shè)計(jì)課程，在課程準(zhǔn)備階段，我們找了3D打印機(jī)制造企業(yè)、3D設(shè)計(jì)軟件公司，并且買了幾本3D設(shè)計(jì)教材以及網(wǎng)絡(luò)共享的3D設(shè)計(jì)教材。然而，我們發(fā)現(xiàn)：紙質(zhì)的教材和網(wǎng)上的教材都只是偏重于某款3D設(shè)計(jì)軟件的教學(xué)，一個(gè)一個(gè)功能去教，與我們學(xué)?，F(xiàn)在所推行的基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)模式差距較大，而且軟件教學(xué)類的課程不太適合我們的學(xué)生使用。為此，我們?cè)谖倚；陧?xiàng)目的學(xué)習(xí)模式的基礎(chǔ)上，結(jié)合學(xué)生學(xué)習(xí)與生活的實(shí)際，決定開發(fā)校本3D創(chuàng)意設(shè)計(jì)課程。

根據(jù)我校多年推行基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)模式的經(jīng)驗(yàn)，學(xué)生平時(shí)學(xué)習(xí)以課本為主的知識(shí)，理論性較強(qiáng)，實(shí)際應(yīng)用機(jī)會(huì)不多?；蛘哒f，在傳統(tǒng)的信息技術(shù)課上，學(xué)生接受的大多為軟件操作技巧訓(xùn)練，甚至只是局部的操作流程學(xué)習(xí)，實(shí)際應(yīng)用意義幾乎沒有，學(xué)無所得、學(xué)無所用。我們大膽地根據(jù)六年的實(shí)踐，把傳統(tǒng)的軟件學(xué)習(xí)課堂改革為基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)模式，使學(xué)生的學(xué)習(xí)過程接近實(shí)際生活。3D創(chuàng)意設(shè)計(jì)課程的教學(xué)過程更為貼近企業(yè)生產(chǎn)管理模式，以前我們把教學(xué)內(nèi)容看作項(xiàng)目來完成，而在3D創(chuàng)意設(shè)計(jì)課程中，學(xué)生的作品更可以向工程靠近。因此，我們把大學(xué)工程學(xué)最新的CDIO工程教育理念引入到中學(xué)項(xiàng)目學(xué)習(xí)中來。

3D創(chuàng)意設(shè)計(jì)課程實(shí)施的核心——CDIO工程教育模式

CDIO工程教育模式是近年來國際工程教育改革的最新成果。從2000年起，麻省理工學(xué)院和瑞典皇家工學(xué)院等四所大學(xué)組成的跨國研究團(tuán)隊(duì)通過四年的探索研究，創(chuàng)立了CDIO工程教育理念，并成立了以CDIO命名的國際合作組織。

CDIO代表構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)現(xiàn)（Implement）和運(yùn)作（Operate） ，它以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運(yùn)行的生命周期為載體，讓學(xué)生以主動(dòng)的、實(shí)踐的、課程之間有機(jī)聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)工程。CDIO培養(yǎng)大綱將工程畢業(yè)生的能力分為工程基礎(chǔ)知識(shí)、個(gè)人能力、人際團(tuán)隊(duì)能力和工程系統(tǒng)能力四個(gè)層面，大綱要求以綜合的培養(yǎng)方式使學(xué)生在這四個(gè)層面達(dá)到預(yù)定目標(biāo)。[1]

3D創(chuàng)意設(shè)計(jì)必須落實(shí)到實(shí)際的產(chǎn)品設(shè)計(jì)之上，才能真正體現(xiàn)出設(shè)計(jì)的價(jià)值所在。學(xué)生未來的工作實(shí)踐中，也或多或少地會(huì)跟這些產(chǎn)品研發(fā)有一些關(guān)系。我們嘗試在中學(xué)階段讓學(xué)生初步了解產(chǎn)品研發(fā)的流程，使學(xué)生能夠感覺到學(xué)有所用，同時(shí)也能激發(fā)學(xué)生潛在的學(xué)習(xí)動(dòng)力，不至于只是枯燥地面對(duì)著無聊的鼠標(biāo)點(diǎn)擊操作。

3D創(chuàng)意設(shè)計(jì)課程，本身就屬于跨學(xué)科的教學(xué)內(nèi)容，它涉及科學(xué)、技術(shù)、工程、美術(shù)、數(shù)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域的知識(shí)背景，同時(shí)在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，團(tuán)隊(duì)的力量是不容忽視的。與此同時(shí)，對(duì)于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的系統(tǒng)建構(gòu)也有著非常高的要求。這些恰恰就是CDIO的核心理念，可以說，CDIO為我們的教學(xué)改革指出了一條導(dǎo)向性非常強(qiáng)的路徑。[2]

我們?cè)趯?shí)施構(gòu)思（C）-設(shè)計(jì)（D）-實(shí)現(xiàn)（I）-運(yùn)作（O）的流程時(shí)，一般會(huì)將其放在一個(gè)有一定背景的整體活動(dòng)之中，而項(xiàng)目的發(fā)展過程則是重點(diǎn)看該項(xiàng)目是如何組織的。一個(gè)典型的工程實(shí)施流程如圖1所示。

那么，我們可以找到CDIO與工程實(shí)施流程[3]的對(duì)應(yīng)關(guān)系：構(gòu)思（C）—調(diào)查；設(shè)計(jì)（D） —計(jì)劃、設(shè)計(jì)；實(shí)現(xiàn)（I） —建設(shè)；運(yùn)作（O）—操作、維護(hù)。

從21世紀(jì)對(duì)創(chuàng)新型人才的需求來看，加強(qiáng)學(xué)生的能力與素質(zhì)培訓(xùn)，將是21世紀(jì)人才觀的主要變化，即從以前的個(gè)體角度審視轉(zhuǎn)變?yōu)閭€(gè)體、團(tuán)體、組織和社會(huì)多角度，借助于CDIO教育理念（CDIO的能力結(jié)構(gòu)[4]由技術(shù)知識(shí)和推理能力、個(gè)人和專業(yè)能力、人際交往能力組成），并在其學(xué)科培養(yǎng)目標(biāo)能力與學(xué)科核心素養(yǎng)思想指導(dǎo)下，結(jié)合我校的學(xué)生培養(yǎng)特點(diǎn)，構(gòu)建相應(yīng)的培養(yǎng)體系，并在這個(gè)基礎(chǔ)上進(jìn)行了大膽的改革與實(shí)踐。

課程開發(fā)與實(shí)施

本課程通過制造業(yè)中的產(chǎn)品制造流程，使學(xué)生可以更多地了解實(shí)際企業(yè)生產(chǎn)的過程，并且參與到這個(gè)過程體驗(yàn)之中。從接到客戶訂單開始，教師向?qū)W生介紹項(xiàng)目要求與實(shí)施的時(shí)間控制要求。然后利用制造業(yè)資源管理的知識(shí)，向?qū)W生介紹項(xiàng)目時(shí)間管理的基本原則，以及產(chǎn)品設(shè)計(jì)在項(xiàng)目流程中的地位與方案。這些都是學(xué)生在通識(shí)課中學(xué)到的相關(guān)項(xiàng)目管理知識(shí)，而在3D創(chuàng)意設(shè)計(jì)課程之中，我們把這些項(xiàng)目管理知識(shí)直接應(yīng)用到了企業(yè)制造管理之中，使學(xué)生感受到，他們所學(xué)習(xí)的項(xiàng)目管理知識(shí)并不只是空談，而是企業(yè)中的直接應(yīng)用。

對(duì)應(yīng)著CDIO工程教育理念，以企業(yè)接到產(chǎn)品訂單為例，我們對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行了如表1所示的設(shè)計(jì)。

1. 構(gòu)思

在實(shí)際教學(xué)過程中，我們虛擬制造業(yè)企業(yè)接到產(chǎn)品訂單，從而確定客戶的需求。這是3D創(chuàng)意設(shè)計(jì)項(xiàng)目的目標(biāo)，在課程設(shè)計(jì)上，我們提出學(xué)生需要根據(jù)目標(biāo)，確認(rèn)產(chǎn)品的需求、功能、技術(shù)限制、市場(chǎng)定位以及企業(yè)承諾與誠信這幾個(gè)方面的內(nèi)容。這是3D創(chuàng)意設(shè)計(jì)中最為關(guān)鍵之處，只有先考慮好這些問題，才能使學(xué)生的創(chuàng)意設(shè)計(jì)有現(xiàn)實(shí)價(jià)值與實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

其中重點(diǎn)在于對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行初步的分析，特別是需求分析、功能分析與市場(chǎng)定位。因?yàn)檫@是直接影響到3D創(chuàng)意設(shè)計(jì)的重要因素，而企業(yè)承諾與誠信則是時(shí)間管理所必須考慮的問題，同時(shí)也是教學(xué)時(shí)間安排的重要依據(jù)。

在這個(gè)過程中，教師向?qū)W生提供一些設(shè)計(jì)的方向、案例，讓學(xué)生可以有一定的指向性，或者引導(dǎo)學(xué)生往創(chuàng)新、創(chuàng)意的方向思考。學(xué)生則需要在團(tuán)隊(duì)配合下完成需求分析、問卷調(diào)查、數(shù)據(jù)收集等活動(dòng)。

2. 設(shè)計(jì)

有了基本的需求定位之后，學(xué)生需要根據(jù)需求進(jìn)行第一步的設(shè)計(jì)。在這個(gè)部分，我們著重要求學(xué)生用問題回答的形式來確定自己的產(chǎn)品方向，包括外觀、尺寸、功能等具體的參數(shù)確認(rèn)。這些參數(shù)的確認(rèn)，決定了3D設(shè)計(jì)作品的基本輪廓與實(shí)際的大小。在這個(gè)過程中，學(xué)生需要團(tuán)隊(duì)合作確認(rèn)參數(shù)，商討出產(chǎn)品的外觀與形狀。

確認(rèn)了以上數(shù)據(jù)之后，學(xué)生開始進(jìn)行第二步的設(shè)計(jì)，在這個(gè)部分，學(xué)生需要用繪畫草圖的方式，把產(chǎn)品的設(shè)計(jì)草圖畫出來，同時(shí)標(biāo)出對(duì)應(yīng)的具體數(shù)據(jù)，以便于深入討論以及教師確認(rèn)與驗(yàn)收方案。在這個(gè)過程中，師生需要共同去研究關(guān)于設(shè)計(jì)草圖的科學(xué)性與合理性，在這個(gè)草圖方案中，包含的不僅僅是一個(gè)學(xué)科的知識(shí)，而是多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的知識(shí)，例如：物理、數(shù)學(xué)、美術(shù)、技術(shù)等學(xué)科領(lǐng)域的結(jié)合體，團(tuán)隊(duì)合作的重要性特別突出。同時(shí)，這個(gè)草圖也是3D創(chuàng)意設(shè)計(jì)的參考藍(lán)本，學(xué)生要學(xué)會(huì)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行3D設(shè)計(jì)。

有了設(shè)計(jì)草圖以后，教師需要引導(dǎo)學(xué)生將草圖進(jìn)行系統(tǒng)分析與解構(gòu)，把一個(gè)復(fù)雜的草圖分解成為一個(gè)個(gè)簡單的、容易實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)元件，也就是學(xué)生常見的規(guī)則幾何圖形或者是幾何圖形的變形。把這些結(jié)構(gòu)元件進(jìn)行分類之后，分配到每一個(gè)小組成員手中，作為他們準(zhǔn)備完成的工程項(xiàng)目的子項(xiàng)目。

在這個(gè)過程中，教師需要向?qū)W生介紹3D實(shí)體設(shè)計(jì)軟件中的常用元件、元件變形、結(jié)構(gòu)拼接等知識(shí)作為系統(tǒng)解構(gòu)的準(zhǔn)備知識(shí)，使學(xué)生的解構(gòu)能夠做到有的放矢，不至于失去方向，同時(shí)也使學(xué)生的合作分工有了可靠的依據(jù)。教師可以根據(jù)小組成員在學(xué)習(xí)過程中的表現(xiàn)與特長進(jìn)行分工，實(shí)現(xiàn)每一個(gè)學(xué)生都在從事著有意義的工作，而只要有一個(gè)成員的工作沒有完成，就意味著全組的工作完成不了，而時(shí)間的管理給了他們無法包辦的壓力。

3. 實(shí)現(xiàn)

當(dāng)完成草圖設(shè)計(jì)與系統(tǒng)解構(gòu)之后，各小組成員就可以通過3D實(shí)體設(shè)計(jì)軟件對(duì)自己所分配的結(jié)構(gòu)元件進(jìn)行設(shè)計(jì)與制作，并且在項(xiàng)目時(shí)間表規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成元件制作。

完成元件制作之后，小組需要把各元件進(jìn)行系統(tǒng)整合，并且進(jìn)行測(cè)試。在測(cè)試過程中發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的漏洞與缺陷，找出改進(jìn)的辦法與措施，最終完成整個(gè)產(chǎn)品的制作，交給教師驗(yàn)收。

在這個(gè)過程中，教師一方面需要給學(xué)生提供3D實(shí)體設(shè)計(jì)軟件的相關(guān)教學(xué)資源。我們一般會(huì)提供操作視頻給學(xué)生反復(fù)觀看，了解這些工具的使用操作步驟。另一方面，教師也經(jīng)常會(huì)參與到學(xué)生的系統(tǒng)整合與測(cè)試過程中，提出自己的一些想法與建議給學(xué)生參考。

4. 運(yùn)作

在教師完成驗(yàn)收之后，我們會(huì)安排小組成員進(jìn)行產(chǎn)品孵化模擬路演?！爱a(chǎn)品孵化”是一個(gè)將產(chǎn)品由概念轉(zhuǎn)化為商品的過程，是一個(gè)對(duì)產(chǎn)品的綜合開發(fā)過程，而“路演”是指在公共場(chǎng)所進(jìn)行演說、演示產(chǎn)品、推介理念，及向他人推廣自己產(chǎn)品的一種方式。它會(huì)讓學(xué)生體驗(yàn)創(chuàng)新產(chǎn)品的孵化過程，同時(shí)也讓更多的學(xué)生能對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行評(píng)價(jià)與提出意見。小組產(chǎn)品展示完畢之后中，給予他們一定的時(shí)間對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn)，使產(chǎn)品精益求精。

在這個(gè)過程中，學(xué)生主要經(jīng)歷產(chǎn)品孵化的過程，同時(shí)了解產(chǎn)品推向社會(huì)的過程，使學(xué)生可以得到更多實(shí)用的知識(shí)。

CDIO的愿景是為學(xué)生提供一種強(qiáng)調(diào)工程基礎(chǔ)的、建立在真實(shí)世界的產(chǎn)品和系統(tǒng)的構(gòu)思CDIO過程基礎(chǔ)上的工程教育。在這樣的愿景之下，我們通過3D創(chuàng)意設(shè)計(jì)課程，希望可以培養(yǎng)有專業(yè)技能、有社會(huì)意識(shí)和有企業(yè)家敏銳性的學(xué)生。這是能在越來越依賴于復(fù)雜技術(shù)系統(tǒng)的環(huán)境中保持高效、創(chuàng)新和卓越所必需的。希望可以把學(xué)生培養(yǎng)成為能夠熟練掌握技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)、領(lǐng)導(dǎo)新產(chǎn)品和新系統(tǒng)的開發(fā)和運(yùn)行、了解技術(shù)的研究和發(fā)展對(duì)社會(huì)的重要性和戰(zhàn)略影響的人。這也是我們?cè)O(shè)立3D創(chuàng)意設(shè)計(jì)課程的初衷。

注：本文是廣東省順德區(qū)教育教學(xué)“十三五”規(guī)劃2016年度重點(diǎn)課題《創(chuàng)客教育探索與應(yīng)用研究》（課題編號(hào)：SDJK_A201617）成果之一。

（作者單位：廣東順德德勝學(xué)校信息系）