智慧教育環境下數字化設計與3D打印技術精準教學模式探究

高玉英

[摘? ? ? ? ? ?要]? 以智慧教育環境為背景，分析了此環境下精準教學運行的核心機制，即“學深悟透，內化于心”是檢驗精準教學“會不會”發生的過程;“以學促做，外化于行”是檢驗精準教學“能不能”發生的結果，以高職院校3D打印技術課程為例，從教學模式的構成要素分析“智慧教”和“智慧學”的互動過程，從而推動精準教學模式在高職院校的推廣和應用。

[關? ? 鍵? ?詞]? 智慧教育;數字化設計與3D打印技術;精準教學模式

[中圖分類號]? G642? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻標志碼]? A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文章編號]? 2096-0603（2021）15-0082-04

制造業是國民經濟的主體，是立國之本、興國之器、強國之基。“中國制造2025”要求制造業數字化、網絡化取得明顯進展;要求智能制造的核心技術不斷提升和完善。例如，數字化設計與制造技術、增材制造技術（3D打印）等。為深化民辦高職院校教育教學改革，推動人才培養機制創新，深化內涵建設，提升人才培養質量，3D打印技術課程就是基于上述背景，圍繞數字化設計與制造、增材制造（3D打印）兩大核心技術新開發的課程。通過創建智慧教育環境，本文以高職院校數字化設計與3D打印技術為例，展示教學過程中實施精準教學模式，從而打造高效課堂，為更深層次地開展教學改革指明方向。

一、相關概念溯源

（一）精準教學起源與理念

精準教學（Precision Teaching）最初由美國學者Lindsley于20世紀60年代依據斯金納的行為主義理論提出，他認為精準教學是根據標準變速圖表（Standard Celeration Charts，簡稱SCC）上顯示的持續性自我監控表現頻率的變化而作出的教育決策，最初，旨在通過設計測量過程來追蹤小學生的學習表現和支持數據決策，以便“將科學放在學生和教師的手中”。后來發展為用于評估任意給定的教學方法有效性的框架。作為精準、系統的評估方法，精準教學兼容于各種教學策略，可對任何學科、任何學段的教學進行評估。

祝智庭教授為智慧教育下了一個定義，所謂智慧教育是指通過利用靈巧技術構建智能化環境，讓師生施展靈巧的教與學方法，使其由不能變為可能，由小能變為大能，從而培養具有良好價值取向、較高思維品質和較強思維能力的人才。智慧教育環境不僅包括智慧學習環境，還包括智慧教學環境和智慧管理環境。智慧教育環境是支持教育共同體開展教育活動的智能化空間和條件。智慧教育環境的構建是以教育共同體開展教育活動的智能化空間和條件。智慧教育環境的構建是以教育共同體為中心，在先進的學習、教學管理理論指導下，充分利用各種技術智能感知教學、學習與管理情境，識別教育主題特征，以及為教育教學活動的開展提供合適的資源、工具和服務，有效促進教育共同體的智慧生成。

（二）精準教學的特征與操作

精準教學使用流暢度（Fluency）作為衡量學生學習發展的指標。精準教學認為知識或技能的真正掌握，不僅體現在學習表現的質量和準確度方面，還體現在速度方面。因此，流暢度是指學習表現的“準確度”+“速度”。在其他條件相同的情況下，流暢的學習表現比不流暢的表現更有可能在未來發生。頻率指單位時間內，學生表現行為的正確或錯誤次數，可以同時體現“準確度”和“速度”，因此頻率是流暢度的主要指標。在精準教學過程中，構建頻率是構建流暢度的重要方面。流暢度具有五大屬性：持久性（Maintenance）、耐久性（Endurance）、穩定性（Stability）、應用性（Application）和生成性（Generativity）。持久性是指學生在無額外練習的情況下，未來根據需求執行任務的能力;耐久性是指為了滿足真實需求，執行必要長時間的能力;穩定性是指在干擾的情況下，能夠繼續實施一項技能的能力;應用性是指知識或技能容易地應用于新的情境的能力;生成性是指在沒有明顯的指導下，出現復雜行為技能的能力。因此，流暢的學習表現是知識或技能真正掌握的體現。

二、智慧教育環境的構建

（一）智慧教育環境的構成要素

智慧教育環境基本要素主要有社會環境要素、規范環境要素、物理環境要素。社會環境要素是教學應用過程中相關主體形成的各種關系互動及關系環境，一般來說有教學氛圍、師生狀態、師生倫理、課堂文化、精神風貌等;規范環境要素是指教學活動開展依據的各類規章制度、倡導的價值觀念、采用的教學策略等;物理環境要素是教學活動開展所需的物理空間及必要的物質條件，以有型實體存在的教室、桌椅板凳等教學設施還有信息資源、虛擬空間等無形虛擬資源。智慧教育環境的構成是以物理環境要素為基礎，在規范環境要素的制約下，以社會環境要素為支撐開展的，三種要素相互作用、相互影響，共同搭建了精準教學過程的環境基礎。

（二）智慧教育環境的構建基礎

智慧教育環境是以知識或信息的流動而進行的生產、傳播、重建的人工系統。不僅有基于“信息流”傳遞攝取的關系，更多的是“知識流”的富集關系，它是圍繞知識的循環和信息的流動從而在參與教學活動的相關使用者、設計者和評價者等主體之間進行生產、傳播、重建的。

智慧教育環境是圍繞信息流的傳遞和知識流的流通進行的活動。智慧教育環境以基于互聯網的現代遠程學習系統、數字化的視聽技術、電子書包、多媒體的網絡交互技術，特別是云智能教育平臺等虛擬現實技術在教學中的引入使知識的呈現、傳遞方式和生態主體間的交往方式呈現出現實與虛擬的交融性。教學活動中的主體，以人—人交互實現信息的流動和人際交往，或者以人—機—人互動方式實現在虛擬時間和現實世界里的融合交互，信息交互和傳播途徑極大地擴展了。

三、智慧教育環境下精準教學的核心機制

精準教學核心內容在于滿足以下學習目標：在知識建構上需以突出群體協作的知識建構為目標，在認知上以高階認知為重點，在學習主體上，則從以教師為中心轉變為以學生為中心。

精準教學的發生取決于學習內容、學習空間、學習者以及學習形式這四個因素如何實現，實現過程中的自動生成。網絡媒介賦予了學習者豐富程度遠超任何媒介的學習內容。學習內容是學習活動中的客體，其屬性直接影響學習方式的選擇;學習情境強調知識產生的背景，強調情境化高階思維方式，在無中心、無邊界、開放的學習情境中以何種方式建構新知，亟待思考;學習者作為學習活動中的主體，生活在數字技術下，生活在終身學習的時代，其自身的發展變化必然對學習方式轉型起到一定影響。

（一）“學深悟透，內化于心”是檢驗精準教學“會不會”發生的核心機制

專業技術知識的精細化學習，既包括顯性知識的熟知，又包括隱性知識的習得。這兩種知識于教師身上并不是孤立存在的，而是在一定條件下可以相互交織、相互轉化的關系。但無論是顯性的還是隱性的技術知識，都需要在做中學。專業理論方面的顯性技術知識的學習，可通過文字、圖片和音視頻等方式來進行，所選擇的材料和講授方式要注意知識變遷中與教師原有技術經驗的銜接。盡量讓學生原有的技術經驗得以同化新的技術規則，或者在順應中得以順利地建構新的技術規則的模塊和網絡，形成個體化的技術知識;專業技術方面的隱性技術知識的學習，除了采用顯性技術知識的學習方式外，還必須經由學生自身的活動經驗總結和提煉而成。正如波蘭尼所認為的“一種無法詳細言傳的技藝不能通過規定流傳下去，因為這樣的規定并不存在。它只能通過師傅教徒弟這樣的示范方式流傳下去”。在3D打印技術課程開展過程中，學生需要對課程內容進行仔細觀察琢磨，使隱性技術知識的順利共享和學習得以可能。“在師傅的示范下通過觀察和模仿，徒弟在不如不覺中學會了那種技藝的規則，包括那些連師傅本人也不外顯地知道的規則”。另外，以嚴密的課程框架來實現規范的教學組織結構，是隱性技術知識學習的有力保障。這種規范的教學組織結構有效彌補了傳統學徒制中教學松散的缺點，以多位專家（師傅）傳授、教學設計精確、學員互動參與、職責劃分明確等措施確保了隱性知識在學習共同體內部的交流和共享。

（二）“以學促做，外化于行”是檢驗精準教學“能不能”發生的核心機制

高職類技術技能操作課程，每一節課的精心設計，在操作的細節上進行練習打磨，是實現精準教學流暢性的前提，達成生成性教學的重要途徑。技術技能操作的精細化，需要在動手做，需要在用中學才能獲得。在用中學和在做中學不可等同，它們實際上構成技術學習不可分割的連續統一體。在模擬真實的教學情境中，學生通過反復地強化身心的協調，將頭腦中存儲的技術知識順利地提取出來，并轉化為動作程序的連續運行，以致達成自動化操作的技術學習活動。它的實施要領包含如下幾點。

第一，要模擬真實的教學情境。因而，要針對特定的教學內容和教學對象，選擇合適的教學媒體來進行練習和操作，同時要精心設置教學情境中的其他技術要素。

第二，強化身心的協調。這是技術操作學習的核心，即將技術知識有效轉化為技術操作的過程。首先，在頭腦中對技術知識進行選擇和規劃。其次，通過技術知識來操控技術程序的運行以達到教學的目的。再次，從技術層面對教學進行評估，進而修正技術知識和技術程序。最后，達到技術操作學習的螺旋式上升效果。

第三，在反饋中進行重復練習。重復練習是保證技術操作學習有效性的重要條件，因為動作技能的學習需要靠反復的刺激來加以強化。與單純的文字符號學習和劇烈的體育技能學習不同，技術操作的學習更強調在身心協調的情況下，對技術知識和技術操作的相互轉化進行重復的練習。因而，對于其中的每一個環節，全程的自我認知監控與及時的技術操作輔導者反饋是必不可少的，只有這樣才能保證學習方向的正確和學習成果的鞏固。

第四，技術操作的遷移性獲得。羅伯特·加涅（RobertM.Gagnè）認為，對于動作技能的學習，“學習遷移的總量和初始練習的總量成正比”。因而，基于反饋的重復練習，最終使學生獲得精細的技術知識和細膩的技術操作，從而達到“熟能生巧，巧能生精”的境界，也意味著技術操作可以遷移到另外的情境之中。

四、智慧教育環境下精準教學的構建

（一）精準教學模式的構建基礎

數據驅動的精準教學包含精準化教和個性化學，二者互融互通。從“精準化教”的視角出發，需要從融合課前、課中、課后三個教學環節進行考慮，將學生的學習行為、教師的教學行為以及大數據的技術支持全部納入該環節中去，厘清每一個教學環節中教與學之間的關系，重點關注教學行為的變化，依托大數據技術輔助教師講授教學內容高效精準、設計教學結構精巧緊湊、診斷教學問題一針見血等。從“個性化學”的視角出發，需要從融合學習資源、學習過程、同伴互動、學習環境四個維度去考慮，通過資源、人力、數據、技術、環境等方面的支持，以學生為本，形成數據生成—數據分析—數據決策的個性化學習閉環數據流，支持因材施教。

（二）精準教學模式設計

1.教學理念

以項目案例教學為主，依據3D打印為目標，以學生活動為中心，通過接收任務—熟悉資源—研究任務—完成任務—評價任務的工作流程組織教學活動。在此過程中完成專業理論和實踐操作。

2.教學資源

（1）教學環境

學校信息化支撐環境既包括軟件系統，又包括硬件系統。軟件系統包括六個方面：一是微視頻發布系統;二是交互系統;三是學生學習的智能診斷系統;四是遠程支持與服務系統;五是統計系統;六是管理系統。硬件系統包括三個方面：一是師生必須有可以上網的PC或終端;二是網絡帶寬能夠保證微視頻的穩定運行;三是服務器必須具有足夠容量和并發能力，3D打印軟件及打印設備。

（2）教學載體

在教學中應用的軟件Cura是Ultimaker公司設計的3D打印軟件，使用Python開發，集成C++開發的CuraEngine作為切片引擎。由于其切片速度快、切片穩定、對3D模型結構包容性強、設置參數少等諸多優點，擁有越來越多的用戶群。Cura的主要功能有：載入3D模型進行切片、載入圖片生成浮雕并切片、連接打印機打印模型。

3.教學設計

（1）學習者分析

一般來說，學習者特征分析主要包括學習者的認知發展特征、學習者的學習起點水平、學習動機與態度、學習風格、信息素養以及學習自我效能感等。本課程是大學二年級開設的課程，其前導課程為機械制圖、機械設計基礎等，學習者的認知發展處于中高級階段，對于掌握一種新技術具有強烈的動機，學習態度較為積極，學生的學習風格是視覺型+實踐型，具備較強的信息技術處理能力，其前期課程為大學生計算機文化基礎，學習的自我效能感較高。

（2）學習環境設計

3D課程教學在3D打印實訓室，具備多臺可供上網的多媒體設備，學習環境正向多樣化、個性化的方向發展。學習者從過去單向的被動接收到現在雙向的互動探究和協作交流。每四位學生組成一個學習小組，小組共享本組的打印設備、多媒體設備，同時具有記錄操作過程的實驗平臺。

（3）學習資源與工具設計

教師在課前準備了多種教學資源，將前期的教學任務單上傳至當前課程所在的課程平臺藍墨云班課，包括關于打印發展歷程的精品資源（例如，精品資源共享課、精品視頻公開課等）、任課教師二次開發的3D打印微課視頻;學生任務完成過程的視頻及3D課程展示作品。通過協作合著方式，師生共同努力不斷產出更多優質資源，使資源生生不息，形成良性循環。

（4）學習活動設計（以3D打印機的使用為例）

在學習活動環節，梅里爾區分了五種技能，即是什么、有什么、哪一類、如何做和發生了什么。第一種，是什么，一般是指“事實、聯系”。第二種，有什么，一般是指“名稱、描述”，包括以下內容要素：整體說明、部分與整體關系、部分名稱、部分的描述。第三種，哪一類，一般是指“定義、屬性”，包括以下內容要素：類別名稱、關鍵特征、一組實例。第四種，如何做，一般是指“步驟與順序”，包括具體問題或任務、系列步驟、步驟的示證、每一個步驟的結果、完成所有步驟的結果。第五種，發生了什么，一般是指“條件與后果”，常常用“如果……那么”的句式表示，包括具體問題或任務、條件、條件產生的結果（首要教學原理P48～49）。梅里爾認為在這五類技能中能夠成為課程主要目標的，往往是后三類，即哪一類、如何做和發生了什么。前面兩種不是課程的主要目標，而是起輔助作用的，即“是什么”“有什么”，后面三類技能里幾乎都包括這兩種技能，以“如何做”為例，“如何做”會涉及“有幾個步驟”和“每個步驟是什么”的技能。

學習活動設計包括教師活動和學生活動兩個方面，而且在不同的個性化教學模式中側重點有所不同。（見文末表2）

4.教學目標

學生需要掌握的知識目標是了解3D打印和逆向工程的基本理論知識、熟悉3D打印機的使用與維護常識、熟悉三維掃描儀的使用與維護常識、掌握點云數據的采集與處理方法、掌握工業產品的逆向建模與創新設計方法。學生需要掌握的技能目標是熟練使用FDM（熔融沉積成型）3D打印機的使用技巧和維護方法，熟練掌握三維掃描儀的安裝、調整、操作和維護技能，熟練使用cura（相應的）軟件對采集的產品表面點云數據進行優化處理，熟練使用cura打印軟件對處理好的產品面片文件進行曲面重構和三維造型，會使用cura打印軟件對重構后的產品模型進行創新設計。同時具備分析問題和思考問題的能力、總結經驗和自我展示的能力、創新設計的能力。

5.教學內容

課程內容的設計要點包括打破傳統教學中的獨立課程體系，圍繞“工業產品的數字化設計與增材制造”這條主線，將數字化測量與數據處理、計算機輔助設計、產品結構設計與造型、模具設計、3D打印等相關技術融合成正向設計、逆向設計和創新設計于一體化的新職業課程。教學項目的設計充分考慮學生的學習興趣，通過循序漸進的過程，讓學生在若干個教學項目的實施過程中逐步掌握該課程涉及的專業知識和技能。

6.教學評價

基于Web的圖表繪制工具AimChart，可用于測量和可視化學生個體的學習表現。它能夠快速、簡便地收集、存儲、顯示、分析和共享學習表現的數據。AimChart遵循精準教學的標準，所以學過精準教學的任何人（學生、教師、管理者、父母等）都能夠很容易使用。除此之外，標準變速圖表的Microsoft Excel中的模板也是可以免費獲得的繪圖工具。例如，TOY（The One Year Stan-dard Celeration Chart）是基于Microsoft Excel的模板，允許在一張表中按日、周、月和年的時間周期來查看行為的監控和變化。特別地，它可以精準地標注和測量變化的影響，也可以計算出變化偶然發生的可能性。

五、結語

隨著數字化設計與3D打印課程在職業院校機械、數控類專業的逐步開展，該課程重點培養學生對工業產品進行數字化設計和3D打印成型等專業核心能力，以智慧教育環境為背景，分析了在此環境下的精準教學運行的核心機制，即“學深悟透，內化于心”是檢驗精準教學“會不會”發生的過程;“以學促做，外化于行”是檢驗精準教學“能不能”發生的結果，從而推動精準教學模式在高職院校的推廣和應用。

參考文獻：

[1]Lindsleyor.Precision teaching：discoveries and effects[J].Journal of applied behavior analysis，1992，25（1）：51-57.

[2]Binder，C.Precision teaching：Measuring and attaining exem-plary academica chievement[J].Youth Policy，1988，10（7）：12-15.

[3]Griffin，C.P.，Murtagh，L.Increasing the sight vocabulary and reading fluency of children requiring reading support：the use of a Pre-cision Teaching approach[J].Educational Psychology in Practice，2015，31（2）：186-209.

[4]Lambe，D.，Murphy，C.，Kelly，M.E.The Impact of a Precision Teaching Intervention on the Reading Fluency of Typically Deve-loping Children[J].Behavioral Interventions，2015，30（4）：364-377.

[5]祝智庭.智慧教育：教育信息化的創新追求[R].寧波：智博會智慧教育論壇，2012.

[6]趙秋錦，楊現民，王帆.智慧教育環境的系統模型設計[J].現代教育技術，2014，24（10）：12-18.

[7]彭紅超，祝智庭.以測輔學：智慧教育境域中精準教學的核心機制[J].電化教育研究，2017，38（3）：94-103.

[8]蔣三生.基于第二課堂的“數字化設計與3D打印”課程建設[J].農產品加工，2019（20）：108-111.

[9]祝智庭，彭紅超.信息技術支持的高效知識教學：激發精準教學的活力[J].中國電化教育，2016（1）：18-25.

◎編輯 馬燕萍