基于3D打印平臺課程群建設的研究

楊冬霞,雷冬飛,任小璐

(哈爾濱學院 土木建筑工程學院,哈爾濱 150086)

在制造業向智能制造轉型升級、產品附加值提升、運行效率大幅提高的背景下,先進的機器人技術、3D打印、AI等技術被應用于供應鏈、生產過程、客戶產品等行業領域,為制造業和服務業注入了強勁的內生動力[1]。2017年3D打印產業快速發展,在這一年國家相關部門出臺了8項對3D打印的支持政策,科技部、教育部、工信部等部門都對增材制造產業提出了發展規劃[2]。其中涉及三維造型技術、建筑工程、電子信息及醫療健康等多領域和行業,為3D打印技術應用起到強有力推動作用。為了解決當前課程目標不能及時反映產業發展要求、企業需求及深化落實課程思政育人目標的問題,3D打印平臺的課程群建設應運而生。

課程群的建設可以在充分凝練區域發展特色與優勢的基礎上,形成一個跨界融合,構建行業和企業深度參與、著重提升學生動手操作能力、解決復雜工程問題能力的新型教學模式[3]。本文以3D打印為平臺,探索將課程知識目標、能力目標和思維目標進行高度凝練的教學創新途徑,可以有效解決學生學科思維單一、多專業知識深度融合困難、認知層面缺乏責任擔當和實踐層面行動不力的問題,構建育人效果良好的創新型教學平臺。有利于加深大學生對數字創新知識的理解,培養創新能力,建立數字化創新思想,運用數字思想思考問題、解決問題的能力。

一、多課程融合的教學模式

1.課程群的基本要素

2021年12月教育部高教司司長吳巖在第十二屆新華網教育論壇上指出,要全力抓好高校教育教學“新基建”,抓專業、抓課程、抓教材、抓學習技術方法、抓教師,通過做好這“五抓”來托起高等教育的高質量[4]。課程群建設恰好可以體現這“五抓”,并將這“五抓”具體落實,課程群所涵蓋的專業、包括的課程、使用的教材、教學方法的實施及授課教師素質和能力的提高都在這“五抓”范圍之內[5]。課程群要素的構成是目標、結構、實施和評價,課程群需要強調從專業與行業發展的整體角度去看待各個要素之間的聯系,需要從系統的觀點將課程群、專業與學科之間的各要素聯結成一個既有區別又有聯系的有機運行整體,使課程群中所有課程都要遵循相應專業和行業發展的邏輯聯系,課程群對其進行組合與優化[6]。

課程群的目標為課程群建設起著綱領性指導作用,它需要與社會發展需求及行業發展趨勢緊密相連,要與學科發展、畢業要求及學生發展密切關聯,同時還要對課程群內課程內容的選擇,課程結構的設置相關聯。課程群還制約著各門課程在實施過程中的教學模式,也是評價各門課程的重要基礎[7]。

基于3D打印平臺課程群的建設不僅要關注到課程群內不同課程之間的目標互補性、課程內容的匹配性、各門課程間的理論環節與實踐環節的均衡性,而且還要與人才培養方案中畢業指標點呈前后呼應。課程群應具有課程結構的拓撲圖,在橫向結構上突出年級不同,課程目標逐漸從知識目標、能力目標與思維目標之間的過渡關系,與人才培養的寬泛性相對應。課程群結構拓撲圖在縱向結構上應從通識教育、專業教育和實踐教育逐漸深入,突顯行業領域發展及課程的實踐能力,將學生能力與素養有效提升[8]。課程群的建設與發展也是一個螺旋上升且不斷更新的過程。因此,課程群建設需要提煉并推行與課程性質相匹配的實施方式,使課程群不但具有顯著特征還具有行業特色,對今后學生的職業生涯規劃及目標定位也十分有利[9]。

2.課程的交融性

2022年6月,主題為“建設高質量高等教育體系”的2021高等教育國際年會在廣州中山大學以線上線下相結合方式舉行,教育部高教司司長吳巖出席論壇并作了《國際共識 中國創新》的主題報告。吳巖在報告中提出了高等教育六大變革方向,其中第三個變革方向是推動跨學科、超學科的開放與交流,本文所研究的基于3D打印平臺課程群的建設與這一變革方向相一致。

基于3D打印平臺課程群的建設具有系統性,將多門課程有機融合共建的課程體系。它是以人才培養目標為導向不斷完善人才培養方案,使人才培養對新技術、新產業、新業態的適應度有效增強。課程群的建設以產業需求為導向,以數字信息技術和智慧高教平臺為依托,不斷改變和更新教學理念、課程內容設置、立體學習場景及教學情境構建的新型教學模式和管理方式來開展。課程群建設可以解決教學情境構建的碎片化問題、學生能力培養不成體系問題、學生思維訓練零散化問題。課程群還可以將具有邏輯聯系的若干課程,通過以訓練項目為導向、案例式教學為方法,將人才培養方案中的知識、方法、問題等重新進行規劃、整合,采用結構化學習與融合式思政育人模式,使學生充分認識到知識的意義與價值,提升學生工程思維,以成果共享與循環賦能為手段,實現知識活化的良性循環。課程群中課程的交叉融合不是現有課程的簡單疊加,而是需要按照既定的培養目標對相關課程內容和結構進行交叉融合,或者是開發全新的課程。課程的交叉融合則需要對這些課程的教學內容進行相互滲透、整合、重組和優化,將其實質性地融合成新的課程。課程群建設要體現出課程系統的開放性、教師的團隊性、教師和學生間的梯隊性等特點,以學生為中心、以課程間的相互邏輯聯系為紐帶、以教師團隊合作為支撐,使課程群成為深化教學改革的新型課程建設模式[10]。

基于3D打印平臺的課程群建設,系統性是它的根本特性。課程群內的課程之間不是單擺浮擱,而是需要集合起來實現預期人才培養目標,符合學生認知學習規律的有機整體。課程群的建設有著橫向和縱向兩維度,它是按不同年級學生接受知識能力進行有序排列的課程設置。橫向體現相同年級涉及的不同專業的知識目標,實現“多維度”選擇。縱向展現出不同年級課程之間能力目標的“多層次”遞進。3D打印技術恰好是課程群特性的集中體現,它具有整體性、結構性和動態性,是多個專業多門課程知識的集中體現,將其作為課程群建設教學平臺可以實現教師教學自主創新能力的培養。同時它是多個專業多門課程內容的集中體現,這不僅包括熟練應用、創新設計,還需要進行多專業知識的融合。現在3D打印技術廣泛應用于汽車、家電、電動工具、精密鑄造等諸多行業,有些學校已將3D打印技術應用于無人機維修專業,基于專業需求讓學生完成進階式項目任務,開展專業與3D打印技術理實一體的創新教學模式。實現多專業、多課程相互交融的實踐項目,將自主學習、終身學習及協作學習有效貫穿于項目任務[11]。

二、課程群建設平臺

從2015年起,工業和信息化部會同其他部門先后印發了《國家增材制造產業發展推進計劃(2015—2016年)》、《增材制造產業發展行動計劃(2017—2020年)》、《關于有序推動工業通信業企業復工復產的指導意見(2020年)》等文件,都將增材制造作為重點支持對象。我國3D打印產業規模快速增長,技術工藝不斷突破,應用領域快速拓展,3D打印產業已從起步培育進入加速推廣的新階段。基于3D打印平臺的課程群建設與我國行業發展態勢相一致。通過3D打印技術建設課程群平臺,可以將虛擬世界與實體世界有機結合,將觸覺與視覺相結合,還可以結合3D數據云平臺,通過線上線下、校內校外相結合的方式調動和激發學生學習興趣。在疫情常態化狀態下,高質量地完成教學實踐環節。3D打印與教學相融合,其目的不僅在于實物模型的設計打印其重點是把創新設計自然地融入教育教學體系,培養學生的科學探究思維。3D打印平臺可以融入創客教育,學生通過3D打印平臺與物聯網、大數據、云技術這些開源平臺直接相連,實現設計成果遠程打印、共享、云端存儲,實現自身需求畫像與個性化需求精準定位[12]。

基于3D打印的課程群建設平臺是以“項目引導,任務驅動”的模式進行開展的,課程群平臺模式如圖1所示。平臺的項目是課程群團隊教師經過市場和行業調研提煉出的問題,適合學生做項目;以及依據相關企業對崗位需求分解后,依據學生不同年級設置不同的任務,“項目引導,任務驅動”這二者緊密相聯不可分割。課程群內課程體系的重構、內容重組、創新資源環境及實踐教學中心的建設,都不能因人設課,這樣可以有效解決課程群建設過程中跨學科、超學科的知識研究與實際應用難落實等問題。需要將教師團隊責任化、具體化、模塊化,教師團隊聚焦于產業發展新要求,這樣才能使布置給學生的項目,與學生發展需求、企業需求相一致,讓學生體驗到社會責任感與使命感,使學生在此其間能夠感受到知識延伸、能力提升,使共情、建構及踐行的課程思政自然相融。

以3D打印為平臺的課程群多為專業融合教學模式,可以在教學過程中圍繞一個完整的、實際的任務展開,避免了知識運用的碎片化;可以將課前、課中及課后有效連貫形成一個整體,實現學生能力不斷迭代進階過程;教師在學生完成任務過程中形成符合實際要求的評價,使學生在實踐過程中不斷反思實現了自身綜合能力的提高;在教與學的過程中學生可以體會到課堂不曾出現過的階段成果和最終實踐成果的成就感。在完成項目環節中培養學生學科思維、將學科價值與追求融入解決問題的實踐過程中。

三、課程群實踐教學

基于3D打印平臺課程群的建設,需要以項目化實踐平臺為依托體現教與學的完全融合。以項目為導向的實踐教學平臺,可以使學生的思考、動手與創新成為密不可分的整體。教師在此過程中對教學內容的設計應遵循由淺入深的原則,布置給學生的任務應采取逐層遞進的方式,將項目任務分布從單一到綜合再到創新設計。項目的提練以市場與行業的需求為切入口,并且按照行業生產的要求與標準,作為學生和教師共同完成的目標。

1.實踐教學模式

隨著3D打印技術迅速發展,如今設計機構、生產企業及高校都在將3D打印應用于開發、迭代設計、零部件定制和學生創新實踐能力的培養中。深度融合信息技術的3D打印平臺可以將課程群結構中課程與實踐環節之間形成彼此聯系相互依賴的實踐教學模式,如圖2所示。將大學四年分為三個階段,初始階段主要是針對本專業基礎知識和完成任務項目時必需的認知學習,讓學生有感性認識。過程環節主要完成相關項目任務的課程設計,培養學生運用知識和思考問題的基本能力,同時將學生完成的項目任務依據難易程度和創新程度參與到“互聯網+”、科技競賽及創客平臺上,在此過程中實現學生綜合能力的提高。基于3D打印平臺的教學模式可以創構聯系學科前沿、實際產業的學習資源機制和環境,使學生在平臺中能夠實現合作、研討、分享和質疑的探究學習環境,搭建成為泛在、互動、全天候的學習平臺。

3D打印被譽為最佳創新工具,3D打印與教育相結合可以成為培養學生創新思維和創造能力的重要教育手段及方法。3D打印技術是教育信息化的組成部分,運用3D打印構建創新實踐平臺,可以成為探索人工智能技術與教育實踐環節的融合應用[13]。

基于3D打印平臺的教學模式可以使學生在設計作品方面,最大程度地降低學校實踐環節費用、研發和縮短生產周期,是不占空間的便攜制造。學生制造結構復雜模型,增加學生創新設計興趣,提高創新設計能力。因此,基于3D打印平臺課程群的建設可以重構實踐教學體系,它是信息技術高效融入的一種優質教育資源和新的教育信息化形式,形成多學科交叉、多專業融合、多層次遞進的創新型教學模式。英國著名教師戴夫懷特曾說:“如果你能抓住學生的想象力,你就能抓住他們的注意力!”3D打印可以幫助教師將抽象的、結構性的知識有效地轉化為直觀形象的實物模型,開拓學生思維,培養學生創新能力,激發學生的潛力和興趣[14]。

2.創新能力培養

對學生創新能力的培養不是一個線性的過程,它是一個螺旋上升不斷前進的過程,需要長時間的能力積淀。3D打印自身就是多學科交叉融合的產物,在實踐教學環節應用3D打印技術,可以有效提高學生對行業發展、企業需求的意識,有利于學生自主學習能力和探究精神的培養。教師依據不同年級學生將項目任務分解發布給學生,可以促使多個專業的學生在設計、加工、制造及完善過程中交流、互助、協作。3D打印可以將抽象的知識實物化,激發學生對科學、技術、藝術、工程和數學等跨學科、交叉專業知識學習的興趣,按照發現問題、分析問題、解決問題的思路進行項目任務的設計,將學生知識能力、實踐能力及思維能力在完成項目任務的過程中得到提升和遷移。讓學生能感受到自身的進步,獲得成就感,這可以使他們有熱情投入到設計中并通過實物促使反思。3D打印技術平臺以課程群內的課程知識為基礎,充分培養學生創新創造能力,同時還融合美術、勞技、藝術、數學、物理、計算機及人文等學科,從藝術素養、軟件應用及學科知識等方面對學生進行全面的素質培養。3D打印技術平臺可以使學生的領導力、創新設計能力、解決實際問題能力、跨學科知識學習能力、個人探究、與人合作能力、表達和有效溝通的能力都得到全面提升。

隨著3D打印受到專家學者的關注度逐漸提高,將為教學和研究領域帶來創新。3D打印技術可以快速地將模型轉換成物理實物模型,這樣可以方便檢驗學生的設計思想和產品結構的合理性、可裝配性和美觀性,發現設計中的問題及時修改。利用3D打印技術制作的模型可以擴展學習者的感覺和知覺,增強觸覺體驗彌補常態課堂直接經驗不足的劣勢;可以將隱性知識和認知結構顯性化,使學習資料由抽象化轉變為具體化,具體化轉變為形象化,視覺復雜化轉變成認知簡單化,這種變化過程可以真正打破課程群中多專業多課程相互融合的邊界壁壘,建立實踐教學平臺,創新人才培養模式,提高整體教學質量。

四、亟須解決的問題

師資力量的不足是制約以3D打印為平臺課程群建設發展的重要因素。3D打印融合了機械、物理、材料、電學、信息等多專業多課程的知識,是多學科知識與技術的交叉融合,教師在實際教學設計、操作過程與解決問題中存在一定的困難。3D打印平臺需要對師資隊伍進行建設,改善教學模式,完善考核激勵,提升師資隊伍能力。3D打印平臺需要“產、學、研”貫通的師資隊伍,即課程群的教師能緊跟市場行業發展還需了解科技前沿,打造一支能站得了講臺、搞得了科研、掌握行業前沿的優秀教師團隊。通過3D打印輔助課堂教學與科學研究,建立高效的跨學科、跨專業的課程群平臺,培養學生創新精神,將工匠精神與社會使命感及責任感融入課堂內外。

五、結語

通過對3D打印平臺課程群建設的研究,從課程群建設目標、課程群內課程的內容與設置、平臺實踐教學環境及學生水平和心理需求等方面進行變革與創新。學生可以通過平臺體驗、創構、協作及創新思維與能力的不斷迭代,有效激發學習興趣。基于3D打印平臺的課程群模式建設,可以加速學生學習方式的改變,促進學生在知識遷移能力、解決復雜工程問題能力和工程思維品質方面得到提高。基于3D打印平臺課程群建設可以有效促進育人環境,在教與學的過程中做到情境交融,讓學生體會與感悟到學習環境與資源的融合。通過3D打印平臺課程群建設,教師可以實現“學、做、考”的一體化考核評價體系,將在教學中需要實現的知識目標、能力目標及思維目標三者相融合,創新教學評價模式。3D打印平臺課程群建設可以將課程群目標、課程目標、主要學習環節與成果及評價體系等多個方面建構為一個網絡,彼此之間相互聯系、相系制約,有效提高學生創新意識和能力、促進學生知識結構不斷優化、使靈活運用知識的能力穩步提升,面對問題時學生具有挑戰精神可以對問題進行思考、實踐、再設計、再實踐,進而達到“從學中做,在做中學”,為教育教學改革作出有益貢獻。