智慧教育环境下数字化设计与3D打印技术精准教学模式探究

高玉英

[摘           要]  以智慧教育环境为背景，分析了此环境下精准教学运行的核心机制，即“学深悟透，内化于心”是检验精准教学“会不会”发生的过程;“以学促做，外化于行”是检验精准教学“能不能”发生的结果，以高职院校3D打印技术课程为例，从教学模式的构成要素分析“智慧教”和“智慧学”的互动过程，从而推动精准教学模式在高职院校的推广和应用。

[关    键   词]  智慧教育;数字化设计与3D打印技术;精准教学模式

[中图分类号]  G642                   [文献标志码]  A                      [文章编号]  2096-0603（2021）15-0082-04

制造业是国民经济的主体，是立国之本、兴国之器、强国之基。“中国制造2025”要求制造业数字化、网络化取得明显进展;要求智能制造的核心技术不断提升和完善。例如，数字化设计与制造技术、增材制造技术（3D打印）等。为深化民办高职院校教育教学改革，推动人才培养机制创新，深化内涵建设，提升人才培养质量，3D打印技术课程就是基于上述背景，围绕数字化设计与制造、增材制造（3D打印）两大核心技术新开发的课程。通过创建智慧教育环境，本文以高职院校数字化设计与3D打印技术为例，展示教学过程中实施精准教学模式，从而打造高效课堂，为更深层次地开展教学改革指明方向。

一、相关概念溯源

（一）精准教学起源与理念

精准教学（Precision Teaching）最初由美国学者Lindsley于20世纪60年代依据斯金纳的行为主义理论提出，他认为精准教学是根据标准变速图表（Standard Celeration Charts，简称SCC）上显示的持续性自我监控表现频率的变化而作出的教育决策，最初，旨在通过设计测量过程来追踪小学生的学习表现和支持数据决策，以便“将科学放在学生和教师的手中”。后来发展为用于评估任意给定的教学方法有效性的框架。作为精准、系统的评估方法，精准教学兼容于各种教学策略，可对任何学科、任何学段的教学进行评估。

祝智庭教授为智慧教育下了一个定义，所谓智慧教育是指通过利用灵巧技术构建智能化环境，让师生施展灵巧的教与学方法，使其由不能变为可能，由小能变为大能，从而培养具有良好价值取向、较高思维品质和较强思维能力的人才。智慧教育环境不仅包括智慧学习环境，还包括智慧教学环境和智慧管理环境。智慧教育环境是支持教育共同体开展教育活动的智能化空间和条件。智慧教育环境的构建是以教育共同体开展教育活动的智能化空间和条件。智慧教育环境的构建是以教育共同体为中心，在先进的学习、教学管理理论指导下，充分利用各种技术智能感知教学、学习与管理情境，识别教育主题特征，以及为教育教学活动的开展提供合適的资源、工具和服务，有效促进教育共同体的智慧生成。

（二）精准教学的特征与操作

精准教学使用流畅度（Fluency）作为衡量学生学习发展的指标。精准教学认为知识或技能的真正掌握，不仅体现在学习表现的质量和准确度方面，还体现在速度方面。因此，流畅度是指学习表现的“准确度”+“速度”。在其他条件相同的情况下，流畅的学习表现比不流畅的表现更有可能在未来发生。频率指单位时间内，学生表现行为的正确或错误次数，可以同时体现“准确度”和“速度”，因此频率是流畅度的主要指标。在精准教学过程中，构建频率是构建流畅度的重要方面。流畅度具有五大属性：持久性（Maintenance）、耐久性（Endurance）、稳定性（Stability）、应用性（Application）和生成性（Generativity）。持久性是指学生在无额外练习的情况下，未来根据需求执行任务的能力;耐久性是指为了满足真实需求，执行必要长时间的能力;稳定性是指在干扰的情况下，能够继续实施一项技能的能力;应用性是指知识或技能容易地应用于新的情境的能力;生成性是指在没有明显的指导下，出现复杂行为技能的能力。因此，流畅的学习表现是知识或技能真正掌握的体现。

二、智慧教育环境的构建

（一）智慧教育环境的构成要素

智慧教育环境基本要素主要有社会环境要素、规范环境要素、物理环境要素。社会环境要素是教学应用过程中相关主体形成的各种关系互动及关系环境，一般来说有教学氛围、师生状态、师生伦理、课堂文化、精神风貌等;规范环境要素是指教学活动开展依据的各类规章制度、倡导的价值观念、采用的教学策略等;物理环境要素是教学活动开展所需的物理空间及必要的物质条件，以有型实体存在的教室、桌椅板凳等教学设施还有信息资源、虚拟空间等无形虚拟资源。智慧教育环境的构成是以物理环境要素为基础，在规范环境要素的制约下，以社会环境要素为支撑开展的，三种要素相互作用、相互影响，共同搭建了精准教学过程的环境基础。

（二）智慧教育环境的构建基础

智慧教育环境是以知识或信息的流动而进行的生产、传播、重建的人工系统。不仅有基于“信息流”传递摄取的关系，更多的是“知识流”的富集关系，它是围绕知识的循环和信息的流动从而在参与教学活动的相关使用者、设计者和评价者等主体之间进行生产、传播、重建的。

智慧教育环境是围绕信息流的传递和知识流的流通进行的活动。智慧教育环境以基于互联网的现代远程学习系统、数字化的视听技术、电子书包、多媒体的网络交互技术，特别是云智能教育平台等虚拟现实技术在教学中的引入使知识的呈现、传递方式和生态主体间的交往方式呈现出现实与虚拟的交融性。教学活动中的主体，以人—人交互实现信息的流动和人际交往，或者以人—机—人互动方式实现在虚拟时间和现实世界里的融合交互，信息交互和传播途径极大地扩展了。

三、智慧教育环境下精准教学的核心机制

精准教学核心内容在于满足以下学习目标：在知识建构上需以突出群体协作的知识建构为目标，在认知上以高阶认知为重点，在学习主体上，则从以教师为中心转变为以学生为中心。

精准教学的发生取决于学习内容、学习空间、学习者以及学习形式这四个因素如何实现，实现过程中的自动生成。网络媒介赋予了学习者丰富程度远超任何媒介的学习内容。学习内容是学习活动中的客体，其属性直接影响学习方式的选择;学习情境强调知识产生的背景，强调情境化高阶思维方式，在无中心、无边界、开放的学习情境中以何种方式建构新知，亟待思考;学习者作为学习活动中的主体，生活在数字技术下，生活在终身学习的时代，其自身的发展变化必然对学习方式转型起到一定影响。

（一）“学深悟透，内化于心”是检验精准教学“会不会”发生的核心机制

专业技术知识的精细化学习，既包括显性知识的熟知，又包括隐性知识的习得。这两种知识于教师身上并不是孤立存在的，而是在一定条件下可以相互交织、相互转化的关系。但无论是显性的还是隐性的技术知识，都需要在做中学。专业理论方面的显性技术知识的学习，可通过文字、图片和音视频等方式来进行，所选择的材料和讲授方式要注意知识变迁中与教师原有技术经验的衔接。尽量让学生原有的技术经验得以同化新的技术规则，或者在顺应中得以顺利地建构新的技术规则的模块和网络，形成个体化的技术知识;专业技术方面的隐性技术知识的学习，除了采用显性技术知识的学习方式外，还必须经由学生自身的活动经验总结和提炼而成。正如波兰尼所认为的“一种无法详细言传的技艺不能通过规定流传下去，因为这样的规定并不存在。它只能通过师傅教徒弟这样的示范方式流传下去”。在3D打印技术课程开展过程中，学生需要对课程内容进行仔细观察琢磨，使隐性技术知识的顺利共享和学习得以可能。“在师傅的示范下通过观察和模仿，徒弟在不如不觉中学会了那种技艺的规则，包括那些连师傅本人也不外显地知道的规则”。另外，以严密的课程框架来实现规范的教学组织结构，是隐性技术知识学习的有力保障。这种规范的教学组织结构有效弥补了传统学徒制中教学松散的缺点，以多位專家（师傅）传授、教学设计精确、学员互动参与、职责划分明确等措施确保了隐性知识在学习共同体内部的交流和共享。

（二）“以学促做，外化于行”是检验精准教学“能不能”发生的核心机制

高职类技术技能操作课程，每一节课的精心设计，在操作的细节上进行练习打磨，是实现精准教学流畅性的前提，达成生成性教学的重要途径。技术技能操作的精细化，需要在动手做，需要在用中学才能获得。在用中学和在做中学不可等同，它们实际上构成技术学习不可分割的连续统一体。在模拟真实的教学情境中，学生通过反复地强化身心的协调，将头脑中存储的技术知识顺利地提取出来，并转化为动作程序的连续运行，以致达成自动化操作的技术学习活动。它的实施要领包含如下几点。

第一，要模拟真实的教学情境。因而，要针对特定的教学内容和教学对象，选择合适的教学媒体来进行练习和操作，同时要精心设置教学情境中的其他技术要素。

第二，强化身心的协调。这是技术操作学习的核心，即将技术知识有效转化为技术操作的过程。首先，在头脑中对技术知识进行选择和规划。其次，通过技术知识来操控技术程序的运行以达到教学的目的。再次，从技术层面对教学进行评估，进而修正技术知识和技术程序。最后，达到技术操作学习的螺旋式上升效果。

第三，在反馈中进行重复练习。重复练习是保证技术操作学习有效性的重要条件，因为动作技能的学习需要靠反复的刺激来加以强化。与单纯的文字符号学习和剧烈的体育技能学习不同，技术操作的学习更强调在身心协调的情况下，对技术知识和技术操作的相互转化进行重复的练习。因而，对于其中的每一个环节，全程的自我认知监控与及时的技术操作辅导者反馈是必不可少的，只有这样才能保证学习方向的正确和学习成果的巩固。

第四，技术操作的迁移性获得。罗伯特·加涅（RobertM.Gagnè）认为，对于动作技能的学习，“学习迁移的总量和初始练习的总量成正比”。因而，基于反馈的重复练习，最终使学生获得精细的技术知识和细腻的技术操作，从而达到“熟能生巧，巧能生精”的境界，也意味着技术操作可以迁移到另外的情境之中。

四、智慧教育环境下精准教学的构建

（一）精准教学模式的构建基础

数据驱动的精准教学包含精准化教和个性化学，二者互融互通。从“精准化教”的视角出发，需要从融合课前、课中、课后三个教学环节进行考虑，将学生的学习行为、教师的教学行为以及大数据的技术支持全部纳入该环节中去，厘清每一个教学环节中教与学之间的关系，重点关注教学行为的变化，依托大数据技术辅助教师讲授教学内容高效精准、设计教学结构精巧紧凑、诊断教学问题一针见血等。从“个性化学”的视角出发，需要从融合学习资源、学习过程、同伴互动、学习环境四个维度去考虑，通过资源、人力、数据、技术、环境等方面的支持，以学生为本，形成数据生成—数据分析—数据决策的个性化学习闭环数据流，支持因材施教。

（二）精准教学模式设计

1.教学理念

以项目案例教学为主，依据3D打印为目标，以学生活动为中心，通过接收任务—熟悉资源—研究任务—完成任务—评价任务的工作流程组织教学活动。在此过程中完成专业理论和实践操作。

2.教学资源

（1）教学环境

学校信息化支撑环境既包括软件系统，又包括硬件系统。软件系统包括六个方面：一是微视频发布系统;二是交互系统;三是学生学习的智能诊断系统;四是远程支持与服务系统;五是统计系统;六是管理系统。硬件系统包括三个方面：一是师生必须有可以上网的PC或终端;二是网络带宽能够保证微视频的稳定运行;三是服务器必须具有足够容量和并发能力，3D打印软件及打印设备。

（2）教学载体

在教学中应用的软件Cura是Ultimaker公司设计的3D打印软件，使用Python开发，集成C++开发的CuraEngine作为切片引擎。由于其切片速度快、切片稳定、对3D模型结构包容性强、设置参数少等诸多优点，拥有越来越多的用户群。Cura的主要功能有：载入3D模型进行切片、载入图片生成浮雕并切片、连接打印机打印模型。

3.教学设计

（1）学习者分析

一般来说，学习者特征分析主要包括学习者的认知发展特征、学习者的学习起点水平、学习动机与态度、学习风格、信息素养以及学习自我效能感等。本课程是大学二年级开设的课程，其前导课程为机械制图、机械设计基础等，学习者的认知发展处于中高级阶段，对于掌握一种新技术具有强烈的动机，学习态度较为积极，学生的学习风格是视觉型+实践型，具备较强的信息技术处理能力，其前期课程为大学生计算机文化基础，学习的自我效能感较高。

（2）学习环境设计

3D课程教学在3D打印实训室，具备多台可供上网的多媒体设备，学习环境正向多样化、个性化的方向发展。学习者从过去单向的被动接收到现在双向的互动探究和协作交流。每四位学生组成一个学习小组，小组共享本组的打印设备、多媒体设备，同时具有记录操作过程的实验平台。

（3）学习资源与工具设计

教师在课前准备了多种教学资源，将前期的教学任务单上传至当前课程所在的课程平台蓝墨云班课，包括关于打印发展历程的精品资源（例如，精品资源共享课、精品视频公开课等）、任课教师二次开发的3D打印微课视频;学生任务完成过程的视频及3D课程展示作品。通过协作合著方式，师生共同努力不断产出更多优质资源，使资源生生不息，形成良性循环。

（4）学习活动设计（以3D打印机的使用为例）

在学习活动环节，梅里尔区分了五种技能，即是什么、有什么、哪一类、如何做和发生了什么。第一种，是什么，一般是指“事实、联系”。第二种，有什么，一般是指“名称、描述”，包括以下内容要素：整体说明、部分与整体关系、部分名称、部分的描述。第三种，哪一类，一般是指“定义、属性”，包括以下内容要素：类别名称、关键特征、一组实例。第四种，如何做，一般是指“步骤与顺序”，包括具体问题或任务、系列步骤、步骤的示证、每一个步骤的结果、完成所有步骤的结果。第五种，发生了什么，一般是指“条件与后果”，常常用“如果……那么”的句式表示，包括具体问题或任务、条件、条件产生的结果（首要教学原理P48～49）。梅里尔认为在这五类技能中能够成为课程主要目标的，往往是后三类，即哪一类、如何做和发生了什么。前面两种不是课程的主要目标，而是起辅助作用的，即“是什么”“有什么”，后面三类技能里几乎都包括这两种技能，以“如何做”为例，“如何做”会涉及“有几个步骤”和“每个步骤是什么”的技能。

学习活动设计包括教师活动和学生活动两个方面，而且在不同的个性化教学模式中侧重点有所不同。（见文末表2）

4.教学目标

学生需要掌握的知识目标是了解3D打印和逆向工程的基本理论知识、熟悉3D打印机的使用与维护常识、熟悉三维扫描仪的使用与维护常识、掌握点云数据的采集与处理方法、掌握工业产品的逆向建模与创新设计方法。学生需要掌握的技能目标是熟练使用FDM（熔融沉积成型）3D打印机的使用技巧和维护方法，熟练掌握三维扫描仪的安装、调整、操作和维护技能，熟练使用cura（相应的）软件对采集的产品表面点云数据进行优化处理，熟练使用cura打印软件对处理好的产品面片文件进行曲面重构和三维造型，会使用cura打印软件对重构后的产品模型进行创新设计。同时具备分析问题和思考问题的能力、总结经验和自我展示的能力、创新设计的能力。

5.教学内容

课程内容的设计要点包括打破传统教学中的独立课程体系，围绕“工业产品的数字化设计与增材制造”这条主线，将数字化测量与数据处理、计算机辅助设计、产品结构设计与造型、模具设计、3D打印等相关技术融合成正向设计、逆向设计和创新设计于一体化的新职业课程。教学项目的设计充分考虑学生的学习兴趣，通过循序渐进的过程，让学生在若干个教学项目的实施过程中逐步掌握该课程涉及的专业知识和技能。

6.教学评价

基于Web的图表绘制工具AimChart，可用于测量和可视化学生个体的学习表现。它能够快速、简便地收集、存储、显示、分析和共享学习表现的数据。AimChart遵循精准教学的标准，所以学过精准教学的任何人（学生、教师、管理者、父母等）都能够很容易使用。除此之外，标准变速图表的Microsoft Excel中的模板也是可以免费获得的绘图工具。例如，TOY（The One Year Stan-dard Celeration Chart）是基于Microsoft Excel的模板，允许在一张表中按日、周、月和年的时间周期来查看行为的监控和变化。特别地，它可以精准地标注和测量变化的影响，也可以计算出变化偶然发生的可能性。

五、结语

随着数字化设计与3D打印课程在职业院校机械、数控类专业的逐步开展，该课程重点培养学生对工业产品进行数字化设计和3D打印成型等专业核心能力，以智慧教育环境为背景，分析了在此环境下的精准教学运行的核心机制，即“学深悟透，内化于心”是检验精准教学“会不会”发生的过程;“以学促做，外化于行”是检验精准教学“能不能”发生的结果，从而推动精准教学模式在高职院校的推广和应用。

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◎编辑 马燕萍