基于3D打印平台课程群建设的研究

杨冬霞,雷冬飞,任小璐

(哈尔滨学院 土木建筑工程学院,哈尔滨 150086)

在制造业向智能制造转型升级、产品附加值提升、运行效率大幅提高的背景下,先进的机器人技术、3D打印、AI等技术被应用于供应链、生产过程、客户产品等行业领域,为制造业和服务业注入了强劲的内生动力[1]。2017年3D打印产业快速发展,在这一年国家相关部门出台了8项对3D打印的支持政策,科技部、教育部、工信部等部门都对增材制造产业提出了发展规划[2]。其中涉及三维造型技术、建筑工程、电子信息及医疗健康等多领域和行业,为3D打印技术应用起到强有力推动作用。为了解决当前课程目标不能及时反映产业发展要求、企业需求及深化落实课程思政育人目标的问题,3D打印平台的课程群建设应运而生。

课程群的建设可以在充分凝练区域发展特色与优势的基础上,形成一个跨界融合,构建行业和企业深度参与、着重提升学生动手操作能力、解决复杂工程问题能力的新型教学模式[3]。本文以3D打印为平台,探索将课程知识目标、能力目标和思维目标进行高度凝练的教学创新途径,可以有效解决学生学科思维单一、多专业知识深度融合困难、认知层面缺乏责任担当和实践层面行动不力的问题,构建育人效果良好的创新型教学平台。有利于加深大学生对数字创新知识的理解,培养创新能力,建立数字化创新思想,运用数字思想思考问题、解决问题的能力。

一、多课程融合的教学模式

1.课程群的基本要素

2021年12月教育部高教司司长吴岩在第十二届新华网教育论坛上指出,要全力抓好高校教育教学“新基建”,抓专业、抓课程、抓教材、抓学习技术方法、抓教师,通过做好这“五抓”来托起高等教育的高质量[4]。课程群建设恰好可以体现这“五抓”,并将这“五抓”具体落实,课程群所涵盖的专业、包括的课程、使用的教材、教学方法的实施及授课教师素质和能力的提高都在这“五抓”范围之内[5]。课程群要素的构成是目标、结构、实施和评价,课程群需要强调从专业与行业发展的整体角度去看待各个要素之间的联系,需要从系统的观点将课程群、专业与学科之间的各要素联结成一个既有区别又有联系的有机运行整体,使课程群中所有课程都要遵循相应专业和行业发展的逻辑联系,课程群对其进行组合与优化[6]。

课程群的目标为课程群建设起着纲领性指导作用,它需要与社会发展需求及行业发展趋势紧密相连,要与学科发展、毕业要求及学生发展密切关联,同时还要对课程群内课程内容的选择,课程结构的设置相关联。课程群还制约着各门课程在实施过程中的教学模式,也是评价各门课程的重要基础[7]。

基于3D打印平台课程群的建设不仅要关注到课程群内不同课程之间的目标互补性、课程内容的匹配性、各门课程间的理论环节与实践环节的均衡性,而且还要与人才培养方案中毕业指标点呈前后呼应。课程群应具有课程结构的拓扑图,在横向结构上突出年级不同,课程目标逐渐从知识目标、能力目标与思维目标之间的过渡关系,与人才培养的宽泛性相对应。课程群结构拓扑图在纵向结构上应从通识教育、专业教育和实践教育逐渐深入,突显行业领域发展及课程的实践能力,将学生能力与素养有效提升[8]。课程群的建设与发展也是一个螺旋上升且不断更新的过程。因此,课程群建设需要提炼并推行与课程性质相匹配的实施方式,使课程群不但具有显著特征还具有行业特色,对今后学生的职业生涯规划及目标定位也十分有利[9]。

2.课程的交融性

2022年6月,主题为“建设高质量高等教育体系”的2021高等教育国际年会在广州中山大学以线上线下相结合方式举行,教育部高教司司长吴岩出席论坛并作了《国际共识 中国创新》的主题报告。吴岩在报告中提出了高等教育六大变革方向,其中第三个变革方向是推动跨学科、超学科的开放与交流,本文所研究的基于3D打印平台课程群的建设与这一变革方向相一致。

基于3D打印平台课程群的建设具有系统性,将多门课程有机融合共建的课程体系。它是以人才培养目标为导向不断完善人才培养方案,使人才培养对新技术、新产业、新业态的适应度有效增强。课程群的建设以产业需求为导向,以数字信息技术和智慧高教平台为依托,不断改变和更新教学理念、课程内容设置、立体学习场景及教学情境构建的新型教学模式和管理方式来开展。课程群建设可以解决教学情境构建的碎片化问题、学生能力培养不成体系问题、学生思维训练零散化问题。课程群还可以将具有逻辑联系的若干课程,通过以训练项目为导向、案例式教学为方法,将人才培养方案中的知识、方法、问题等重新进行规划、整合,采用结构化学习与融合式思政育人模式,使学生充分认识到知识的意义与价值,提升学生工程思维,以成果共享与循环赋能为手段,实现知识活化的良性循环。课程群中课程的交叉融合不是现有课程的简单叠加,而是需要按照既定的培养目标对相关课程内容和结构进行交叉融合,或者是开发全新的课程。课程的交叉融合则需要对这些课程的教学内容进行相互渗透、整合、重组和优化,将其实质性地融合成新的课程。课程群建设要体现出课程系统的开放性、教师的团队性、教师和学生间的梯队性等特点,以学生为中心、以课程间的相互逻辑联系为纽带、以教师团队合作为支撑,使课程群成为深化教学改革的新型课程建设模式[10]。

基于3D打印平台的课程群建设,系统性是它的根本特性。课程群内的课程之间不是单摆浮搁,而是需要集合起来实现预期人才培养目标,符合学生认知学习规律的有机整体。课程群的建设有着横向和纵向两维度,它是按不同年级学生接受知识能力进行有序排列的课程设置。横向体现相同年级涉及的不同专业的知识目标,实现“多维度”选择。纵向展现出不同年级课程之间能力目标的“多层次”递进。3D打印技术恰好是课程群特性的集中体现,它具有整体性、结构性和动态性,是多个专业多门课程知识的集中体现,将其作为课程群建设教学平台可以实现教师教学自主创新能力的培养。同时它是多个专业多门课程内容的集中体现,这不仅包括熟练应用、创新设计,还需要进行多专业知识的融合。现在3D打印技术广泛应用于汽车、家电、电动工具、精密铸造等诸多行业,有些学校已将3D打印技术应用于无人机维修专业,基于专业需求让学生完成进阶式项目任务,开展专业与3D打印技术理实一体的创新教学模式。实现多专业、多课程相互交融的实践项目,将自主学习、终身学习及协作学习有效贯穿于项目任务[11]。

二、课程群建设平台

从2015年起,工业和信息化部会同其他部门先后印发了《国家增材制造产业发展推进计划(2015—2016年)》、《增材制造产业发展行动计划(2017—2020年)》、《关于有序推动工业通信业企业复工复产的指导意见(2020年)》等文件,都将增材制造作为重点支持对象。我国3D打印产业规模快速增长,技术工艺不断突破,应用领域快速拓展,3D打印产业已从起步培育进入加速推广的新阶段。基于3D打印平台的课程群建设与我国行业发展态势相一致。通过3D打印技术建设课程群平台,可以将虚拟世界与实体世界有机结合,将触觉与视觉相结合,还可以结合3D数据云平台,通过线上线下、校内校外相结合的方式调动和激发学生学习兴趣。在疫情常态化状态下,高质量地完成教学实践环节。3D打印与教学相融合,其目的不仅在于实物模型的设计打印其重点是把创新设计自然地融入教育教学体系,培养学生的科学探究思维。3D打印平台可以融入创客教育,学生通过3D打印平台与物联网、大数据、云技术这些开源平台直接相连,实现设计成果远程打印、共享、云端存储,实现自身需求画像与个性化需求精准定位[12]。

基于3D打印的课程群建设平台是以“项目引导,任务驱动”的模式进行开展的,课程群平台模式如图1所示。平台的项目是课程群团队教师经过市场和行业调研提炼出的问题,适合学生做项目;以及依据相关企业对岗位需求分解后,依据学生不同年级设置不同的任务,“项目引导,任务驱动”这二者紧密相联不可分割。课程群内课程体系的重构、内容重组、创新资源环境及实践教学中心的建设,都不能因人设课,这样可以有效解决课程群建设过程中跨学科、超学科的知识研究与实际应用难落实等问题。需要将教师团队责任化、具体化、模块化,教师团队聚焦于产业发展新要求,这样才能使布置给学生的项目,与学生发展需求、企业需求相一致,让学生体验到社会责任感与使命感,使学生在此其间能够感受到知识延伸、能力提升,使共情、建构及践行的课程思政自然相融。

以3D打印为平台的课程群多为专业融合教学模式,可以在教学过程中围绕一个完整的、实际的任务展开,避免了知识运用的碎片化;可以将课前、课中及课后有效连贯形成一个整体,实现学生能力不断迭代进阶过程;教师在学生完成任务过程中形成符合实际要求的评价,使学生在实践过程中不断反思实现了自身综合能力的提高;在教与学的过程中学生可以体会到课堂不曾出现过的阶段成果和最终实践成果的成就感。在完成项目环节中培养学生学科思维、将学科价值与追求融入解决问题的实践过程中。

三、课程群实践教学

基于3D打印平台课程群的建设,需要以项目化实践平台为依托体现教与学的完全融合。以项目为导向的实践教学平台,可以使学生的思考、动手与创新成为密不可分的整体。教师在此过程中对教学内容的设计应遵循由浅入深的原则,布置给学生的任务应采取逐层递进的方式,将项目任务分布从单一到综合再到创新设计。项目的提练以市场与行业的需求为切入口,并且按照行业生产的要求与标准,作为学生和教师共同完成的目标。

1.实践教学模式

随着3D打印技术迅速发展,如今设计机构、生产企业及高校都在将3D打印应用于开发、迭代设计、零部件定制和学生创新实践能力的培养中。深度融合信息技术的3D打印平台可以将课程群结构中课程与实践环节之间形成彼此联系相互依赖的实践教学模式,如图2所示。将大学四年分为三个阶段,初始阶段主要是针对本专业基础知识和完成任务项目时必需的认知学习,让学生有感性认识。过程环节主要完成相关项目任务的课程设计,培养学生运用知识和思考问题的基本能力,同时将学生完成的项目任务依据难易程度和创新程度参与到“互联网+”、科技竞赛及创客平台上,在此过程中实现学生综合能力的提高。基于3D打印平台的教学模式可以创构联系学科前沿、实际产业的学习资源机制和环境,使学生在平台中能够实现合作、研讨、分享和质疑的探究学习环境,搭建成为泛在、互动、全天候的学习平台。

3D打印被誉为最佳创新工具,3D打印与教育相结合可以成为培养学生创新思维和创造能力的重要教育手段及方法。3D打印技术是教育信息化的组成部分,运用3D打印构建创新实践平台,可以成为探索人工智能技术与教育实践环节的融合应用[13]。

基于3D打印平台的教学模式可以使学生在设计作品方面,最大程度地降低学校实践环节费用、研发和缩短生产周期,是不占空间的便携制造。学生制造结构复杂模型,增加学生创新设计兴趣,提高创新设计能力。因此,基于3D打印平台课程群的建设可以重构实践教学体系,它是信息技术高效融入的一种优质教育资源和新的教育信息化形式,形成多学科交叉、多专业融合、多层次递进的创新型教学模式。英国著名教师戴夫怀特曾说:“如果你能抓住学生的想象力,你就能抓住他们的注意力!”3D打印可以帮助教师将抽象的、结构性的知识有效地转化为直观形象的实物模型,开拓学生思维,培养学生创新能力,激发学生的潜力和兴趣[14]。

2.创新能力培养

对学生创新能力的培养不是一个线性的过程,它是一个螺旋上升不断前进的过程,需要长时间的能力积淀。3D打印自身就是多学科交叉融合的产物,在实践教学环节应用3D打印技术,可以有效提高学生对行业发展、企业需求的意识,有利于学生自主学习能力和探究精神的培养。教师依据不同年级学生将项目任务分解发布给学生,可以促使多个专业的学生在设计、加工、制造及完善过程中交流、互助、协作。3D打印可以将抽象的知识实物化,激发学生对科学、技术、艺术、工程和数学等跨学科、交叉专业知识学习的兴趣,按照发现问题、分析问题、解决问题的思路进行项目任务的设计,将学生知识能力、实践能力及思维能力在完成项目任务的过程中得到提升和迁移。让学生能感受到自身的进步,获得成就感,这可以使他们有热情投入到设计中并通过实物促使反思。3D打印技术平台以课程群内的课程知识为基础,充分培养学生创新创造能力,同时还融合美术、劳技、艺术、数学、物理、计算机及人文等学科,从艺术素养、软件应用及学科知识等方面对学生进行全面的素质培养。3D打印技术平台可以使学生的领导力、创新设计能力、解决实际问题能力、跨学科知识学习能力、个人探究、与人合作能力、表达和有效沟通的能力都得到全面提升。

随着3D打印受到专家学者的关注度逐渐提高,将为教学和研究领域带来创新。3D打印技术可以快速地将模型转换成物理实物模型,这样可以方便检验学生的设计思想和产品结构的合理性、可装配性和美观性,发现设计中的问题及时修改。利用3D打印技术制作的模型可以扩展学习者的感觉和知觉,增强触觉体验弥补常态课堂直接经验不足的劣势;可以将隐性知识和认知结构显性化,使学习资料由抽象化转变为具体化,具体化转变为形象化,视觉复杂化转变成认知简单化,这种变化过程可以真正打破课程群中多专业多课程相互融合的边界壁垒,建立实践教学平台,创新人才培养模式,提高整体教学质量。

四、亟须解决的问题

师资力量的不足是制约以3D打印为平台课程群建设发展的重要因素。3D打印融合了机械、物理、材料、电学、信息等多专业多课程的知识,是多学科知识与技术的交叉融合,教师在实际教学设计、操作过程与解决问题中存在一定的困难。3D打印平台需要对师资队伍进行建设,改善教学模式,完善考核激励,提升师资队伍能力。3D打印平台需要“产、学、研”贯通的师资队伍,即课程群的教师能紧跟市场行业发展还需了解科技前沿,打造一支能站得了讲台、搞得了科研、掌握行业前沿的优秀教师团队。通过3D打印辅助课堂教学与科学研究,建立高效的跨学科、跨专业的课程群平台,培养学生创新精神,将工匠精神与社会使命感及责任感融入课堂内外。

五、结语

通过对3D打印平台课程群建设的研究,从课程群建设目标、课程群内课程的内容与设置、平台实践教学环境及学生水平和心理需求等方面进行变革与创新。学生可以通过平台体验、创构、协作及创新思维与能力的不断迭代,有效激发学习兴趣。基于3D打印平台的课程群模式建设,可以加速学生学习方式的改变,促进学生在知识迁移能力、解决复杂工程问题能力和工程思维品质方面得到提高。基于3D打印平台课程群建设可以有效促进育人环境,在教与学的过程中做到情境交融,让学生体会与感悟到学习环境与资源的融合。通过3D打印平台课程群建设,教师可以实现“学、做、考”的一体化考核评价体系,将在教学中需要实现的知识目标、能力目标及思维目标三者相融合,创新教学评价模式。3D打印平台课程群建设可以将课程群目标、课程目标、主要学习环节与成果及评价体系等多个方面建构为一个网络,彼此之间相互联系、相系制约,有效提高学生创新意识和能力、促进学生知识结构不断优化、使灵活运用知识的能力稳步提升,面对问题时学生具有挑战精神可以对问题进行思考、实践、再设计、再实践,进而达到“从学中做,在做中学”,为教育教学改革作出有益贡献。