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關鍵詞：CDIO 3D創(chuàng)意設計 課程開發(fā)

一、3D打印技術的教學價值

2014年的地平線報告中公布了六項技術將對教育產(chǎn)生影響，其中中期影響（2-3年）中提到了3DPrinting（三維打印技術）。2015年的地平線報告則提到，2-3年的技術新寵是3D打印進課堂。文中提到：“幾年以后的課堂上，那些晦澀難懂的數(shù)學模型也許會變成你手里的玩具，這得依靠3D打印技術?！?/span>

3D，是英文“3 Dimensions”的簡稱，主要特指基于電腦、互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字化3D/三維/立體技術；而3D或者說三維數(shù)字化技術，是基于電腦/網(wǎng)絡/數(shù)字化平臺的現(xiàn)代工具性基礎共用技術。3D設計是新一代數(shù)字化、虛擬化、智能化設計平臺的基礎。它是建立在平面和二維設計的基礎上，讓設計目標更立體化、更形象化的一種新興設計方法。3D設計是培育創(chuàng)新型人才的重要手段，在當前制作業(yè)全球化協(xié)作分工的大背景下，我國企業(yè)廣泛、深入應用3D設計技術、院校加大3D創(chuàng)新設計方面的教育，已是大勢所趨。

對于教學和學習的價值，3D打印是探索科學和藝術的入口。3D打印技術是一種快速成型技術，在教育領域的一個主要應用就是使學生能夠更加真實地接觸教學中那些難以展現(xiàn)的物體或者概念。

 3D打印將虛擬世界和實體世界聯(lián)系得更加緊密，學生所繪制的3D模型能夠通過3D打印機實現(xiàn)。學生可以創(chuàng)造一切實物，在體驗中實驗，而不是面對一堆遙遠又抽象的公式。這意味著我們看待問題、思考問題和解決問題路徑將有所不同。

正是看到了這些信息，我們高度關注3D打印技術在中學課堂中的地位。如何利用3D打印技術，如何讓學生接觸到3D打印技術是我們首先關注的問題。為此，我校嘗試在初二年級的指定選修課程中設置了3D創(chuàng)意設計課程，以適應這樣的大環(huán)境，同時也使我們的信息技術課程更具有特色與時代性。

二、3D創(chuàng)意設計課程設立的初衷

3D打印并不是買回來打印機就能夠使用的，學生沒有基礎，老師沒有經(jīng)驗，這樣的實驗是注定失敗的。為了使3D打印技術能夠盡早地發(fā)揮其在我校信息技術課堂的作用，我們經(jīng)過研究，決定先行在初二的指定選修課程模塊中設立3D實體設計課程。讓我們的學生開始接觸3D實體設計，讓我們的學生了解3D實體，讓學生的創(chuàng)意得到發(fā)現(xiàn)與發(fā)揮。只有在這樣的基礎上，我們才能更好地應用3D打印技術。

為了更好的開展3D創(chuàng)意設計課程，在課程準備階段，我們聯(lián)系3D打印機制造企業(yè)、3D設計軟件公司，購買紙質的3D設計教材，收集網(wǎng)絡共享的3D設計教材等等。然而我們發(fā)現(xiàn)，紙質的教材和網(wǎng)上的教材都只是偏重于某款3D設計軟件的教學，一個一個功能地教，與我們學校現(xiàn)在所推行的基于項目的學習模式差距較大，而且軟件教學類的課程不太適合我校初二學生使用。為此，我們在我校已經(jīng)在推行的基于項目的學習模式的基礎上，結合學生學習與生活的實際，決定開發(fā)校本3D創(chuàng)意設計課程。

根據(jù)我校多年推行基于項目的學習模式的經(jīng)驗，我們發(fā)現(xiàn)學生平時所學的知識，基本上以課本知識為主，理論性較強，實際應用機會不多?；蛘哒f，在傳統(tǒng)的信息技術課上，學生接受的大多為軟件操作技巧訓練，甚至只是局部的操作流程學習，實際實用意義幾乎沒有?？芍^學無所得、學無所用。我們大膽地根據(jù)六年的實踐，把傳統(tǒng)的軟件學習課堂改革為基于項目的學習模式，使學生的學習過程接近實際生活。以前我們把教學內容看成項目來完成，而3D創(chuàng)意設計的內容更為貼近企業(yè)生產(chǎn)管理模式，學生的作品更可以向工程靠近。因此，我們把大學工程學最新的CDIO工程教育理念引進到中學3D項目學習之中來。

三、3D創(chuàng)意設計課程實施的核心－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，麻省理工學院和瑞典皇家工學院等四所大學組成的跨國研究團隊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代表構思（Conceive）、設計（Design）、實現(xiàn)（Implement）和運作（Operate） ，它以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運行的生命周期為載體，讓學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯(lián)系的方式學習工程。CDIO培養(yǎng)大綱將工程畢業(yè)生的能力分為工程基礎知識、個人能力、人際團隊能力和工程系統(tǒng)能力四個層面，大綱要求以綜合的培養(yǎng)方式使學生在這四個層面達到預定目標。[1]

3D創(chuàng)意設計必須落實到實際的產(chǎn)品設計之上，才能真正的體現(xiàn)出設計的價值所在，學生在未來的工作實踐中也可能或多或少接觸到這些產(chǎn)品的研發(fā)。我們嘗試在中學階段讓學生初步了解這些產(chǎn)品研發(fā)的流程，使學生能夠感覺到學有所用，同時也能激發(fā)學生的內存學習動力，不至于只是枯燥地面對著無聊的鼠標點擊操作。

3D創(chuàng)意設計課程，本身就屬于跨學科的教學內容，它涉及到科學、技術、工程、美術、數(shù)學等多個領域的知識背景；同時在整個設計過程中，團隊的力量是不容忽視的；對于產(chǎn)品設計的系統(tǒng)建構也是有著非常高的要求。這些恰恰就是CDIO的核心理念，而CDIO也為我們的教學改革指出了一條導向性非常強的路徑。[2]

我們在進行構思（C）-設計（D）-實現(xiàn)（I）-運作（O）的流程時，這些流程并不是孤立的，而是在特定的背景下。很多情況下，都是由于社會發(fā)展和項目風險評估時引出的調查與方案規(guī)劃，而項目的發(fā)展過程重點是看該項目是如何組織的。一個典型的工程實施流程如圖1所示。

圖1 典型的工程實施流程[3]

對應著CDIO的各個階段，從表1可以看到各個階段（不完全包含相同的概念）所對應的關系如表1所示。

表1  比較CDIO與工程實施流程[3]

從21世紀對創(chuàng)新型人才的需求來看，加強學生的能力與素質培訓，將是21世紀人才觀的主要變化。即從以前的個體單角度審視轉變?yōu)閭€體、團體、組織和社會多角度、全方位審視的特點出發(fā)。借助于CDIO教育理念（圖2），并在其學科培養(yǎng)目標能力與學科核心素養(yǎng)思想指導下，我們結合我校的學生培養(yǎng)特點，構建相應的培養(yǎng)體系，并在這個基礎上進行了大膽的改革與實踐。

圖2 CDIO能力結構[4]

四、課程開發(fā)與實施

本課程通過制造業(yè)中的產(chǎn)品制造流程，使學生可以更多地了解實際企業(yè)生產(chǎn)的過程，并且參與到這個過程體驗之中。從接到客戶訂單開始向學生介紹項目要求與實施的時間控制要求。然后利用制造業(yè)資源管理的知識，向學生介紹項目時間管理的基本原則，以及產(chǎn)品設計在項目流程中的地位與方案。這些都是我們的學生在通識課中通過基于項目的學習模式學到的相關的項目管理知識。而在3D創(chuàng)意設計課程之中，我們把這些項目管理知識直接應用到了企業(yè)制造管理之中，使學生感受到，他們所學習的項目管理知識并不只是空談，而是企業(yè)中的直接應用。

對應著CDIO工程教育理念，以企業(yè)接到產(chǎn)品訂單為例，我們對課程內容進行了設計。具體設計如表2所示。

表2  基于CDIO工程教育理念的3D創(chuàng)意設計課程設計

1. 構思（Conceive）

在實際教學過程中，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，這就是3D創(chuàng)意設計項目的目標。在課程設計上，學生需要根據(jù)目標，確認產(chǎn)品的需求、功能、技術限制、市場定位以及企業(yè)承諾與誠信這幾個方面的內容。這是3D創(chuàng)意設計中最為關鍵的地方，只有先考慮好這些問題，才能使學生的創(chuàng)意設計具有現(xiàn)實價值與實際應用價值。

在這部分內容之中，我們重點在于對產(chǎn)品進行初步的分析，特別是需求分析、功能分析與市場定位。因為這是直接影響到3D創(chuàng)意設計的重要因素，而企業(yè)承諾與誠信則是時間管理所必須要考慮的問題，同時也是教學時間安排的重要依據(jù)。

在這個過程中，老師向學生提供一些設計的方向、案例，讓學生可以有一定的指向性；或者引導學生往創(chuàng)新、創(chuàng)意的方向思考。學生則需要在團隊配合下完成需求分析、問卷調查、數(shù)據(jù)收集等活動。

2. 設計（Design）

有了基本的需求定位之后，學生需要根據(jù)需求進行第一步的設計。在這個部分，我們著重要求學生用問題回答的形式來確定自己的產(chǎn)品方向，包括了外觀、尺寸、功能等具體的參數(shù)確認。這些參數(shù)的確認，決定了3D設計作品的基本輪廓與實際的大小。在這個過程中，學生需要團隊合作確認參數(shù)，商討出產(chǎn)品的外觀與形狀。

確認了以上數(shù)據(jù)之后，學生開始進行第二步的設計。在這個部分，學生需要把自己的創(chuàng)意想法用繪畫草圖的方式，把產(chǎn)品的設計草圖繪畫出來，同時標出對應的具體數(shù)據(jù)，以便于深入討論及老師確認與驗收方案。在這個過程中，師生需要共同去研究關于設計草圖的科學性與合理性。草圖方案包含的不僅僅是一個學科的知識，而是多個學科領域的知識，例如物理、數(shù)學、美術、技術等學科領域的結合體，因此團隊合作的重要性特別突出。同時這個草圖也是3D創(chuàng)意設計的參考藍本，學生要學會嚴格按照設計圖紙進行3D設計。

有了設計草圖以后，老師需要引導學生將草圖進行系統(tǒng)分析與解構，把一個復雜的草圖分解成為一個個簡單的、容易實現(xiàn)的結構元件。也就是同學們常見的規(guī)則幾何圖形或者是幾何圖形的變形。把這些結構元件進行分類之后，分配到每一個小組成員手中，作為他們準備完成的工程項目的子項目。

在這個過程中，老師需要向學生介紹3D實體設計軟件中的常用元件、元件變形、結構拼接等知識作為系統(tǒng)解構的準備知識，使學生的解構能夠做到有的放矢，不至于失去了方向。同時也使學生的合作分工有了可靠的依據(jù)，可以根據(jù)小組成員在學習過程的表現(xiàn)與特長進行分工，實現(xiàn)每一個同學都在從事著有意義的工作。只要有一個成員的工作沒有完成，就意味著全組的工作完成不了，而時間的管理給了他們無法包辦的壓力。

3.實現(xiàn)（Implement）

當完成了草圖設計與系統(tǒng)解構之后，各小組成員就可以通過3D實體設計軟件對自己所分配的結構元件進行設計與制作，并且在項目時間表規(guī)定的時間內完成元件制作。

完成元件制作之后，小組需要把各元件進行系統(tǒng)整合，并且進行測試，在測試過程中發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的漏洞與缺陷，找出改進的辦法與措施，最終完成整個產(chǎn)品的制作，交給老師進行驗收并進行。

在這個過程中，老師一方面需要給學生提供3D實體設計軟件的相關教學資源，我們一般會提供操作視頻給學生反復觀看，了解這些工具的使用操作步驟。另一方面，老師也經(jīng)常會參與到同學們的系統(tǒng)整合與測試過程中，提出自己的一些想法與建議給學生參考。

4.運作（Operate）

在老師完成驗收之后，我們會安排小組成員進行產(chǎn)品孵化模擬路演?！爱a(chǎn)品孵化”是一個將產(chǎn)品由概念轉化為商品的過程，是一個對產(chǎn)品的綜合開發(fā)過程；而“路演”（Roadshow）是指在公共場所進行演說、演示產(chǎn)品、推介理念，及向他人推廣自己的產(chǎn)品的一種方式。讓學生體現(xiàn)一下創(chuàng)新產(chǎn)品的孵化過程，同時也讓更多的同學來對產(chǎn)品進行評價與提出意見。小組產(chǎn)品展示完之后中，給予他們一定的時間對產(chǎn)品進行優(yōu)化與改進，使產(chǎn)品可以精益求精。

在這個過程中，學生主要經(jīng)歷產(chǎn)品孵化的過程，同時了解產(chǎn)品推向社會的過程，使學生可以得到更多實用的知識。

五、總結語

CDIO的愿景是為學生提供一種強調工程基礎的、建立在真實世界的產(chǎn)品和系統(tǒng)的構思（C）-設計（D）-實現(xiàn)（I）-運行（O）過程的背景環(huán)境基礎上的工程教育。在這樣的愿景之下，我們通過3D創(chuàng)意設計課程，希望可以培養(yǎng)有專業(yè)技能、有社會意識和有企業(yè)家敏銳性的學生。這是在越來越依賴于復雜技術系統(tǒng)的環(huán)境中保持高效、創(chuàng)新和卓越所必需的。希望可以把學生培養(yǎng)成為能夠熟練掌握技術基礎知識、領導新產(chǎn)品和新系統(tǒng)的開發(fā)和運行、了解技術的研究和發(fā)展對社會的重要性和戰(zhàn)略影響的人。這也就是我們設立3D創(chuàng)意設計課程的初衷。

參考文獻

[1]. CDIO.(2010). The CDIO Standards v 2.0 (with customized rubrics)。 http://www.cdio.org/files/document/file/CDIOStdsRubricsv2.0_2010Dec8.doc

[2]. Charles McCartan, Paul Hermon, Fredrik Georgsson：《A Preliminary Case Study for Collaborative Quality Enhancement》。Proceedings of the 12th International CDIO Conference, June 12-16, 2016

[3]. Martin Nilsson, Catrin Edelbro, Kristina Edstr?m. ：《ADAPTING CDIO TO CIVIL ENGINEERING: INVESTIGATE – PLAN – DESIGN – CONSTRUCT – OPERATE AND MAINTAIN》。 Proceedings of the 12th International CDIO Conference, June 12-16, 2016

[4]. 陳春林，朱張青：《基于CDIO教育理念的工程學科教育改革與實踐》，《研究生教育研究》 2010年第1期。