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關(guān)鍵詞：CDIO 3D創(chuàng)意設(shè)計(jì) 課程開發(fā)

一、3D打印技術(shù)的教學(xué)價(jià)值

2014年的地平線報(bào)告中公布了六項(xiàng)技術(shù)將對(duì)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(shù)）。2015年的地平線報(bào)告則提到，2-3年的技術(shù)新寵是3D打印進(jìn)課堂。文中提到：“幾年以后的課堂上，那些晦澀難懂的數(shù)學(xué)模型也許會(huì)變成你手里的玩具，這得依靠3D打印技術(shù)?！?/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(shù)；而3D或者說三維數(shù)字化技術(shù)，是基于電腦/網(wǎng)絡(luò)/數(shù)字化平臺(tái)的現(xiàn)代工具性基礎(chǔ)共用技術(shù)。3D設(shè)計(jì)是新一代數(shù)字化、虛擬化、智能化設(shè)計(jì)平臺(tái)的基礎(chǔ)。它是建立在平面和二維設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，讓設(shè)計(jì)目標(biāo)更立體化、更形象化的一種新興設(shè)計(jì)方法。3D設(shè)計(jì)是培育創(chuàng)新型人才的重要手段，在當(dāng)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(yīng)用3D設(shè)計(jì)技術(shù)、院校加大3D創(chuàng)新設(shè)計(jì)方面的教育，已是大勢所趨。

對(duì)于教學(xué)和學(xué)習(xí)的價(jià)值，3D打印是探索科學(xué)和藝術(shù)的入口。3D打印技術(shù)是一種快速成型技術(shù)，在教育領(lǐng)域的一個(gè)主要應(yīng)用就是使學(xué)生能夠更加真實(shí)地接觸教學(xué)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(shí)體世界聯(lián)系得更加緊密，學(xué)生所繪制的3D模型能夠通過3D打印機(jī)實(shí)現(xiàn)。學(xué)生可以創(chuàng)造一切實(shí)物，在體驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)，而不是面對(duì)一堆遙遠(yuǎn)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(guān)注3D打印技術(shù)在中學(xué)課堂中的地位。如何利用3D打印技術(shù)，如何讓學(xué)生接觸到3D打印技術(shù)是我們首先關(guān)注的問題。為此，我校嘗試在初二年級(jí)的指定選修課程中設(shè)置了3D創(chuàng)意設(shè)計(jì)課程，以適應(yīng)這樣的大環(huán)境，同時(shí)也使我們的信息技術(shù)課程更具有特色與時(shí)代性。

二、3D創(chuàng)意設(shè)計(jì)課程設(shè)立的初衷

3D打印并不是買回來打印機(jī)就能夠使用的，學(xué)生沒有基礎(chǔ)，老師沒有經(jīng)驗(yàn)，這樣的實(shí)驗(yàn)是注定失敗的。為了使3D打印技術(shù)能夠盡早地發(fā)揮其在我校信息技術(shù)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(shè)立3D實(shí)體設(shè)計(jì)課程。讓我們的學(xué)生開始接觸3D實(shí)體設(shè)計(jì)，讓我們的學(xué)生了解3D實(shí)體，讓學(xué)生的創(chuàng)意得到發(fā)現(xiàn)與發(fā)揮。只有在這樣的基礎(chǔ)上，我們才能更好地應(yīng)用3D打印技術(shù)。

為了更好的開展3D創(chuàng)意設(shè)計(jì)課程，在課程準(zhǔn)備階段，我們聯(lián)系3D打印機(jī)制造企業(yè)、3D設(shè)計(jì)軟件公司，購買紙質(zhì)的3D設(shè)計(jì)教材，收集網(wǎng)絡(luò)共享的3D設(shè)計(jì)教材等等。然而我們發(fā)現(xiàn)，紙質(zhì)的教材和網(wǎng)上的教材都只是偏重于某款3D設(shè)計(jì)軟件的教學(xué)，一個(gè)一個(gè)功能地教，與我們學(xué)校現(xiàn)在所推行的基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)模式差距較大，而且軟件教學(xué)類的課程不太適合我校初二學(xué)生使用。為此，我們?cè)谖倚Ｒ呀?jīng)在推行的基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)模式的基礎(chǔ)上，結(jié)合學(xué)生學(xué)習(xí)與生活的實(shí)際，決定開發(fā)校本3D創(chuàng)意設(shè)計(jì)課程。

根據(jù)我校多年推行基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)模式的經(jīng)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)學(xué)生平時(shí)所學(xué)的知識(shí)，基本上以課本知識(shí)為主，理論性較強(qiáng)，實(shí)際應(yīng)用機(jī)會(huì)不多?；蛘哒f，在傳統(tǒng)的信息技術(shù)課上，學(xué)生接受的大多為軟件操作技巧訓(xùn)練，甚至只是局部的操作流程學(xué)習(xí)，實(shí)際實(shí)用意義幾乎沒有?？芍^學(xué)無所得、學(xué)無所用。我們大膽地根據(jù)六年的實(shí)踐，把傳統(tǒng)的軟件學(xué)習(xí)課堂改革為基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)模式，使學(xué)生的學(xué)習(xí)過程接近實(shí)際生活。以前我們把教學(xué)內(nèi)容看成項(xiàng)目來完成，而3D創(chuàng)意設(shè)計(jì)的內(nèi)容更為貼近企業(yè)生產(chǎn)管理模式，學(xué)生的作品更可以向工程靠近。因此，我們把大學(xué)工程學(xué)最新的CDIO工程教育理念引進(jìn)到中學(xué)3D項(xiàng)目學(xué)習(xí)之中來。

三、3D創(chuàng)意設(shè)計(jì)課程實(shí)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(xué)院和瑞典皇家工學(xué)院等四所大學(xué)組成的跨國研究團(tuán)隊(duì)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(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)現(xiàn)（Implement）和運(yùn)作（Operate） ，它以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運(yùn)行的生命周期為載體，讓學(xué)生以主動(dòng)的、實(shí)踐的、課程之間有機(jī)聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)工程。CDIO培養(yǎng)大綱將工程畢業(yè)生的能力分為工程基礎(chǔ)知識(shí)、個(gè)人能力、人際團(tuán)隊(duì)能力和工程系統(tǒng)能力四個(gè)層面，大綱要求以綜合的培養(yǎng)方式使學(xué)生在這四個(gè)層面達(dá)到預(yù)定目標(biāo)。[1]

3D創(chuàng)意設(shè)計(jì)必須落實(shí)到實(shí)際的產(chǎn)品設(shè)計(jì)之上，才能真正的體現(xiàn)出設(shè)計(jì)的價(jià)值所在，學(xué)生在未來的工作實(shí)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(xué)階段讓學(xué)生初步了解這些產(chǎn)品研發(fā)的流程，使學(xué)生能夠感覺到學(xué)有所用，同時(shí)也能激發(fā)學(xué)生的內(nèi)存學(xué)習(xí)動(dòng)力，不至于只是枯燥地面對(duì)著無聊的鼠標(biāo)點(diǎn)擊操作。

3D創(chuàng)意設(shè)計(jì)課程，本身就屬于跨學(xué)科的教學(xué)內(nèi)容，它涉及到科學(xué)、技術(shù)、工程、美術(shù)、數(shù)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域的知識(shí)背景；同時(shí)在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，團(tuán)隊(duì)的力量是不容忽視的；對(duì)于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的系統(tǒng)建構(gòu)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(xué)改革指出了一條導(dǎo)向性非常強(qiáng)的路徑。[2]

我們?cè)谶M(jìn)行構(gòu)思（C）-設(shè)計(jì)（D）-實(shí)現(xiàn)（I）-運(yùn)作（O）的流程時(shí)，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(huì)發(fā)展和項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)引出的調(diào)查與方案規(guī)劃，而項(xiàng)目的發(fā)展過程重點(diǎn)是看該項(xiàng)目是如何組織的。一個(gè)典型的工程實(shí)施流程如圖1所示。

圖1 典型的工程實(shí)施流程[3]

對(duì)應(yīng)著CDIO的各個(gè)階段，從表1可以看到各個(gè)階段（不完全包含相同的概念）所對(duì)應(yīng)的關(guān)系如表1所示。

表1  比較CDIO與工程實(shí)施流程[3]

從21世紀(jì)對(duì)創(chuàng)新型人才的需求來看，加強(qiáng)學(xué)生的能力與素質(zhì)培訓(xùn)，將是21世紀(jì)人才觀的主要變化。即從以前的個(gè)體單角度審視轉(zhuǎn)變?yōu)閭€(gè)體、團(tuán)體、組織和社會(huì)多角度、全方位審視的特點(diǎn)出發(fā)。借助于CDIO教育理念（圖2），并在其學(xué)科培養(yǎng)目標(biāo)能力與學(xué)科核心素養(yǎng)思想指導(dǎo)下，我們結(jié)合我校的學(xué)生培養(yǎng)特點(diǎn)，構(gòu)建相應(yīng)的培養(yǎng)體系，并在這個(gè)基礎(chǔ)上進(jìn)行了大膽的改革與實(shí)踐。

圖2 CDIO能力結(jié)構(gòu)[4]

四、課程開發(fā)與實(shí)施

本課程通過制造業(yè)中的產(chǎn)品制造流程，使學(xué)生可以更多地了解實(shí)際企業(yè)生產(chǎn)的過程，并且參與到這個(gè)過程體驗(yàn)之中。從接到客戶訂單開始向?qū)W生介紹項(xiàng)目要求與實(shí)施的時(shí)間控制要求。然后利用制造業(yè)資源管理的知識(shí)，向?qū)W生介紹項(xiàng)目時(shí)間管理的基本原則，以及產(chǎn)品設(shè)計(jì)在項(xiàng)目流程中的地位與方案。這些都是我們的學(xué)生在通識(shí)課中通過基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)模式學(xué)到的相關(guān)的項(xiàng)目管理知識(shí)。而在3D創(chuàng)意設(shè)計(jì)課程之中，我們把這些項(xiàng)目管理知識(shí)直接應(yīng)用到了企業(yè)制造管理之中，使學(xué)生感受到，他們所學(xué)習(xí)的項(xiàng)目管理知識(shí)并不只是空談，而是企業(yè)中的直接應(yīng)用。

對(duì)應(yīng)著CDIO工程教育理念，以企業(yè)接到產(chǎn)品訂單為例，我們對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行了設(shè)計(jì)。具體設(shè)計(jì)如表2所示。

表2  基于CDIO工程教育理念的3D創(chuàng)意設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)

1. 構(gòu)思（Conceive）

在實(shí)際教學(xué)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(shè)計(jì)項(xiàng)目的目標(biāo)。在課程設(shè)計(jì)上，學(xué)生需要根據(jù)目標(biāo)，確認(rèn)產(chǎn)品的需求、功能、技術(shù)限制、市場定位以及企業(yè)承諾與誠信這幾個(gè)方面的內(nèi)容。這是3D創(chuàng)意設(shè)計(jì)中最為關(guān)鍵的地方，只有先考慮好這些問題，才能使學(xué)生的創(chuàng)意設(shè)計(jì)具有現(xiàn)實(shí)價(jià)值與實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

在這部分內(nèi)容之中，我們重點(diǎn)在于對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行初步的分析，特別是需求分析、功能分析與市場定位。因?yàn)檫@是直接影響到3D創(chuàng)意設(shè)計(jì)的重要因素，而企業(yè)承諾與誠信則是時(shí)間管理所必須要考慮的問題，同時(shí)也是教學(xué)時(shí)間安排的重要依據(jù)。

在這個(gè)過程中，老師向?qū)W生提供一些設(shè)計(jì)的方向、案例，讓學(xué)生可以有一定的指向性；或者引導(dǎo)學(xué)生往創(chuàng)新、創(chuàng)意的方向思考。學(xué)生則需要在團(tuán)隊(duì)配合下完成需求分析、問卷調(diào)查、數(shù)據(jù)收集等活動(dòng)。

2. 設(shè)計(jì)（Design）

有了基本的需求定位之后，學(xué)生需要根據(jù)需求進(jìn)行第一步的設(shè)計(jì)。在這個(gè)部分，我們著重要求學(xué)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(rèn)。這些參數(shù)的確認(rèn)，決定了3D設(shè)計(jì)作品的基本輪廓與實(shí)際的大小。在這個(gè)過程中，學(xué)生需要團(tuán)隊(duì)合作確認(rèn)參數(shù)，商討出產(chǎn)品的外觀與形狀。

確認(rèn)了以上數(shù)據(jù)之后，學(xué)生開始進(jìn)行第二步的設(shè)計(jì)。在這個(gè)部分，學(xué)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(shè)計(jì)草圖繪畫出來，同時(shí)標(biāo)出對(duì)應(yīng)的具體數(shù)據(jù)，以便于深入討論及老師確認(rèn)與驗(yàn)收方案。在這個(gè)過程中，師生需要共同去研究關(guān)于設(shè)計(jì)草圖的科學(xué)性與合理性。草圖方案包含的不僅僅是一個(gè)學(xué)科的知識(shí)，而是多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的知識(shí)，例如物理、數(shù)學(xué)、美術(shù)、技術(shù)等學(xué)科領(lǐng)域的結(jié)合體，因此團(tuán)隊(duì)合作的重要性特別突出。同時(shí)這個(gè)草圖也是3D創(chuàng)意設(shè)計(jì)的參考藍(lán)本，學(xué)生要學(xué)會(huì)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行3D設(shè)計(jì)。

有了設(shè)計(jì)草圖以后，老師需要引導(dǎo)學(xué)生將草圖進(jìn)行系統(tǒng)分析與解構(gòu)，把一個(gè)復(fù)雜的草圖分解成為一個(gè)個(gè)簡單的、容易實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)元件。也就是同學(xué)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(jié)構(gòu)元件進(jìn)行分類之后，分配到每一個(gè)小組成員手中，作為他們準(zhǔn)備完成的工程項(xiàng)目的子項(xiàng)目。

在這個(gè)過程中，老師需要向?qū)W生介紹3D實(shí)體設(shè)計(jì)軟件中的常用元件、元件變形、結(jié)構(gòu)拼接等知識(shí)作為系統(tǒng)解構(gòu)的準(zhǔn)備知識(shí)，使學(xué)生的解構(gòu)能夠做到有的放矢，不至于失去了方向。同時(shí)也使學(xué)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(xué)習(xí)過程的表現(xiàn)與特長進(jìn)行分工，實(shí)現(xiàn)每一個(gè)同學(xué)都在從事著有意義的工作。只要有一個(gè)成員的工作沒有完成，就意味著全組的工作完成不了，而時(shí)間的管理給了他們無法包辦的壓力。

3.實(shí)現(xiàn)（Implement）

當(dāng)完成了草圖設(shè)計(jì)與系統(tǒng)解構(gòu)之后，各小組成員就可以通過3D實(shí)體設(shè)計(jì)軟件對(duì)自己所分配的結(jié)構(gòu)元件進(jìn)行設(shè)計(jì)與制作，并且在項(xiàng)目時(shí)間表規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成元件制作。

完成元件制作之后，小組需要把各元件進(jìn)行系統(tǒng)整合，并且進(jìn)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(jìn)的辦法與措施，最終完成整個(gè)產(chǎn)品的制作，交給老師進(jìn)行驗(yàn)收并進(jìn)行。

在這個(gè)過程中，老師一方面需要給學(xué)生提供3D實(shí)體設(shè)計(jì)軟件的相關(guān)教學(xué)資源，我們一般會(huì)提供操作視頻給學(xué)生反復(fù)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(huì)參與到同學(xué)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(xué)生參考。

4.運(yùn)作（Operate）

在老師完成驗(yàn)收之后，我們會(huì)安排小組成員進(jìn)行產(chǎn)品孵化模擬路演?！爱a(chǎn)品孵化”是一個(gè)將產(chǎn)品由概念轉(zhuǎn)化為商品的過程，是一個(gè)對(duì)產(chǎn)品的綜合開發(fā)過程；而“路演”（Roadshow）是指在公共場所進(jìn)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(xué)生體現(xiàn)一下創(chuàng)新產(chǎn)品的孵化過程，同時(shí)也讓更多的同學(xué)來對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行評(píng)價(jià)與提出意見。小組產(chǎn)品展示完之后中，給予他們一定的時(shí)間對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn)，使產(chǎn)品可以精益求精。

在這個(gè)過程中，學(xué)生主要經(jīng)歷產(chǎn)品孵化的過程，同時(shí)了解產(chǎn)品推向社會(huì)的過程，使學(xué)生可以得到更多實(shí)用的知識(shí)。

五、總結(jié)語

CDIO的愿景是為學(xué)生提供一種強(qiáng)調(diào)工程基礎(chǔ)的、建立在真實(shí)世界的產(chǎn)品和系統(tǒng)的構(gòu)思（C）-設(shè)計(jì)（D）-實(shí)現(xiàn)（I）-運(yùn)行（O）過程的背景環(huán)境基礎(chǔ)上的工程教育。在這樣的愿景之下，我們通過3D創(chuàng)意設(shè)計(jì)課程，希望可以培養(yǎng)有專業(yè)技能、有社會(huì)意識(shí)和有企業(yè)家敏銳性的學(xué)生。這是在越來越依賴于復(fù)雜技術(shù)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(xué)生培養(yǎng)成為能夠熟練掌握技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)、領(lǐng)導(dǎo)新產(chǎn)品和新系統(tǒng)的開發(fā)和運(yùn)行、了解技術(shù)的研究和發(fā)展對(duì)社會(huì)的重要性和戰(zhàn)略影響的人。這也就是我們?cè)O(shè)立3D創(chuàng)意設(shè)計(jì)課程的初衷。

參考文獻(xiàn)

[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(xué)科教育改革與實(shí)踐》，《研究生教育研究》 2010年第1期。