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基于CDIO工程教育模式的3D创意设计课程的开发与实施

关键词:CDIO 3D创意设计 课程开发

 

一、3D打印技术的教学价值

2014年的地平线报告中公布了六项技术将对教育产生影响,其中中期影响(2-3年)中提到了3DPrinting(三维打印技术)。2015年的地平线报告则提到,2-3年的技术新宠是3D打印进课堂。文中提到:“几年以后的课堂上,那些晦涩难懂的数学模型也许会变成你手里的玩具,这得依靠3D打印技术。”

3D,是英文“3 Dimensions”的简称,主要特指基于电脑、互联网的数字化3D/三维/立体技术;而3D或者说三维数字化技术,是基于电脑/网络/数字化平台的现代工具性基础共用技术。3D设计是新一代数字化、虚拟化、智能化设计平台的基础。它是建立在平面和二维设计的基础上,让设计目标更立体化、更形象化的一种新兴设计方法。3D设计是培育创新型人才的重要手段,在当前制作业全球化协作分工的大背景下,我国企业广泛、深入应用3D设计技术、院校加大3D创新设计方面的教育,已是大势所趋。

对于教学和学习的价值,3D打印是探索科学和艺术的入口。3D打印技术是一种快速成型技术,在教育领域的一个主要应用就是使学生能够更加真实地接触教学中那些难以展现的物体或者概念。

 3D打印将虚拟世界和实体世界联系得更加紧密,学生所绘制的3D模型能够通过3D打印机实现。学生可以创造一切实物,在体验中实验,而不是面对一堆遥远又抽象的公式。这意味着我们看待问题、思考问题和解决问题路径将有所不同。

正是看到了这些信息,我们高度关注3D打印技术在中学课堂中的地位。如何利用3D打印技术,如何让学生接触到3D打印技术是我们首先关注的问题。为此,我校尝试在初二年级的指定选修课程中设置了3D创意设计课程,以适应这样的大环境,同时也使我们的信息技术课程更具有特色与时代性。

 

二、3D创意设计课程设立的初衷

3D打印并不是买回来打印机就能够使用的,学生没有基础,老师没有经验,这样的实验是注定失败的。为了使3D打印技术能够尽早地发挥其在我校信息技术课堂的作用,我们经过研究,决定先行在初二的指定选修课程模块中设立3D实体设计课程。让我们的学生开始接触3D实体设计,让我们的学生了解3D实体,让学生的创意得到发现与发挥。只有在这样的基础上,我们才能更好地应用3D打印技术。

为了更好的开展3D创意设计课程,在课程准备阶段,我们联系3D打印机制造企业、3D设计软件公司,购买纸质的3D设计教材,收集网络共享的3D设计教材等等。然而我们发现,纸质的教材和网上的教材都只是偏重于某款3D设计软件的教学,一个一个功能地教,与我们学校现在所推行的基于项目的学习模式差距较大,而且软件教学类的课程不太适合我校初二学生使用。为此,我们在我校已经在推行的基于项目的学习模式的基础上,结合学生学习与生活的实际,决定开发校本3D创意设计课程。

根据我校多年推行基于项目的学习模式的经验,我们发现学生平时所学的知识,基本上以课本知识为主,理论性较强,实际应用机会不多。或者说,在传统的信息技术课上,学生接受的大多为软件操作技巧训练,甚至只是局部的操作流程学习,实际实用意义几乎没有。可谓学无所得、学无所用。我们大胆地根据六年的实践,把传统的软件学习课堂改革为基于项目的学习模式,使学生的学习过程接近实际生活。以前我们把教学内容看成项目来完成,而3D创意设计的内容更为贴近企业生产管理模式,学生的作品更可以向工程靠近。因此,我们把大学工程学最新的CDIO工程教育理念引进到中学3D项目学习之中来。

 

三、3D创意设计课程实施的核心-CDIO工程教育模式

CDIO工程教育模式是近年来国际工程教育改革的最新成果。从2000年起,麻省理工学院和瑞典皇家工学院等四所大学组成的跨国研究团队通过四年的探索研究,创立了CDIO工程教育理念,并成立了以CDIO命名的国际合作组织。

CDIO代表构思(Conceive)、设计(Design)、实现(Implement)和运作(Operate) ,它以产品研发到产品运行的生命周期为载体,让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程。CDIO培养大纲将工程毕业生的能力分为工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力四个层面,大纲要求以综合的培养方式使学生在这四个层面达到预定目标。[1]

3D创意设计必须落实到实际的产品设计之上,才能真正的体现出设计的价值所在,学生在未来的工作实践中也可能或多或少接触到这些产品的研发。我们尝试在中学阶段让学生初步了解这些产品研发的流程,使学生能够感觉到学有所用,同时也能激发学生的内存学习动力,不至于只是枯燥地面对着无聊的鼠标点击操作。

3D创意设计课程,本身就属于跨学科的教学内容,它涉及到科学、技术、工程、美术、数学等多个领域的知识背景;同时在整个设计过程中,团队的力量是不容忽视的;对于产品设计的系统建构也是有着非常高的要求。这些恰恰就是CDIO的核心理念,而CDIO也为我们的教学改革指出了一条导向性非常强的路径。[2]

我们在进行构思(C)-设计(D)-实现(I)-运作(O)的流程时,这些流程并不是孤立的,而是在特定的背景下。很多情况下,都是由于社会发展和项目风险评估时引出的调查与方案规划,而项目的发展过程重点是看该项目是如何组织的。一个典型的工程实施流程如图1所示。

                                             

典型实施流程.jpg


图1 典型的工程实施流程[3]


对应着CDIO的各个阶段,从表1可以看到各个阶段(不完全包含相同的概念)所对应的关系如表1所示。


表1  比较CDIO与工程实施流程[3]


CDIO

工程实施流程

构思(Conceive)

调查

设计(Design)

计划、设计

实现(Implement)

建设

运作(Operate)

操作、维护



从21世纪对创新型人才的需求来看,加强学生的能力与素质培训,将是21世纪人才观的主要变化。即从以前的个体单角度审视转变为个体、团体、组织和社会多角度、全方位审视的特点出发。借助于CDIO教育理念(图2),并在其学科培养目标能力与学科核心素养思想指导下,我们结合我校的学生培养特点,构建相应的培养体系,并在这个基础上进行了大胆的改革与实践。


能力结构.jpg

图2 CDIO能力结构[4]

 

四、课程开发与实施

本课程通过制造业中的产品制造流程,使学生可以更多地了解实际企业生产的过程,并且参与到这个过程体验之中。从接到客户订单开始向学生介绍项目要求与实施的时间控制要求。然后利用制造业资源管理的知识,向学生介绍项目时间管理的基本原则,以及产品设计在项目流程中的地位与方案。这些都是我们的学生在通识课中通过基于项目的学习模式学到的相关的项目管理知识。而在3D创意设计课程之中,我们把这些项目管理知识直接应用到了企业制造管理之中,使学生感受到,他们所学习的项目管理知识并不只是空谈,而是企业中的直接应用。

对应着CDIO工程教育理念,以企业接到产品订单为例,我们对课程内容进行了设计。具体设计如表2所示。


表2  基于CDIO工程教育理念的3D创意设计课程设计

构思(Conceive)

设计(Design)

实现(Implement)

运作(Operate)

目标

概念设计

初步设计

施工设计

元件制造

系统整合

孵化

进阶

需求

目标

计划

需求

功能

技术

定位

承诺

诚信

方向

功能

外观

知识背景

设计草图

系统分析

系统解构

确定设计

元件制作

主动学习

技能提高

元件测试

系统整合

测试

改进

交货

模拟路演

评价

建议

修正

进化

 

1. 构思(Conceive)

在实际教学过程中,我们虚拟制造业企业接到产品订单,从而确定客户的需求,这就是3D创意设计项目的目标。在课程设计上,学生需要根据目标,确认产品的需求、功能、技术限制、市场定位以及企业承诺与诚信这几个方面的内容。这是3D创意设计中最为关键的地方,只有先考虑好这些问题,才能使学生的创意设计具有现实价值与实际应用价值。

在这部分内容之中,我们重点在于对产品进行初步的分析,特别是需求分析、功能分析与市场定位。因为这是直接影响到3D创意设计的重要因素,而企业承诺与诚信则是时间管理所必须要考虑的问题,同时也是教学时间安排的重要依据。

在这个过程中,老师向学生提供一些设计的方向、案例,让学生可以有一定的指向性;或者引导学生往创新、创意的方向思考。学生则需要在团队配合下完成需求分析、问卷调查、数据收集等活动。

2. 设计(Design)

有了基本的需求定位之后,学生需要根据需求进行第一步的设计。在这个部分,我们着重要求学生用问题回答的形式来确定自己的产品方向,包括了外观、尺寸、功能等具体的参数确认。这些参数的确认,决定了3D设计作品的基本轮廓与实际的大小。在这个过程中,学生需要团队合作确认参数,商讨出产品的外观与形状。

确认了以上数据之后,学生开始进行第二步的设计。在这个部分,学生需要把自己的创意想法用绘画草图的方式,把产品的设计草图绘画出来,同时标出对应的具体数据,以便于深入讨论及老师确认与验收方案。在这个过程中,师生需要共同去研究关于设计草图的科学性与合理性。草图方案包含的不仅仅是一个学科的知识,而是多个学科领域的知识,例如物理、数学、美术、技术等学科领域的结合体,因此团队合作的重要性特别突出。同时这个草图也是3D创意设计的参考蓝本,学生要学会严格按照设计图纸进行3D设计。

有了设计草图以后,老师需要引导学生将草图进行系统分析与解构,把一个复杂的草图分解成为一个个简单的、容易实现的结构元件。也就是同学们常见的规则几何图形或者是几何图形的变形。把这些结构元件进行分类之后,分配到每一个小组成员手中,作为他们准备完成的工程项目的子项目。

在这个过程中,老师需要向学生介绍3D实体设计软件中的常用元件、元件变形、结构拼接等知识作为系统解构的准备知识,使学生的解构能够做到有的放矢,不至于失去了方向。同时也使学生的合作分工有了可靠的依据,可以根据小组成员在学习过程的表现与特长进行分工,实现每一个同学都在从事着有意义的工作。只要有一个成员的工作没有完成,就意味着全组的工作完成不了,而时间的管理给了他们无法包办的压力。

3.实现(Implement)

当完成了草图设计与系统解构之后,各小组成员就可以通过3D实体设计软件对自己所分配的结构元件进行设计与制作,并且在项目时间表规定的时间内完成元件制作。

完成元件制作之后,小组需要把各元件进行系统整合,并且进行测试,在测试过程中发现系统的漏洞与缺陷,找出改进的办法与措施,最终完成整个产品的制作,交给老师进行验收并进行。

在这个过程中,老师一方面需要给学生提供3D实体设计软件的相关教学资源,我们一般会提供操作视频给学生反复观看,了解这些工具的使用操作步骤。另一方面,老师也经常会参与到同学们的系统整合与测试过程中,提出自己的一些想法与建议给学生参考。

4.运作(Operate)

在老师完成验收之后,我们会安排小组成员进行产品孵化模拟路演。“产品孵化”是一个将产品由概念转化为商品的过程,是一个对产品的综合开发过程;而“路演”(Roadshow)是指在公共场所进行演说、演示产品、推介理念,及向他人推广自己的产品的一种方式。让学生体现一下创新产品的孵化过程,同时也让更多的同学来对产品进行评价与提出意见。小组产品展示完之后中,给予他们一定的时间对产品进行优化与改进,使产品可以精益求精。

在这个过程中,学生主要经历产品孵化的过程,同时了解产品推向社会的过程,使学生可以得到更多实用的知识。


五、总结语

CDIO的愿景是为学生提供一种强调工程基础的、建立在真实世界的产品和系统的构思(C)-设计(D)-实现(I)-运行(O)过程的背景环境基础上的工程教育。在这样的愿景之下,我们通过3D创意设计课程,希望可以培养有专业技能、有社会意识和有企业家敏锐性的学生。这是在越来越依赖于复杂技术系统的环境中保持高效、创新和卓越所必需的。希望可以把学生培养成为能够熟练掌握技术基础知识、领导新产品和新系统的开发和运行、了解技术的研究和发展对社会的重要性和战略影响的人。这也就是我们设立3D创意设计课程的初衷。

 

参考文献

[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 Edström. :《ADAPTING CDIO TO CIVIL ENGINEERING: INVESTIGATE – PLAN – DESIGN – CONSTRUCT – OPERATE AND MAINTAIN》。 Proceedings of the 12th International CDIO Conference, June 12-16, 2016

[4]. 陈春林,朱张青:《基于CDIO教育理念的工程学科教育改革与实践》,《研究生教育研究》 2010年第1期。


作者简介

德胜学校信息技术部主任,教研能力强,主持多个课题研究,在国家级刊物上发表过几十篇教学研究文章,受聘于多个国家级、省级学术团体理事职务。多次参加国家级、国际级学术会议并作会议专题发言,多次应邀到外地作教师培训的主讲老师。
文章介绍
  • 2014年的地平线报告中公布了六项技术将对教育产生影响,其中中期影响(2-3年)中提到了3DPrinting(三维打印技术)。2015年的地平线报告则提到,2-3年的技术新宠是3D打印进课堂。文中提到:“几年以后的课堂上,那些晦涩难懂的数学模型也许会变成你手里的玩具,这得依靠3D打印技术。”
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  • 更新时间:2017-08-14
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