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KAPIV教育教学理念运用于“3D打印”课程的初步探索

2023-05-30孙竹刘贵杰李辰

黑龙江教育·理论与实践 2023年3期
关键词:科考船程序性品德

孙竹 刘贵杰 李辰

摘    要:针对“3D打印”课程内容冗杂、教学方法单一、缺少特色等教学困境,文章围绕KAPIV教育教学理念,深入探讨知识、能力、实践、创新及品德要素的内涵,梳理出在教学过程中学生需要掌握的知识点、拟达成的能力、实践教学流程、创新路径及学生所应具备的良好品德,并以东方红3号科考船为例进行实践探索。经检验,课程教学初见成效。

关键词:“3D打印”课程;KAPIV;课程改革;工程训练

中图分类号:G642      文献标识码:A     文章编号:1002-4107(2023)03-0059-04

新工科是基于国家战略发展新需求、国际竞争新形势、立德树人新要求而提出的我国工程教育改革方向[1]。观念革新、体系迭代、范式转变、方法多元成为教书育人新的导向。为保证我国工程学子在全球化视野中具有出色竞争力,山东大学孙康宁教授及相关研究者以工程创新人才培养为突破口提出KAPIV教育教学理念,使知识、能力、实践、创新和品德等要素有机串联,以加速学生在学习过程中知识向能力的转化[2],为“3D打印”课程改革提供了明确方向。文章基于此,针对课程教学过程中存在的问题,详细探讨教育观本质及其赋能于“3D打印”课程的核心要义,继而梳理出学生所需掌握的知识、拟达成的能力、系统的实践流程、可视化的创新策略及高尚的优秀品德,最后以东方红3号科考船为例进行实践,凸显“3D打印”课程优化价值。

一、“3D打印”课程教学困境

(一)内容冗杂

“3D打印”课程旨在培养学生的创新精神与实践能力,提高学生参与创客行动的积极性。课堂上,教师应选择少而精的陈述性知识,并通过亲身实践帮助学生达成程序性知识的构建,保证所授知识具有良好的导向性。尽管各高校的“3D打印”课程的授课内容有所不同,但几乎都面临着冗杂困境,致使理论教学与实践教学比重失衡,缺少针对性,其原因在于教师过分注重“大而全”的结构知识观。指出这一原因,并不是否定知识观本身,而是要明确其在工程训练实习中开展的困难性,以此引导教师进行知识观转变,开展有意义的教学。

(二)教学方式方法单一

近些年,部分高校教师将网上免费模型作为学生作品来源,学生实践过程普遍聚焦于切片上传与打印操作。学生坐享其成,不仅丧失了个性化创意的主动构建意识,使得个人创意得不到表达,还导致设计能力得不到发挥,销售能力得不到锻炼,反思总结意识得不到提高。究其原因,主要在于课堂教学方式方法不合理、过于单一,使产品丢失真实生产过程,产品缺少从设计到组装、销售,再到反馈的环节,教学质量低下的局面由此产生。

(三)特色不明显

模型是“3D打印”课程的基础,优质的模型不仅有利于学生掌握知识,更有益于激发学生学习兴趣,启发学生思维,强化学生情感。通过实际调研、梳理文献发现,国内部分高校在实践教学方面仍未与自身乃至当地特色深入结合,实践优势难以凸显。针对这一现象,建议高校实践项目与开源硬件结合,制作智能模型;也可与高校(当地)特色结合,制作专有模型;还可与红色教育结合,制作党的一大会址、红船、党徽等爱国主义模型。

二、KAPIV教育教学理念与新改革思考

KAPIV教育教学理念,可以理解为在一定工程情境下开展实践项目训练以使学生主动构建知识、能力、实践、创新、品德之间关系的一种教学观,其教学载体是实践项目,核心本质是将知识点、能力指标、系统性过程、创新和品德等要素嵌入项目,对学生进行一体化训练,使学生具备自我判断、自我分析、自我批判意识及独立解决问题的能力。

(一)要义1:知识

通俗来讲,知识就是人类对物质精神世界的探索总和。聚焦国外,安德森教授提出知识分类观,有效解决了学生学习何种知识、学生如何转化学习知识及知识如何发展自身智能三者之间的问题。知识分类观认为知识有陈述性和程序性之分。科学系统的知识观,应当同时包括陈述性知识和程序性知识,并通过陈述性知识引导程序性知识,借助程序性知识发展学生的综合能力[3]。当个体具备某种程序性知识,说明这一个体已经获得了运用这种程序性知识解决现实问题的能力。当今社会,知识应用远比知识存储更为重要。KAPIV教育教学理念下,教师既要为学生传授陈述性知识,让学生知其然,也要为学生传授程序性知识,让学生知其所以然。

(二)要义2:能力

工业社会背景下,高等工程教育的人才定位应主动聚焦于培养符合国家战略且同步于行业市场发展的现代工程師,要求毕业生具备胜任工程活动的各项素质和实力[4],不仅表现为学生对各类知识的把控运用,也强调学生在完成某一任务时所表现出来的素质。根据能力教育观,教师应在课堂中重点培养学生的专业能力、方法能力和社会能力,即将学生对各类知识的把握运用表述为专业能力,将学生在实践活动过程中所需要掌握的基本学习、工作方法表述为方法能力,将工作过程中所需要的行为规范,如人际交往、价值观取向、职业道德等表述为社会能力。

(三)要义3:实践

本质上,实践就是同步于知识和思考过程的行动流程。真正的课堂,教师应站在教学一线,退居课堂二线,用项目营造自我体验、自主学习、自由创造的学习氛围。聚焦国外,美国“学习工厂”模式对高等工程人才实践能力培养的有效性,已在全球得到认可并被广泛关注。该模式紧跟产业发展实况,将真实制造系统中的工业生产主体复制到高校工程实践教学中,并以设计、生产、物流、营销、服务等无限接近生产环节的教学流程作为培养学生实践能力的核心路径,充分体现了“工作本位”的育人思想[5-6]。依据本土特征,文章提出将企业元素无限复制到高校“学习工厂”中,以项目为载体,引导学生从概念构思开始,经过设计开发、产品实现、宣传推广、售后服务等阶段,主动实践,做中学习,获得系统能力。

(四)要义4:创新

创新本质上就是立异,建立不同。在课堂上运用新兴技术手段,充分拓展学生个性思维,创造差异化作品,对工程教育而言,亦是一种革新。想象是一个创新的过程,因为这一过程不受约束;结构是一个创新的过程,因为这一过程简化不失强度;功能是一个创新的过程,因为这一过程实现学科交叉;教育意义是一个创新的过程,因为这一过程情感迸发,有利于焕发课堂感召力。文章充分利用上述创新要素,从产品功能、产品结构和教育意义3个维度进行课堂教学创新,最大化培养学生的创新思维和实践能力。

(五)要义5:品德

品德是一种正直的品性,更是一种素质。良好的品德素质不仅包括思想道德和科学文化,还包括身体、心理和劳动技能。素质是先天遗传与后天教育共同形成的成果,素质本位下的教育应更加注重培养学生后天看待世界的角度、学习训练的方式、社会关系的沟通能力及良好的心理建设[7]。工程训练品德建设是一项形象工程。该工程不仅注重学生在项目实践过程中的“外在形象”,更注重学生自身隐性的“内在形象”。文章在品德建设方面将同时聚焦学生外在、内在形象,合理梳理形象工程指标点,从根本上加强学生品德建设。

三、KAPIV教育教学理念指导下的改革路径

(一)拟所需知识

根据系统性制造流程,课程知识需按照创意萌生、创意表达、创意实现、创意推广的路径依次进行。为有效发挥陈述性知识对程序性知识的引领作用,教师在每一生命制造阶段紧紧围绕概念原理进行陈述性知识梳理,并以此为依据点明程序性知识的操作方法,着力培养学生在实践过程中的动手能力。

基于“双创”背景,教师为学生科普“三创”概念及其与3D打印的联系,引导学生了解创新方法,催生科技创意,参与创客行动。想要萌生的创意落地,则必须搭建表达创意的桥梁,而三维扫描与三维软件的结合成为学生表达创意的直接工具。创意实现承担了创意在生命制造周期过程中由虚变实的关键一环。通过这一环节,学生开始了解3D打印技术,探索设备结构,通过完整的技术工艺完成产品制作,并面向全校宣传产品,完成创意推广,如表1所示。

(二)拟达成能力

文章在归纳学生所应达成的专业能力方面始终与课程内容保持同步,即以全生命制造周期为核心形成专业能力第一梯度划分指标(一般通识、分析设计、动手实践),并在一级指标引导下进行能力具体指标确定。根据课程教学需要,围绕通识层面设置文献查阅、材料选择、工艺选择和计划制定实施能力;围绕分析设计层面设置空间想象、基本计算、结构优化、三维造型和经济环保分析能力;围绕动手实践层面设置操作加工、安装调试、修改纠正和产品实现能力。此外,从学会学习和学会工作视角形成集组织协调、独立决策、跨界整合、问题解决和终身学习于一体的方法能力指标,并从个人品行和工程素养方面梳理出社会能力指标,包括语言表达、自主学习、自我反思、情感审美、价值判断、团结合作、沟通协调、安全规范、适应调节、社会责任等,具体如表2所示。

(三)拟实践流程

国内高校将美国“学习工厂”模式进行本土化改革,形成草图策划、结构设计、开发研制、修改完善、宣传推广和售后服务6个阶段的课程教学流程,力图培养学生从草图概念到售后服务的整个系统性能力(图1)。

草图策划是全生命制造周期的初始阶段。这一阶段,学生以草图形式策划产品外形,表达设计理念,并在教师的指导下优化创意实施路径。然后进入生命制造周期的关键阶段——结构设计。为保障结构设计的顺利进行,教师应全程参与学生设计过程,并对学生设计做出全面指导,直至呈现完整的三维立体效果。开发研制和修改完善是创意实现过程中的双主体。这一阶段,学生自主制作产品原型,并对不足之处做出修正,形成合格产品。产品制作完成后,由学生自发组织宣传推广产品,扩大成果影响。最后,在一定时间期限内为产品提供维护和售后服务,提高用户对产品的满意度。

(四)拟创新途径

1.立足产品功能创新

受新一轮工业革命推动,现代产业已发生根本性变化,以传统单一机械结构产品为主要制作方法的实践教学难以使学生具备行业所需的工程能力。对此,高校立足产品功能创新,突破原有教学的机械化特征,使产品与智能硬件结合并形成智能化创意产品,发挥产品实用功能,成为“3D打印”课程的新追求。以功能创新为起点,就是要从机电结合的视角出发,探索集机械控制功能于一体的智能化产品,如智能音响、智能台灯等。

2.立足产品结构创新

一个产品,无论是将外观还是内部结构作为设计出发点,都不应烦冗复杂。结构创新,就是要坚持从简,从自身专业出发设计结構合理且满足使用要求的产品。工业设计和机械设计制造及其自动化是拥有结构设计优势的两大专业,因此,学生在实践过程中应在两大专业的混合优势下努力突破产品传统结构设计壁垒,优化产品结构方案,做到精简而不失强度。值得注意的是,不同高校两大专业培养倾向不同,所以,两大专业的混合优势应以当地或本校特色为主体,依据其优势特点进行,并使产品结构尽可能精简。

3.立足教育意义创新

模型是强化学生思维意识,发挥教育影响的物化成果。具有良好导向的模型能够从根本上发挥教育意义显性价值,如南湖红船(红船精神)、天宫空间站(不懈探索精神)、东方红3号科考船(海洋强国精神)。立足教育创新,要坚持思想政治教育与特色教育并举,以思想政治教育为引领,走红色基因教育之路,带领学生学习党史,制作红色教育作品,感悟红色革命精神;以特色教育为引领,走海洋科技强国之路,制作海洋特色作品,培养学生不畏艰苦的科技强国精神,使学生成长为心系国家、社会的接班人。

(五)拟养成品德

相关研究认为,一个人的品德表现会以其特定背景下的实际行动为依据。为强化学生素质,“3D打印”课程将同时专注品德内在和外在,全面培养学生的现代工程师形象,将需要遵守的安全意识和文明操作,纳入学生外在范畴。

学生内在形象更契合品德的本义,强调的是学生在实践过程中由内而外散发出的良好品质,如民族精神、团结协作意识及积极向上的心态等。聚焦现代工程师外在形象,根据“3D打印”课程教学实际,将劳保衣着穿戴、工量具摆放、设备文明操作、工作台面清理和设备应急处理等指标纳入培养范畴;聚焦内在形象,将爱国主义、团结合作、以身作则、组织协调、自主探索、积极向上、社会责任等作为核心育人指标,培养学生正确的行为价值观,使学生思想境界有所提高。

四、KAPIV海洋底蕴项目实践——东方红3号科考船

(一)项目制作要求

在国家大力发展海洋战略的时代背景下,文章以机械设计制造及其自动化专业为实验对象,通过海洋实践项目——东方红3號科考船,对学生进行KAPIV一体化训练,使中国海洋大学学生不仅切实体验到项目中所蕴含的“东方红”精神,更能将心中的爱国之情转化为推动国家海洋战略发展的强劲动力,具体制作要求如下。

实践项目:东方红3号科考船。

制作要求:以小组为单位,在教师指导下完成东方红3号科考船的制作。

1.东方红3号科考船采用PLA材料,支持多种颜色打印。

2.采用正逆向混合设计方法完成科考船船体三维结构。

3.船体结构要求以东方红3号原型为基础,同时支持船体元素创新。

4.船体最小尺寸不低于150×30×75mm,最大尺寸不超过300×60×150mm。

5.支持3D打印、PLA材料、丙烯颜料等各类资源筛选使用。

(二)项目实践过程

开课之前,课程负责人根据学生基础水平将学生划分为若干小组,并为小组指定助教,由助教参与整个项目制作过程。按照系统性制造过程,东方红3号科考船项目实际授课32学时。从创意萌生到创意推广的每个阶段,由课程负责人讲授陈述性知识,助教讲授程序性知识,其中课程负责人所授陈述性知识分别为1学时、2学时、2学时和2学时,助教所授程序性知识分别为3学时、12学时、8学时和2学时,总计陈述性知识7学时、程序性知识25学时。在授课过程中,学生秉承做中学理念,以合作探究方式萌生创意,绘制创意草图,形成初步构想。随后进入创意表达阶段,由助教组织协助学生进行结构设计,形成完整三维实体,并将其转变为3D打印数据格式,为下一阶段创造条件。学生通过自主切片、操作3D打印机完成支撑产品输出,形成完整作品。最后,学生通过自发性活动向全校推广、宣传和出售,并做好售后服务工作。

(三)项目产出成果

学生围绕东方红3号科考船项目进行实践。项目实施结束后,教师对部分学生进行了访谈,了解项目实施效果,学生表示课堂富有实践感染力,能够将学过的理论知识运用于实践,对动手能力的提高具有显著效果。项目实践效果如图2所示。

文章基于KAPIV一体化教育教学理念,深入分析了知识、能力、实践、创新、品德5个方面的核心要义,梳理了“3D打印”课程中学生需要掌握的知识、拟达成的能力、完整的实践流程、可视化的创新途径及养成的品德,最后以蕴含中国海洋大学特色的海洋底蕴项目——东方红3号科考船为例进行了实践。实践证明,课程改革初见成效。

参考文献:

[1]  钟登华.新工科建设的内涵与行动[J].高等工程教育研究,2017(3):1.

[2]  孙康宁,刘会霞,杨平,等.面向新工科的微课程体系

和新形态课程研究与实践[J].高等工程教育研究,2021(3):44.

[3]  吴吉惠.程序性知识的获得与学生能力的发展[J].西南师范大学学报(人文社会科学版),2005(5):116.

[4]  傅宇.高等工程教育的工程能力结构及其培养途径[J].理工高教研究,2006(3):79.

[5]  李冲,毛伟伟,张红哲,等.从工程训练中心到学习工厂[J].高等工程教育研究,2021(3):92.

[6]  张竞,梁喜凤,李孝禄.学习工厂:培养适应全球先进制造的卓越人才:美国宾州州立大学工程教育案例[J].高等工程教育研究,2018(2):125.

[7]  杨琰.知识·能力·素质·素养:教育价值追求的不同阶段转向[J].教育理论与实践,2018,38(28):13-16.

编辑∕陈晶

收稿日期:2022-03-11                                                          修回日期:2022-04-13

作者简介:孙竹(1995—),女,山东潍坊人,中国海洋大学工程训练中心助理实验师,研究方向:高等工程教育和增材制造技术。

基金项目:2021年度中国海洋大学本科教研重点项目“新工科背景下工程实训教学模式及体系构建与实践”(2021

ZD12)、一般项目“能力本位工程实践训练体系建设”(2021JY099)

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