3D創意設計課程的開發與實施

梁錦明

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的那些難以展現的物體或者概念。因此，3D打印對于教學和學習的價值，體現在它是學生探索科學和藝術的入口。

3D打印將虛擬世界和實體世界聯系得更加緊密，學生所繪制的3D模型能夠通過3D打印機來實現。學生可以創造一切實物，在體驗中實驗，而不是面對一堆遙遠又抽象的公式。這將意味著學生看待問題、思考問題和解決問題的路徑將有所不同。

那么，如何讓學生接觸3D打印技術呢？我們知道，3D打印并不是買回來打印機就能夠使用的，學生沒有基礎，教師沒有經驗，這樣的實驗是注定失敗的。為了使3D打印技術能夠盡早在我校信息技術課堂發揮效能，我們經研究決定，先行在初二的指定選修課程模塊中設立3D創意設計課程。

創設3D創意設計課程的初衷

3D設計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。在當前制造業全球化協作分工的大背景下，我國企業廣泛、深入應用3D設計技術、院校加大3D創新設計方面的教育，已是大勢所趨。只有讓我們的學生開始接觸并了解3D實體設計，讓學生的創意得到發現與發揮，我們才能更好地發揮3D打印技術的應用效果。

為了更好地開展3D創意設計課程，在課程準備階段，我們找了3D打印機制造企業、3D設計軟件公司，并且買了幾本3D設計教材以及網絡共享的3D設計教材。然而，我們發現：紙質的教材和網上的教材都只是偏重于某款3D設計軟件的教學，一個一個功能去教，與我們學校現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們的學生使用。為此，我們在我校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，決定開發校本3D創意設計課程。

根據我校多年推行基于項目的學習模式的經驗，學生平時學習以課本為主的知識，理論性較強，實際應用機會不多。或者說，在傳統的信息技術課上，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，實際應用意義幾乎沒有，學無所得、學無所用。我們大膽地根據六年的實踐，把傳統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。3D創意設計課程的教學過程更為貼近企業生產管理模式，以前我們把教學內容看作項目來完成，而在3D創意設計課程中，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工程教育理念引入到中學項目學習中來。

3D創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（Implement）和運作（Operate） ，它以產品研發到產品運行的生命周期為載體，讓學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯系的方式學習工程。CDIO培養大綱將工程畢業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能力四個層面，大綱要求以綜合的培養方式使學生在這四個層面達到預定目標。[1]

3D創意設計必須落實到實際的產品設計之上，才能真正體現出設計的價值所在。學生未來的工作實踐中，也或多或少地會跟這些產品研發有一些關系。我們嘗試在中學階段讓學生初步了解產品研發的流程，使學生能夠感覺到學有所用，同時也能激發學生潛在的學習動力，不至于只是枯燥地面對著無聊的鼠標點擊操作。

3D創意設計課程，本身就屬于跨學科的教學內容，它涉及科學、技術、工程、美術、數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。與此同時，對于產品設計的系統建構也有著非常高的要求。這些恰恰就是CDIO的核心理念，可以說，CDIO為我們的教學改革指出了一條導向性非常強的路徑。[2]

我們在實施構思（C）-設計（D）-實現（I）-運作（O）的流程時，一般會將其放在一個有一定背景的整體活動之中，而項目的發展過程則是重點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。

那么，我們可以找到CDIO與工程實施流程[3]的對應關系：構思（C）—調查；設計（D） —計劃、設計；實現（I） —建設；運作（O）—操作、維護。

從21世紀對創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，即從以前的個體角度審視轉變為個體、團體、組織和社會多角度，借助于CDIO教育理念（CDIO的能力結構[4]由技術知識和推理能力、個人和專業能力、人際交往能力組成），并在其學科培養目標能力與學科核心素養思想指導下，結合我校的學生培養特點，構建相應的培養體系，并在這個基礎上進行了大膽的改革與實踐。

課程開發與實施

本課程通過制造業中的產品制造流程，使學生可以更多地了解實際企業生產的過程，并且參與到這個過程體驗之中。從接到客戶訂單開始，教師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，以及產品設計在項目流程中的地位與方案。這些都是學生在通識課中學到的相關項目管理知識，而在3D創意設計課程之中，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，而是企業中的直接應用。

對應著CDIO工程教育理念，以企業接到產品訂單為例，我們對課程內容進行了如表1所示的設計。

1. 構思

在實際教學過程中，我們虛擬制造業企業接到產品訂單，從而確定客戶的需求。這是3D創意設計項目的目標，在課程設計上，我們提出學生需要根據目標，確認產品的需求、功能、技術限制、市場定位以及企業承諾與誠信這幾個方面的內容。這是3D創意設計中最為關鍵之處，只有先考慮好這些問題，才能使學生的創意設計有現實價值與實際應用價值。

其中重點在于對產品進行初步的分析，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創意設計的重要因素，而企業承諾與誠信則是時間管理所必須考慮的問題，同時也是教學時間安排的重要依據。

在這個過程中，教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，或者引導學生往創新、創意的方向思考。學生則需要在團隊配合下完成需求分析、問卷調查、數據收集等活動。

2. 設計

有了基本的需求定位之后，學生需要根據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品方向，包括外觀、尺寸、功能等具體的參數確認。這些參數的確認，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，商討出產品的外觀與形狀。

確認了以上數據之后，學生開始進行第二步的設計，在這個部分，學生需要用繪畫草圖的方式，把產品的設計草圖畫出來，同時標出對應的具體數據，以便于深入討論以及教師確認與驗收方案。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，在這個草圖方案中，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、數學、美術、技術等學科領域的結合體，團隊合作的重要性特別突出。同時，這個草圖也是3D創意設計的參考藍本，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，教師需要引導學生將草圖進行系統分析與解構，把一個復雜的草圖分解成為一個個簡單的、容易實現的結構元件，也就是學生常見的規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，教師需要向學生介紹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，不至于失去方向，同時也使學生的合作分工有了可靠的依據。教師可以根據小組成員在學習過程中的表現與特長進行分工，實現每一個學生都在從事著有意義的工作，而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

當完成草圖設計與系統解構之后，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整合，并且進行測試。在測試過程中發現系統的漏洞與缺陷，找出改進的辦法與措施，最終完成整個產品的制作，交給教師驗收。

在這個過程中，教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，教師也經常會參與到學生的系統整合與測試過程中，提出自己的一些想法與建議給學生參考。

4. 運作

在教師完成驗收之后，我們會安排小組成員進行產品孵化模擬路演。“產品孵化”是一個將產品由概念轉化為商品的過程，是一個對產品的綜合開發過程，而“路演”是指在公共場所進行演說、演示產品、推介理念，及向他人推廣自己產品的一種方式。它會讓學生體驗創新產品的孵化過程，同時也讓更多的學生能對產品進行評價與提出意見。小組產品展示完畢之后中，給予他們一定的時間對產品進行優化與改進，使產品精益求精。

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

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品和系統的構思CDIO過程基礎上的工程教育。在這樣的愿景之下，我們通過3D創意設計課程，希望可以培養有專業技能、有社會意識和有企業家敏銳性的學生。這是能在越來越依賴于復雜技術系統的環境中保持高效、創新和卓越所必需的。希望可以把學生培養成為能夠熟練掌握技術基礎知識、領導新產品和新系統的開發和運行、了解技術的研究和發展對社會的重要性和戰略影響的人。這也是我們設立3D創意設計課程的初衷。

注：本文是廣東省順德區教育教學“十三五”規劃2016年度重點課題《創客教育探索與應用研究》（課題編號：SDJK_A201617）成果之一。

（作者單位：廣東順德德勝學校信息系）