張洋梅,花海燕,楊拴強(qiáng),沈振輝,黃昕龍
(1.福建江夏學(xué)院,福州 350108;2.福建工程學(xué)院,福州 350108)
國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)歸根到底是人才和教育的競(jìng)爭(zhēng),新工科作為一種新型工程教育,重點(diǎn)是培養(yǎng)時(shí)代和未來(lái)的創(chuàng)新型卓越工程人才,強(qiáng)化實(shí)踐、創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)能力,通過(guò)創(chuàng)客模式和3D打印新技術(shù),將真實(shí)世界的體驗(yàn)融入工程教育〔1〕。在此背景下,新型本科教育模式,不再是以教師為中心在課堂講授教材的傳授教學(xué)模式,而是以學(xué)生為中心的新型工程教育模式〔2〕。借鑒美國(guó)高校開展的“以學(xué)生為中心(SC)”的新型本科教育模式,即:以學(xué)生發(fā)展為中心、以學(xué)生學(xué)習(xí)為中心、以學(xué)習(xí)效果為中心,核心是從“教師”轉(zhuǎn)變到“學(xué)生”、從“教”轉(zhuǎn)變到“學(xué)”〔3〕。實(shí)踐證明,布魯姆的掌握學(xué)習(xí)理論對(duì)提高教學(xué)質(zhì)量、轉(zhuǎn)變教師教學(xué)觀念具有較好成效。掌握學(xué)習(xí)理論的教學(xué)策略關(guān)鍵在于將系統(tǒng)的“個(gè)別化反饋-矯正程序”與常規(guī)的群體教學(xué)相結(jié)合,給予學(xué)生足夠的時(shí)間、適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)和個(gè)別輔導(dǎo)〔4〕。
Creo作為機(jī)械類工科一門重要的技能課程,在創(chuàng)新型卓越工程人才培養(yǎng)體系中占有重要地位,對(duì)未來(lái)產(chǎn)品的創(chuàng)新與設(shè)計(jì)提供必要的專業(yè)技能和創(chuàng)新能力。該課程有益于培養(yǎng)學(xué)生的產(chǎn)品設(shè)計(jì)思維、設(shè)計(jì)表達(dá)能力、創(chuàng)新能力,因此,有必要學(xué)習(xí)“掌握學(xué)習(xí)”理論的核心思想,并對(duì)Creo課程開展“以學(xué)生為中心”的混合式教學(xué)。通過(guò)班級(jí)授課、小組研討、線上-線下、理論-實(shí)踐相結(jié)合的混合式教學(xué),提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性,提升課程的教學(xué)質(zhì)量。
目前很多高校均已開設(shè)了Creo課程,歸為工具學(xué)科,注重軟件界面操作和命令使用,輕視產(chǎn)品設(shè)計(jì)思維的培養(yǎng)〔5〕。傳統(tǒng)授課模式和單一課程考核方式,很難激發(fā)當(dāng)代大學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。通過(guò)對(duì)學(xué)習(xí)Creo課程的182個(gè)學(xué)生進(jìn)行網(wǎng)上問(wèn)卷調(diào)查,學(xué)習(xí)的最大困難在于知識(shí)遷移能力不足(58.24%),其次是缺乏產(chǎn)品設(shè)計(jì)思維和自我約束能力不足,最終,學(xué)生就會(huì)對(duì)本課程的學(xué)習(xí)不再感興趣了。見圖1。
圖1 學(xué)生學(xué)習(xí)Creo課程困難的主要原因
在傳統(tǒng)的Creo課程教學(xué)過(guò)程中,大多數(shù)教師是通過(guò)Pro∕Engineer舊版軟件按部就班地演示各實(shí)例的操作步驟,并要求學(xué)生根據(jù)演示步驟重復(fù)操作,以達(dá)到軟件教學(xué)目標(biāo)〔6-7〕。該陳舊授課模式已無(wú)法激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,難以培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和創(chuàng)造性,嚴(yán)重束縛著學(xué)生發(fā)揮自身的創(chuàng)新能力。Creo是一門實(shí)踐性很強(qiáng)且面向?qū)嶋H應(yīng)用的重要課程,功能強(qiáng)大,實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中,軟件20%的功能足以完成80%的產(chǎn)品設(shè)計(jì)〔5〕。因此,在有限的學(xué)時(shí)里,應(yīng)主要講授最常用的命令和該命令在實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中的應(yīng)用,而不是把所有的軟件命令全部介紹一遍。
針對(duì)現(xiàn)有教學(xué)現(xiàn)狀,對(duì)Creo課程進(jìn)行教學(xué)改革,將線上課程資源、3D打印技術(shù)、學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)等引入教學(xué)中,豐富教學(xué)內(nèi)容,在教學(xué)方法上增添直觀性和趣味性,充分發(fā)揮學(xué)生的主體地位和教師的引導(dǎo)作用,以充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。引入線上課程資源可以方便學(xué)生隨時(shí)隨地通過(guò)手機(jī)學(xué)習(xí)線上視頻教程,以維持學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情;引入3D打印技術(shù)能夠讓學(xué)生的產(chǎn)品設(shè)計(jì)從視覺(jué)感受轉(zhuǎn)換為觸覺(jué)體驗(yàn),激發(fā)學(xué)生深度思考建模思路,主動(dòng)獲取知識(shí);引入學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)能夠讓學(xué)有余力的學(xué)生延續(xù)學(xué)習(xí)興趣,樂(lè)于探究產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。多途徑地引導(dǎo)學(xué)生多看、多想、多練,以提高學(xué)生的知識(shí)遷移能力和產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。
“掌握學(xué)習(xí)”理論是美國(guó)當(dāng)代著名教育心理學(xué)家布魯姆通過(guò)大量的試驗(yàn)證實(shí)后提出的,是在“所有學(xué)生都能學(xué)好”的思想指導(dǎo)下,以集體教學(xué)為基礎(chǔ),輔之以經(jīng)常、及時(shí)的反饋,為學(xué)生提供所需的個(gè)別化幫助以及所需的額外學(xué)習(xí)時(shí)間,從而使大多數(shù)學(xué)生達(dá)到課程教學(xué)目標(biāo)〔8〕。布魯姆認(rèn)為,人的潛能基本上是一樣的,學(xué)生在校學(xué)習(xí)成效差異主要是由后天學(xué)習(xí)和所受教育質(zhì)量差異造成的。教師在教學(xué)過(guò)程中應(yīng)信任、鼓勵(lì)每一個(gè)學(xué)生,對(duì)每個(gè)學(xué)生都要給予應(yīng)有的關(guān)愛,要相信每個(gè)學(xué)生都能達(dá)到教學(xué)目標(biāo),讓學(xué)生感受到自己是集體中不可缺少的一員。掌握教學(xué)是真正地面向全體學(xué)生的教學(xué),不讓一個(gè)學(xué)生掉隊(duì)。
許多學(xué)生在學(xué)習(xí)中之所以未能取得優(yōu)異成績(jī),主要問(wèn)題不是學(xué)生的智力欠缺,而是未能得到適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)條件和合理的幫助。因此,教師不該把學(xué)生的學(xué)習(xí)好壞、設(shè)計(jì)表達(dá)能力的差異認(rèn)為是固有的,應(yīng)當(dāng)豐富教學(xué)方法,以最大限度地促進(jìn)每個(gè)學(xué)生的全面發(fā)展。只要能給予適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)條件,學(xué)生就會(huì)在學(xué)習(xí)中不斷培養(yǎng)和提高自身的產(chǎn)品設(shè)計(jì)思維、設(shè)計(jì)表達(dá)能力、創(chuàng)新能力。
1980年以來(lái),“以學(xué)生為中心”的本科教學(xué)改革運(yùn)動(dòng),席卷美國(guó)高校,為美國(guó)本科教育和社會(huì)發(fā)展做出了貢獻(xiàn)〔3〕?!耙詫W(xué)生為中心”的教學(xué)模式的基本特征是以學(xué)生的當(dāng)前狀態(tài)作為基礎(chǔ),以學(xué)習(xí)為教育中心,建立有效及時(shí)的反饋機(jī)制,發(fā)掘?qū)W生潛力,促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展;傳統(tǒng)教學(xué)模式的基本特征則是以教師為中心、以教室為中心、以教材為中心。傳統(tǒng)教學(xué)模式雖由來(lái)已久,但已不再適用于培養(yǎng)時(shí)代和未來(lái)的創(chuàng)新型卓越工程人才。教育不是為了記住各種事實(shí),而是訓(xùn)練大腦如何思考;用昨天的方式教今天的學(xué)生,就毀了他們的明天〔3〕。
現(xiàn)有的混合式教學(xué)大多是將傳統(tǒng)課堂教學(xué)與線上課程學(xué)習(xí)相結(jié)合的一種新型教育,本文把Creo課程的混合式教學(xué)模式定義為班級(jí)授課、小組研討、線上-線下、理論-實(shí)踐相結(jié)合,是根據(jù)課程教學(xué)目標(biāo)來(lái)確定的。
3.1 確定課程目標(biāo) 布魯姆把教育目標(biāo)分為認(rèn)知領(lǐng)域、情感領(lǐng)域和技能領(lǐng)域,根據(jù)認(rèn)知領(lǐng)域教育目標(biāo)分類系統(tǒng),將Creo課程目標(biāo)分為6個(gè)類型,每個(gè)類型對(duì)應(yīng)一個(gè)教學(xué)目標(biāo),其中位于金字塔頂端的“創(chuàng)新”為終極目標(biāo)。見圖2。
圖2 布魯姆認(rèn)知領(lǐng)域教育目標(biāo)分類系統(tǒng)
記憶:了解Creo軟件的基本模塊、基本知識(shí)。
理解:掌握建模原理、理解命令內(nèi)涵,具備幾何形狀繪制能力。這部分包括:菜單功能、草繪幾何圖元、幾何圖元的約束、創(chuàng)建基準(zhǔn)特征、創(chuàng)建實(shí)體特征,實(shí)現(xiàn)二維圖形到三維實(shí)體的變換,培養(yǎng)學(xué)生的平面-空間特征轉(zhuǎn)換能力。
運(yùn)用:運(yùn)用建模命令表達(dá)簡(jiǎn)單零件特征,具備零件特征信息提取和特征建模能力。這部分包括:測(cè)繪特征尺寸、圖形草繪、運(yùn)用建模命令、零件局部特征的詳細(xì)表達(dá),這是培養(yǎng)與發(fā)展學(xué)生知識(shí)遷移能力的重要階段。
分析:通過(guò)已具備的工程知識(shí)、運(yùn)用各標(biāo)注手冊(cè),分析產(chǎn)品特征、零件建模、裝配、模型仿真。這部分包括:零部件的表達(dá)方法、標(biāo)準(zhǔn)件和常用件、零件圖、裝配圖、產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)仿真分析,培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)表達(dá)能力。
設(shè)計(jì):自主、協(xié)作、設(shè)計(jì)能力。這部分集中體現(xiàn)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)踐上,是培養(yǎng)學(xué)生產(chǎn)品設(shè)計(jì)思維的最好時(shí)期。
創(chuàng)新:具備工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓こ叹?,鼓?lì)學(xué)生參與學(xué)科競(jìng)賽、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃項(xiàng)目,從而發(fā)展學(xué)生產(chǎn)品設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力。
3.2 構(gòu)建高效有趣的混合式課堂 埃德加·戴爾提出的“學(xué)習(xí)金字塔”理論,以數(shù)字形式形象體現(xiàn)了通過(guò)不同學(xué)習(xí)方式,學(xué)者在兩周以后還能記住內(nèi)容的多少〔9-10〕。如圖3所示,在“學(xué)習(xí)金字塔”理論中,“小組討論”“動(dòng)手演練∕做中學(xué)”“立即應(yīng)用∕轉(zhuǎn)教他人”為主動(dòng)學(xué)習(xí)方式,應(yīng)是教師在教學(xué)過(guò)程中最為提倡運(yùn)用的教學(xué)方法。考慮到大學(xué)里學(xué)生多、課時(shí)少、教師少的現(xiàn)狀,Creo課程構(gòu)建了以主動(dòng)學(xué)習(xí)、參與式學(xué)習(xí)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作學(xué)習(xí)為主的班級(jí)授課,小組研討、線上-線下、理論-實(shí)踐相結(jié)合的混合式教學(xué)方式,減少“老師講,學(xué)生聽”的被動(dòng)學(xué)習(xí)方式。
圖3 埃德加·戴爾的“學(xué)習(xí)金字塔”理論
3.2.1 班級(jí)授課,知識(shí)學(xué)習(xí) 為了更好地實(shí)現(xiàn)圖2
中的淺層教育目標(biāo),在班級(jí)授課過(guò)程中,應(yīng)把現(xiàn)代教學(xué)技術(shù)與傳統(tǒng)課堂相結(jié)合,引入多媒體技術(shù)、視頻教程、3D打印技術(shù),形象、生動(dòng),既能調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,又豐富了教學(xué)內(nèi)容,并提高了教學(xué)效率。課前將課程實(shí)例操作視頻、習(xí)題等課前預(yù)習(xí)資料放到開放式智慧職教平臺(tái)的Creo在線課程上,學(xué)生可隨時(shí)隨地通過(guò)手機(jī)進(jìn)行賬號(hào)登入學(xué)習(xí),可大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。課中,可先進(jìn)行預(yù)習(xí)成果測(cè)試或疑點(diǎn)詢問(wèn),了解學(xué)生的課程基礎(chǔ),以便教師能夠更有目的性地進(jìn)行課程教學(xué),配以適量板書對(duì)重點(diǎn)操作命令進(jìn)行歸納總結(jié),并留有足夠時(shí)間給學(xué)生動(dòng)手實(shí)例操作、主動(dòng)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題。在復(fù)雜實(shí)體建模學(xué)習(xí)過(guò)程中,可采用3D打印技術(shù)呈現(xiàn)實(shí)體模型特征,更能將學(xué)生難以理解的復(fù)雜抽象模型特性形象化。
3.2.2 小組研討,實(shí)踐訓(xùn)練 完成部分課時(shí)的班級(jí)授課后,學(xué)生已具備一定的建模能力,教師應(yīng)該為學(xué)生創(chuàng)造更多的主動(dòng)學(xué)習(xí)條件,以更好地實(shí)現(xiàn)深層教育目標(biāo)。將Creo課程內(nèi)容分成幾個(gè)模塊,以小組研討課的形式進(jìn)行教學(xué),小組研討有如下幾種形式:
(1)團(tuán)隊(duì)協(xié)作
為了強(qiáng)化學(xué)生的運(yùn)用能力、分析能力和設(shè)計(jì)能力,在教學(xué)過(guò)程中,可把學(xué)生分成若干個(gè)小組,以團(tuán)隊(duì)的形式進(jìn)行模塊學(xué)習(xí)。簡(jiǎn)單產(chǎn)品模型建模課堂設(shè)計(jì)如下:課前讓同學(xué)們組合成6~7人的團(tuán)隊(duì),布置預(yù)習(xí)任務(wù)。同學(xué)們通過(guò)看課件、在線視頻教程、團(tuán)隊(duì)成員討論等方式,完成課前相應(yīng)建模命令的學(xué)習(xí)、實(shí)例的操作、團(tuán)隊(duì)自主作品設(shè)計(jì)(運(yùn)用實(shí)例建模命令,發(fā)揮設(shè)計(jì)思維,自主設(shè)計(jì)作品)。課上,通過(guò)抽簽決定每個(gè)團(tuán)隊(duì)展示作品的先后順序,限時(shí)5 min。由團(tuán)隊(duì)主講人在教室大屏幕前介紹作品的設(shè)計(jì)思路與建模方法,組員對(duì)講解內(nèi)容進(jìn)行補(bǔ)充,其他同學(xué)可根據(jù)自己的想法提出一些建模思路優(yōu)化、命令運(yùn)用優(yōu)化等建議,最后由教師進(jìn)行作品評(píng)價(jià)與建議總結(jié)。全部團(tuán)隊(duì)都展示后,由教師和班級(jí)同學(xué)投票選出最優(yōu)作品,并給予團(tuán)隊(duì)平時(shí)分獎(jiǎng)勵(lì)。這種教學(xué)方式,能夠有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。
(2)實(shí)踐訓(xùn)練
為了更好地發(fā)展學(xué)生的分析能力和設(shè)計(jì)能力,讓每個(gè)學(xué)生選定一個(gè)作品對(duì)象,在規(guī)定的一段時(shí)間內(nèi),利用線上線下資源、課下請(qǐng)教同學(xué)或教師等多種途徑完成作品的測(cè)繪、建模、實(shí)體打印等任務(wù)。學(xué)生可以根據(jù)自身的建模能力選擇不同難度的作品對(duì)象,如表1所示。根據(jù)任務(wù)需求申請(qǐng)使用相應(yīng)的專業(yè)實(shí)驗(yàn)室,學(xué)生可隨時(shí)去實(shí)驗(yàn)室觀看各種教學(xué)模型,在實(shí)驗(yàn)室研究、討論,開展深度學(xué)習(xí)。學(xué)生需先分析產(chǎn)品零件結(jié)構(gòu)特征、測(cè)繪并記錄零件特征尺寸;然后構(gòu)思作品的建模方法,完成產(chǎn)品零件建模、裝配、渲染等操作;提交給教師審核,根據(jù)教師給出的修改意見進(jìn)行模型修改與完善,學(xué)生有問(wèn)題,教師應(yīng)及時(shí)給予指導(dǎo);最后將審核通過(guò)的作品零件模型逐個(gè)導(dǎo)入3D打印設(shè)備,完成零件打印與實(shí)體裝配。在學(xué)期末的時(shí)候,利用1次課進(jìn)行學(xué)生的作品展示與PPT講解作品設(shè)計(jì)心得,相同的作品建模思路越多越好,完成作品模型的建模方法越簡(jiǎn)單、步驟越少越好。由同學(xué)們共同選擇完成度較好的作品置于展示柜,供學(xué)生觀賞與學(xué)習(xí)。
表1 供學(xué)生選擇的作品對(duì)象
(3)反饋-矯正
“掌握學(xué)習(xí)”教學(xué)策略的關(guān)鍵在于反饋-矯正程序,根據(jù)反饋情況和每個(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)困難,提供個(gè)別化的矯正性幫助〔4-5〕。通過(guò)上課前預(yù)習(xí)成果測(cè)試、疑點(diǎn)詢問(wèn)、團(tuán)隊(duì)模型協(xié)作、個(gè)人作品設(shè)計(jì)任務(wù),可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)學(xué)生在不同教學(xué)階段的知識(shí)掌握程度、知識(shí)遷移能力和產(chǎn)品設(shè)計(jì)思維等方面存在的問(wèn)題,提出改進(jìn)措施,督促學(xué)生及時(shí)提升自身能力。
3.2.3 第二課堂
(1)學(xué)科競(jìng)賽
對(duì)于平時(shí)表現(xiàn)較好、作品完成度較好、學(xué)習(xí)成果較理想的學(xué)生,鼓勵(lì)學(xué)生組隊(duì)參加一年一次的校內(nèi)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)競(jìng)賽,推薦校賽成績(jī)較突出的團(tuán)隊(duì)參加省級(jí)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽、全國(guó)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽。運(yùn)用過(guò)程價(jià)值和激勵(lì)機(jī)制達(dá)到以賽促學(xué)、以賽促訓(xùn)、以賽促教的效果。圖4所示的可折疊式袋籠作品和圖5快拆式噴吹管裝置就是學(xué)生參加第十一屆福建省大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽的獲獎(jiǎng)作品。
圖4 可折疊式袋籠作品
圖5 快拆式噴吹管裝置
(2)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃項(xiàng)目
學(xué)校每年都有申報(bào)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃項(xiàng)目的機(jī)會(huì),教師可以鼓勵(lì)那些學(xué)有余力的學(xué)生積極組隊(duì)申報(bào)、參與,以訓(xùn)促學(xué),讓學(xué)生由被動(dòng)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí),從知識(shí)型向技能型轉(zhuǎn)化,不間斷強(qiáng)化學(xué)生的產(chǎn)品設(shè)計(jì)能力。如圖6所示的一種可變截面導(dǎo)流裝置就是學(xué)生參加大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃項(xiàng)目的作品成果。
圖6 一種可變截面導(dǎo)流裝置
(3)作品專利申請(qǐng)
對(duì)于參加學(xué)科競(jìng)賽獲獎(jiǎng)作品的學(xué)生、參加大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目結(jié)項(xiàng)作品較為優(yōu)秀的學(xué)生,或是有較好設(shè)計(jì)作品想法的學(xué)生,教師應(yīng)多鼓勵(lì)這些學(xué)生進(jìn)行作品專利申請(qǐng);在校期間獲得專利成果的畢業(yè)生,更容易得到用人單位的青睞。同時(shí),只要目標(biāo)明確,學(xué)生就更有學(xué)習(xí)動(dòng)力,學(xué)習(xí)效果更好。注重加強(qiáng)實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié),最大限度激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)能力。如圖7所示的煙道除塵裝置既是學(xué)生參加第十一屆福建省大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽的獲獎(jiǎng)作品,也是獲得實(shí)用新型專利證書的作品。
圖7 煙道除塵裝置
Creo課程教學(xué)實(shí)踐證明班級(jí)授課、小組研討、線上-線下、理論-實(shí)踐的混合式教學(xué),提高了教學(xué)趣味性和高效性,促進(jìn)了學(xué)生學(xué)習(xí)的目標(biāo)性和主動(dòng)性。經(jīng)過(guò)該課程的學(xué)習(xí),學(xué)生的知識(shí)遷移能力、產(chǎn)品設(shè)計(jì)思維、自主學(xué)習(xí)能力都得到了提高,學(xué)生對(duì)參加學(xué)科競(jìng)賽、科研項(xiàng)目、申報(bào)專利成果等活動(dòng)的積極性也高漲了,也有了一定的成果輸出。這種將“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念貫穿課程教學(xué)的全過(guò)程,構(gòu)建一系列與當(dāng)代大學(xué)生的學(xué)習(xí)特點(diǎn)和培養(yǎng)目標(biāo)相適應(yīng)的新型混合式教學(xué)模式,能有效促進(jìn)當(dāng)代大學(xué)生的潛力挖掘和個(gè)性發(fā)展,成為合格的創(chuàng)新型卓越工程人才。