KAPIV教育教學理念運用于“3D打印”課程的初步探索

孫竹 劉貴杰 李辰

摘 ? ?要：針對“3D打印”課程內容冗雜、教學方法單一、缺少特色等教學困境，文章圍繞KAPIV教育教學理念，深入探討知識、能力、實踐、創(chuàng)新及品德要素的內涵，梳理出在教學過程中學生需要掌握的知識點、擬達成的能力、實踐教學流程、創(chuàng)新路徑及學生所應具備的良好品德，并以東方紅3號科考船為例進行實踐探索。經檢驗，課程教學初見成效。

關鍵詞：“3D打印”課程；KAPIV；課程改革；工程訓練

中圖分類號：G642 ? ? ?文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1002-4107（2023）03-0059-04

新工科是基于國家戰(zhàn)略發(fā)展新需求、國際競爭新形勢、立德樹人新要求而提出的我國工程教育改革方向[1]。觀念革新、體系迭代、范式轉變、方法多元成為教書育人新的導向。為保證我國工程學子在全球化視野中具有出色競爭力，山東大學孫康寧教授及相關研究者以工程創(chuàng)新人才培養(yǎng)為突破口提出KAPIV教育教學理念，使知識、能力、實踐、創(chuàng)新和品德等要素有機串聯(lián)，以加速學生在學習過程中知識向能力的轉化[2]，為“3D打印”課程改革提供了明確方向。文章基于此，針對課程教學過程中存在的問題，詳細探討教育觀本質及其賦能于“3D打印”課程的核心要義，繼而梳理出學生所需掌握的知識、擬達成的能力、系統(tǒng)的實踐流程、可視化的創(chuàng)新策略及高尚的優(yōu)秀品德，最后以東方紅3號科考船為例進行實踐，凸顯“3D打印”課程優(yōu)化價值。

一、“3D打印”課程教學困境

（一）內容冗雜

“3D打印”課程旨在培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神與實踐能力，提高學生參與創(chuàng)客行動的積極性。課堂上，教師應選擇少而精的陳述性知識，并通過親身實踐幫助學生達成程序性知識的構建，保證所授知識具有良好的導向性。盡管各高校的“3D打印”課程的授課內容有所不同，但幾乎都面臨著冗雜困境，致使理論教學與實踐教學比重失衡，缺少針對性，其原因在于教師過分注重“大而全”的結構知識觀。指出這一原因，并不是否定知識觀本身，而是要明確其在工程訓練實習中開展的困難性，以此引導教師進行知識觀轉變，開展有意義的教學。

（二）教學方式方法單一

近些年，部分高校教師將網上免費模型作為學生作品來源，學生實踐過程普遍聚焦于切片上傳與打印操作。學生坐享其成，不僅喪失了個性化創(chuàng)意的主動構建意識，使得個人創(chuàng)意得不到表達，還導致設計能力得不到發(fā)揮，銷售能力得不到鍛煉，反思總結意識得不到提高。究其原因，主要在于課堂教學方式方法不合理、過于單一，使產品丟失真實生產過程，產品缺少從設計到組裝、銷售，再到反饋的環(huán)節(jié)，教學質量低下的局面由此產生。

（三）特色不明顯

模型是“3D打印”課程的基礎，優(yōu)質的模型不僅有利于學生掌握知識，更有益于激發(fā)學生學習興趣，啟發(fā)學生思維，強化學生情感。通過實際調研、梳理文獻發(fā)現(xiàn)，國內部分高校在實踐教學方面仍未與自身乃至當地特色深入結合，實踐優(yōu)勢難以凸顯。針對這一現(xiàn)象，建議高校實踐項目與開源硬件結合，制作智能模型；也可與高校（當地）特色結合，制作專有模型；還可與紅色教育結合，制作黨的一大會址、紅船、黨徽等愛國主義模型。

二、KAPIV教育教學理念與新改革思考

KAPIV教育教學理念，可以理解為在一定工程情境下開展實踐項目訓練以使學生主動構建知識、能力、實踐、創(chuàng)新、品德之間關系的一種教學觀，其教學載體是實踐項目，核心本質是將知識點、能力指標、系統(tǒng)性過程、創(chuàng)新和品德等要素嵌入項目，對學生進行一體化訓練，使學生具備自我判斷、自我分析、自我批判意識及獨立解決問題的能力。

（一）要義1：知識

通俗來講，知識就是人類對物質精神世界的探索總和。聚焦國外，安德森教授提出知識分類觀，有效解決了學生學習何種知識、學生如何轉化學習知識及知識如何發(fā)展自身智能三者之間的問題。知識分類觀認為知識有陳述性和程序性之分。科學系統(tǒng)的知識觀，應當同時包括陳述性知識和程序性知識，并通過陳述性知識引導程序性知識，借助程序性知識發(fā)展學生的綜合能力[3]。當個體具備某種程序性知識，說明這一個體已經獲得了運用這種程序性知識解決現(xiàn)實問題的能力。當今社會，知識應用遠比知識存儲更為重要。KAPIV教育教學理念下，教師既要為學生傳授陳述性知識，讓學生知其然，也要為學生傳授程序性知識，讓學生知其所以然。

（二）要義2：能力

工業(yè)社會背景下，高等工程教育的人才定位應主動聚焦于培養(yǎng)符合國家戰(zhàn)略且同步于行業(yè)市場發(fā)展的現(xiàn)代工程師，要求畢業(yè)生具備勝任工程活動的各項素質和實力[4]，不僅表現(xiàn)為學生對各類知識的把控運用，也強調學生在完成某一任務時所表現(xiàn)出來的素質。根據能力教育觀，教師應在課堂中重點培養(yǎng)學生的專業(yè)能力、方法能力和社會能力，即將學生對各類知識的把握運用表述為專業(yè)能力，將學生在實踐活動過程中所需要掌握的基本學習、工作方法表述為方法能力，將工作過程中所需要的行為規(guī)范，如人際交往、價值觀取向、職業(yè)道德等表述為社會能力。

（三）要義3：實踐

本質上，實踐就是同步于知識和思考過程的行動流程。真正的課堂，教師應站在教學一線，退居課堂二線，用項目營造自我體驗、自主學習、自由創(chuàng)造的學習氛圍。聚焦國外，美國“學習工廠”模式對高等工程人才實踐能力培養(yǎng)的有效性，已在全球得到認可并被廣泛關注。該模式緊跟產業(yè)發(fā)展實況，將真實制造系統(tǒng)中的工業(yè)生產主體復制到高校工程實踐教學中，并以設計、生產、物流、營銷、服務等無限接近生產環(huán)節(jié)的教學流程作為培養(yǎng)學生實踐能力的核心路徑，充分體現(xiàn)了“工作本位”的育人思想[5-6]。依據本土特征，文章提出將企業(yè)元素無限復制到高校“學習工廠”中，以項目為載體，引導學生從概念構思開始，經過設計開發(fā)、產品實現(xiàn)、宣傳推廣、售后服務等階段，主動實踐，做中學習，獲得系統(tǒng)能力。

（四）要義4：創(chuàng)新

創(chuàng)新本質上就是立異，建立不同。在課堂上運用新興技術手段，充分拓展學生個性思維，創(chuàng)造差異化作品，對工程教育而言，亦是一種革新。想象是一個創(chuàng)新的過程，因為這一過程不受約束；結構是一個創(chuàng)新的過程，因為這一過程簡化不失強度；功能是一個創(chuàng)新的過程，因為這一過程實現(xiàn)學科交叉；教育意義是一個創(chuàng)新的過程，因為這一過程情感迸發(fā)，有利于煥發(fā)課堂感召力。文章充分利用上述創(chuàng)新要素，從產品功能、產品結構和教育意義3個維度進行課堂教學創(chuàng)新，最大化培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和實踐能力。

（五）要義5：品德

品德是一種正直的品性，更是一種素質。良好的品德素質不僅包括思想道德和科學文化，還包括身體、心理和勞動技能。素質是先天遺傳與后天教育共同形成的成果，素質本位下的教育應更加注重培養(yǎng)學生后天看待世界的角度、學習訓練的方式、社會關系的溝通能力及良好的心理建設[7]。工程訓練品德建設是一項形象工程。該工程不僅注重學生在項目實踐過程中的“外在形象”，更注重學生自身隱性的“內在形象”。文章在品德建設方面將同時聚焦學生外在、內在形象，合理梳理形象工程指標點，從根本上加強學生品德建設。

三、KAPIV教育教學理念指導下的改革路徑

（一）擬所需知識

根據系統(tǒng)性制造流程，課程知識需按照創(chuàng)意萌生、創(chuàng)意表達、創(chuàng)意實現(xiàn)、創(chuàng)意推廣的路徑依次進行。為有效發(fā)揮陳述性知識對程序性知識的引領作用，教師在每一生命制造階段緊緊圍繞概念原理進行陳述性知識梳理，并以此為依據點明程序性知識的操作方法，著力培養(yǎng)學生在實踐過程中的動手能力。

基于“雙創(chuàng)”背景，教師為學生科普“三創(chuàng)”概念及其與3D打印的聯(lián)系，引導學生了解創(chuàng)新方法，催生科技創(chuàng)意，參與創(chuàng)客行動。想要萌生的創(chuàng)意落地，則必須搭建表達創(chuàng)意的橋梁，而三維掃描與三維軟件的結合成為學生表達創(chuàng)意的直接工具。創(chuàng)意實現(xiàn)承擔了創(chuàng)意在生命制造周期過程中由虛變實的關鍵一環(huán)。通過這一環(huán)節(jié)，學生開始了解3D打印技術，探索設備結構，通過完整的技術工藝完成產品制作，并面向全校宣傳產品，完成創(chuàng)意推廣，如表1所示。

（二）擬達成能力

文章在歸納學生所應達成的專業(yè)能力方面始終與課程內容保持同步，即以全生命制造周期為核心形成專業(yè)能力第一梯度劃分指標（一般通識、分析設計、動手實踐），并在一級指標引導下進行能力具體指標確定。根據課程教學需要，圍繞通識層面設置文獻查閱、材料選擇、工藝選擇和計劃制定實施能力；圍繞分析設計層面設置空間想象、基本計算、結構優(yōu)化、三維造型和經濟環(huán)保分析能力；圍繞動手實踐層面設置操作加工、安裝調試、修改糾正和產品實現(xiàn)能力。此外，從學會學習和學會工作視角形成集組織協(xié)調、獨立決策、跨界整合、問題解決和終身學習于一體的方法能力指標，并從個人品行和工程素養(yǎng)方面梳理出社會能力指標，包括語言表達、自主學習、自我反思、情感審美、價值判斷、團結合作、溝通協(xié)調、安全規(guī)范、適應調節(jié)、社會責任等，具體如表2所示。

（三）擬實踐流程

國內高校將美國“學習工廠”模式進行本土化改革，形成草圖策劃、結構設計、開發(fā)研制、修改完善、宣傳推廣和售后服務6個階段的課程教學流程，力圖培養(yǎng)學生從草圖概念到售后服務的整個系統(tǒng)性能力（圖1）。

草圖策劃是全生命制造周期的初始階段。這一階段，學生以草圖形式策劃產品外形，表達設計理念，并在教師的指導下優(yōu)化創(chuàng)意實施路徑。然后進入生命制造周期的關鍵階段——結構設計。為保障結構設計的順利進行，教師應全程參與學生設計過程，并對學生設計做出全面指導，直至呈現(xiàn)完整的三維立體效果。開發(fā)研制和修改完善是創(chuàng)意實現(xiàn)過程中的雙主體。這一階段，學生自主制作產品原型，并對不足之處做出修正，形成合格產品。產品制作完成后，由學生自發(fā)組織宣傳推廣產品，擴大成果影響。最后，在一定時間期限內為產品提供維護和售后服務，提高用戶對產品的滿意度。

（四）擬創(chuàng)新途徑

1.立足產品功能創(chuàng)新

受新一輪工業(yè)革命推動，現(xiàn)代產業(yè)已發(fā)生根本性變化，以傳統(tǒng)單一機械結構產品為主要制作方法的實踐教學難以使學生具備行業(yè)所需的工程能力。對此，高校立足產品功能創(chuàng)新，突破原有教學的機械化特征，使產品與智能硬件結合并形成智能化創(chuàng)意產品，發(fā)揮產品實用功能，成為“3D打印”課程的新追求。以功能創(chuàng)新為起點，就是要從機電結合的視角出發(fā)，探索集機械控制功能于一體的智能化產品，如智能音響、智能臺燈等。

2.立足產品結構創(chuàng)新

一個產品，無論是將外觀還是內部結構作為設計出發(fā)點，都不應煩冗復雜。結構創(chuàng)新，就是要堅持從簡，從自身專業(yè)出發(fā)設計結構合理且滿足使用要求的產品。工業(yè)設計和機械設計制造及其自動化是擁有結構設計優(yōu)勢的兩大專業(yè)，因此，學生在實踐過程中應在兩大專業(yè)的混合優(yōu)勢下努力突破產品傳統(tǒng)結構設計壁壘，優(yōu)化產品結構方案，做到精簡而不失強度。值得注意的是，不同高校兩大專業(yè)培養(yǎng)傾向不同，所以，兩大專業(yè)的混合優(yōu)勢應以當地或本校特色為主體，依據其優(yōu)勢特點進行，并使產品結構盡可能精簡。

3.立足教育意義創(chuàng)新

模型是強化學生思維意識，發(fā)揮教育影響的物化成果。具有良好導向的模型能夠從根本上發(fā)揮教育意義顯性價值，如南湖紅船（紅船精神）、天宮空間站（不懈探索精神）、東方紅3號科考船（海洋強國精神）。立足教育創(chuàng)新，要堅持思想政治教育與特色教育并舉，以思想政治教育為引領，走紅色基因教育之路，帶領學生學習黨史，制作紅色教育作品，感悟紅色革命精神；以特色教育為引領，走海洋科技強國之路，制作海洋特色作品，培養(yǎng)學生不畏艱苦的科技強國精神，使學生成長為心系國家、社會的接班人。

（五）擬養(yǎng)成品德

相關研究認為，一個人的品德表現(xiàn)會以其特定背景下的實際行動為依據。為強化學生素質，“3D打印”課程將同時專注品德內在和外在，全面培養(yǎng)學生的現(xiàn)代工程師形象，將需要遵守的安全意識和文明操作，納入學生外在范疇。

學生內在形象更契合品德的本義，強調的是學生在實踐過程中由內而外散發(fā)出的良好品質，如民族精神、團結協(xié)作意識及積極向上的心態(tài)等。聚焦現(xiàn)代工程師外在形象，根據“3D打印”課程教學實際，將勞保衣著穿戴、工量具擺放、設備文明操作、工作臺面清理和設備應急處理等指標納入培養(yǎng)范疇；聚焦內在形象，將愛國主義、團結合作、以身作則、組織協(xié)調、自主探索、積極向上、社會責任等作為核心育人指標，培養(yǎng)學生正確的行為價值觀，使學生思想境界有所提高。

四、KAPIV海洋底蘊項目實踐——東方紅3號科考船

（一）項目制作要求

在國家大力發(fā)展海洋戰(zhàn)略的時代背景下，文章以機械設計制造及其自動化專業(yè)為實驗對象，通過海洋實踐項目——東方紅3號科考船，對學生進行KAPIV一體化訓練，使中國海洋大學學生不僅切實體驗到項目中所蘊含的“東方紅”精神，更能將心中的愛國之情轉化為推動國家海洋戰(zhàn)略發(fā)展的強勁動力，具體制作要求如下。

實踐項目：東方紅3號科考船。

制作要求：以小組為單位，在教師指導下完成東方紅3號科考船的制作。

1.東方紅3號科考船采用PLA材料，支持多種顏色打印。

2.采用正逆向混合設計方法完成科考船船體三維結構。

3.船體結構要求以東方紅3號原型為基礎，同時支持船體元素創(chuàng)新。

4.船體最小尺寸不低于150×30×75mm，最大尺寸不超過300×60×150mm。

5.支持3D打印、PLA材料、丙烯顏料等各類資源篩選使用。

（二）項目實踐過程

開課之前，課程負責人根據學生基礎水平將學生劃分為若干小組，并為小組指定助教，由助教參與整個項目制作過程。按照系統(tǒng)性制造過程，東方紅3號科考船項目實際授課32學時。從創(chuàng)意萌生到創(chuàng)意推廣的每個階段，由課程負責人講授陳述性知識，助教講授程序性知識，其中課程負責人所授陳述性知識分別為1學時、2學時、2學時和2學時，助教所授程序性知識分別為3學時、12學時、8學時和2學時，總計陳述性知識7學時、程序性知識25學時。在授課過程中，學生秉承做中學理念，以合作探究方式萌生創(chuàng)意，繪制創(chuàng)意草圖，形成初步構想。隨后進入創(chuàng)意表達階段，由助教組織協(xié)助學生進行結構設計，形成完整三維實體，并將其轉變?yōu)?D打印數據格式，為下一階段創(chuàng)造條件。學生通過自主切片、操作3D打印機完成支撐產品輸出，形成完整作品。最后，學生通過自發(fā)性活動向全校推廣、宣傳和出售，并做好售后服務工作。

（三）項目產出成果

學生圍繞東方紅3號科考船項目進行實踐。項目實施結束后，教師對部分學生進行了訪談，了解項目實施效果，學生表示課堂富有實踐感染力，能夠將學過的理論知識運用于實踐，對動手能力的提高具有顯著效果。項目實踐效果如圖2所示。

文章基于KAPIV一體化教育教學理念，深入分析了知識、能力、實踐、創(chuàng)新、品德5個方面的核心要義，梳理了“3D打印”課程中學生需要掌握的知識、擬達成的能力、完整的實踐流程、可視化的創(chuàng)新途徑及養(yǎng)成的品德，最后以蘊含中國海洋大學特色的海洋底蘊項目——東方紅3號科考船為例進行了實踐。實踐證明，課程改革初見成效。

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編輯∕陳晶

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

作者簡介：孫竹（1995—），女，山東濰坊人，中國海洋大學工程訓練中心助理實驗師，研究方向：高等工程教育和增材制造技術。

基金項目：2021年度中國海洋大學本科教研重點項目“新工科背景下工程實訓教學模式及體系構建與實踐”（2021

ZD12）、一般項目“能力本位工程實踐訓練體系建設”（2021JY099）