基于Kolb循环与4MAT模式的林业工程类计算机辅助设计课程规划——以东北林业大学为例

战剑锋

(1.东北林业大学材料科学与工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040；2.生物质材料科学与技术教育部重点实验室(东北林业大学)，黑龙江 哈尔滨 150040)

数字化、网络化、智能化是21世纪初人类社会发展的重要特征，大数据与云计算产业的繁荣为计算机工程技术人才培养提供了极大的便利与挑战，迫切需要高校教研人员重新思考与审视工程应用类人才的培养模式与实现途径。“计算机辅助设计”是东北林业大学林业工程类本科教学的选修课程，在培养学生工程实践基础、提升专业知识-技能综合运用能力、实现应用型卓越工程技术人才培养目标等方面发挥着重要作用。在近年来的计算机辅助设计教学实践与方法研究中，笔者对“基于任务导向的合作型课堂教学”、“基于项目学习法的实践教学”等教学理论与策略进行了探索与开发，这些教研活动在调动学习热情、巩固实践动手能力等方面取得了成效[1]。

随着理论-实践授课环境的信息化、数字化、网络化发展，带来了教学设施的稳步提高与教研改革的推广延伸，课堂整体学习效果也得到改善。但是 00后学生个体在学习习惯、学习动机间存在差异性，现实中显示部分学生的学习效果不够理想，客观上要求教师调整教学风格与革新授课策略，适应学生个体的学习风格[2]。

基于教育学、心理学、认知科学、神经学、管理科学等学科间的交叉融合研究，国内外教育教学人员在教学理论实践与学习模型研究等领域进行了大量的探索分析，其中Kolb学习模型与4MAT教学体系(模式或模型)是最具代表性、被广泛转载的学习方法理论[3-5]。

Kolb 认为，人类知识的产生源自于现实经验的理解与转化过程[6]。Kolb学习模型由两条正交坐标轴“信息感知”(perception)、“信息处理”(processing)组成，分别代表“主体如何将客体事物引入？”、“主体如何将客体处理成自身的一部分？”。信息感知函数的两端为“实体经验”(concrete)、“抽象概念”(abstract)，具体为，一部分人倾向于从实体感觉角度来感知事物(如看、听、接触)，而另一部分人倾向于从抽象分析角度来感知事物(如概念、想法、符号)，任何个体对外界事物的感知方式就存在于感知坐标轴的特定位置。个体对信息的加工处理方式则存在两个极限端，即“主动实践”(active)与“深思观察”(reflective)，二者分别位于信息加工函数的两端。基于正交分布的感知坐标轴与处理坐标轴，Kolb确定了四类学习者，即①实体经验+沉思观察=想象型、②沉思观察+抽象概念=解析型、③抽象概念+主动实践=常识型、④主动实践+具体经验=动力型[7]。通常情况下，具有上述四类学习风格的学习者在面对一个学习任务时分别提出如下四个问题：①“Why？”，②“What？”，③“How？”，④“What if？”。这些问题顺次组合后，代表着在一个新概念学习过程中典型内部结构模式。

对于大多数高等工程教育者而言，在其特定研究领域的学位论文工作中已经了解、掌握、精通了如何回答上述这些问题。然而，在目前高等工程教育本科环节中，如何教育、引导学生自己创造性地回答上述学习问题仍是一个现实挑战。简而言之，要实现这个目的，教育者需要根据学生的特定学习风格来提供差异化的学习方案。

基于上述的Kolb学习理论与大脑认知模式理论，McCarthy 提出了著名的4MAT学习模式。一个优化的学习过程需要顺次通过学习循环圈的四个象限，4MAT教学模式图如图1示。在学习循环过程中，直接经历产生学习需求，并转化为经验的沉思观察；伴随着抽象概念引入，直接经验被归入已知的事实；经历经验整合后，导入实践验证环节，并由此产生新的认识体验；一个学习循环的结束意味着回答了前述的四个问题。根据实际情况，这种学习循环过程可以重复进行[4]。

图1 4MAT教学模式图

在高等工程教育中融入Kolb学习循环机制需要重点考虑两个任务。首先，教学方案的设计与实施需要使不同学习风格的学生均有所体验、有所收获。因此，需要在学习循环圈内四个象限区布置差异化的活动内容；此外，在教学过程中指导学生自主地驾驭整个学习循环(自学)。灵活地运用学习循环机制既可改进教师教学能力，还能引导学生提升自主学习能力。

1 Kolb学习循环的教学目标定位

1.1 第一象限区

在执行基于4MAT教学模式的课程案例之初，授课者要巧妙地引导学生了解本课程模块的主题方向，使学生对拟引入的技术材料产生疑问(WHY？)[8]；授课者可以为教学环节设定学习目标(或技术等级)，并与学生共享之。学习主题的引入要和学生学习经历建立关联，使学生在新引入信息与过往处理信息之间确立逻辑链接，明确本环节背景信息的意义，强化信息处理利用能力。Kolb学习循环框架如图2所示。

图2 Kolb学习循环框架

在本环节教学实践中，授课者的主要身份应定位于激励者(MOTIVATOR)，引入新背景信息时应营造出“激情四射”的场景，尊重学生能力，引领学生积极融入信息背景中。

1.2 第二象限区

学生进入本环节后需要查找事实资料，为下一步处理问题作铺垫，映射在学生头脑中的问题是“什么”(WHAT？)。授课者，尤其针对工程技术领域而言，需要将本教学模块涉及的理论或技术核心点传递给学生。在授课中，合理组织新的信息，注重逻辑关系，使之与学生已学习材料整合；为学生(特别是②类学习者)提供沉思观察的时机，避免产生信息饱和堆积[3]。

由此可见，在本环节内，授课者的主要任务可于专家学者(EXPERT)，为学生提供适用的理论技术专长信息。

1.3 第三象限区

本阶段学生需要面对的问题是“如何完成这项工作”(WHY？)。他们将放下指导手册材料，拿起计算机程序工具，自主面对任务，处理技术问题。授课者需要帮助包括③类学习者在内的所有学生获取工作经验(经历)，具体体现在如下几点：为学生实践应用活动提供场景、时机；引导学生建立适用的问题处理模式；确保学生学习环境的安全性。

授课者在本环节中需要执行教练员(COACH)的职责，指导学生主动积极地完成所学理论、知识、技能的应用。

1.4 第四象限区

在学生进入到4MAT教学模式的最后一个学习阶段时，所有人员均经历了①“实体经验+沉思观察=想象型”、②“沉思观察+抽象概念=解析型”、③“抽象概念+主动实践=常识型”三种学习风格者适用的背景-概念-实践教学环节。包括④类学习者在内的所有学生均会产生“如果学习并掌握了上述内容，那么下一步可做些什么拓展型的新工作呢？”的问题(WHAT IF？)。在本环节需要面对的任务是：为学生提供自我探索-发现的背景环境与时机；为学生提供分享自我探索-发现成果的平台；为所有学生的总体表现做出客观分析评价。

由此可见，在最后一个学习环节中，授课者已经将工作平台交给所有学习者，授课者的主要角色是不要充当“主要角色”，而是执行裁判员(REFEREE)的职责，以评价者(EVALUATOR)、纠错者(REMEDIATOR)的身分，观察学生表现、评价学生能力、纠正学生偏差。

2 Kolb学习循环在计算机辅助设计课堂教学中的实例分析

根据计算机辅助设计的课程特点，Kolb学习循环模块的架构可以针对一个课时(50 min)或一次授课(100～200 min)；一个4MAT学习周期可以在教室环境实施，或者延伸到课后作业与课外实践活动。在日常授课中执行4MAT教学模式时，可以采取常规教学手段(提问、讲座)与精巧构思的活动(实物、真人、场景复原)结合，营造具创新性、趣味性学习氛围，激发学生兴趣，激活学习动力。

本课程案例以移动通信终端产品外保护(装饰)壳的构思、设计、虚拟演示为设计背景，拟设定在第3教学周实施，计划用2个学时完成。在本教学案例实施前，学生经过前两周8个学时的学习，了解了通用计算机辅助设计软件界面、基本功能，掌握了二维工程绘图基本指令，为学习简单三维模型构建奠定了学习基础。

2.1 背景讨论—第一象限区

步骤一：由校园学习环境内的数字化、网络化、智能化发展态势引出移动通信终端产品(移动电话、平板电脑等)在日常生活中的重要性，引导学生将注意力转到日常使用最频繁的物品—手机，组织学生小范围内讨论手机—学习二者的关系。

步骤二：从人体工程学角度启发学生如何健康、高效地利用手机，如何根据个体的个性化需求，为手机设计一个兼具保护、装饰功效的外保护壳。

2.2 知识传授—第二象限区

步骤三：了解学习任务，使学生知道本课程模块内要学习的知识点，明确“计算机—辅助—设计”中“设计”具体要求。指导学生基于自身人体静态-动态功能尺寸知识，在草纸上构思设计对象的三维形状、尺度因素。

步骤四：引出本课程模块的学习任务—通用三维设计软件SketchUp®，充分利用多媒体教学手段演示软件界面、基本操作，通过动态演示手机保护壳的设计步骤(二维设计、三维构建、材质纹理等)，将软件的功能强大、简单易学、虚拟乐趣等积极要素展示给学生。

2.3 督促操练—第三象限区

步骤五：在SketchUp®的技术平台下，启迪学生启动学习迁移策略，在熟悉软件界面与基本操作过程中，快速回顾AutoCAD®平台的界面与操作技能，快速熟悉SketchUp®的基本操作习惯。在这个过程中，要对该软件的二维绘图、三维空间拓展操作进行必要的点拨，使学生熟悉运用“拉伸指令”(EXTRUDE)建立起简单的手机三维模型，本步骤的关键在于学生对所学知识的拓展和灵活运用。

步骤六：利用SketchUp®的编辑三维设计、编辑、材质修饰(“Tray”)指令，完成手机保护壳草图的三维模型构建，完成产品三维造型、纹理细节的勾画，在过程中要大胆地对学生进行鼓励，使之尽快产生设计成就感，培养学习兴趣。在软件操作过程中将前面所学的AutoCAD®知识点及其具体应用进行总结、归纳、提炼与整合，强化知识技能签约加深效应，做到“既要摘到西瓜，又要留住芝麻”。巩固学生所学的知识点，真正把知识变成自己的东西。充分利用SketchUp®的三维动态展示模块，形成基于自己设计方案的三维虚拟现实动画，在小范围内互相交流，为下一步“自我发现”做铺垫准备。

2.4 自我发现—第四象限区

步骤七：在学生自主动手完成手机保护壳三维虚拟方案后，教师应适时对学生整体表现进行点评，借助归纳AutoCAD®软件与SketchUp®软件技术关联点环节激励学生提高自主学习探索能力，在“学-用-玩”过程中自主地了解、掌握、探索计算机辅助设计技术。要求学生将前面所学的知识点及其具体应用进行总结、归纳、提炼与整合。鼓励学生进行创新，让学有余力的学生利用AutoCAD®软件，自己动手设计数码产品的工程三视图，并用SketchUp®软件对CAD二维图纸文件进行简单的三维拓展建模。

步骤八：综合学生在以上步骤的表现，教师遴选2～3位同学的设计方案，采用产品发布会的形式让学生介绍、宣讲设计初衷、产品特色、实现路径。教师最后进行点评，肯定学习实践成果成绩，提出下一步努力方向，引导学生进入下一轮学习。

3 4MAT教学模式在计算机辅助设计专业实践教学中的实例分析

“木材干燥学”是东北林业大学木材科学与工程类专业普遍开始的一门必修课，在构建本专业学生合理知识结构中扮演着重要作用，按照教学计划安排，该课程早于计算机辅助设计一个学期开始。本案例将以“木材干燥室工程设计”为背景，结合项目教学法原理，扼要介绍4MAT教学模式在“木材干燥室计算机辅助设计”中的应用案例。

项目(案例)教学法采取“以项目为主线、教师为引导、学生为主体”的思路，由指导教师给出项目(任务)总体框架，学生需要独立地完成信息收集、方案设计、项目实施[1]。通过构建任务型课程体系，实施项目过程的全程跟踪教学，可以培养学生独立从事工程设计开发能力[9]。本案例被安排在课程进行到5～6周后开始实施，属于课内实践教学，可以安排在参观企业生产设施后进行，总学时为4学时。

3.1 实践观摩～背景讨论—第一象限区

步骤一：结合木材干燥设备制造企业现场参观、现场教学，引导学生思考问题：“木材干燥室在木材工业中的作用？”，“木材干燥室的主要结构形式？”，“加工组装一间金属结构木材干燥室主要需要哪些零件、部件，涉及到哪些工业原材料？ ”。

步骤二：教师预先根据学生的整体知识基础、学习态度、动手能力，对学生群体分成高、中、低三个等级。将一个教学班分成6个小组(5 ～ 6人)，分别负责木材干燥室墙体(壳体)、大门系统、加热调湿系统、通风循环系统、木材材堆、地基结构6个模块。每个小组成员应涵盖上述三种状态的学生，并指定一名学习兴趣浓厚、认真负责的同学担任组长，。

3.2 知识传授—第二象限区

步骤三：结合6个功能模块，明确设计任务，了解本课程模块内要掌握的知识点，明确“计算机—辅助—设计”中“设计”具体要求。指导每个小组基于理论计算公式—实践测绘数据，在草纸上构思设计对象的三维形状、二维结构、技术尺度因素。

步骤四：结合AutoCAD®平台展示木材干燥室墙体(壳体)、大门系统、加热调湿系统、通风循环系统、木材材堆、地基结构6个模块的工程实践技术图纸，使学生的技术思维轨迹跨越工程技术图纸—三维空间动画模型—现场实景图片三个环节，对木材干燥室的结构、零部件、原材料有充足的感性认识。

3.3 督促操练—第三象限区

步骤五：在AutoCAD®平台下，充分利用该软件的二维绘图、编辑修改、技术标注功能，完成6个功能模块的草图分析、零件图绘制、部件图绘制、结构装配图编制任务，本步骤的关键在于学生对所学知识的拓展和灵活运用，既涉及到计算机辅助设计软件三大功能模块的灵活应用，还需要结合木材干燥专业理论与实践技能，培养学生运用所学专业知识、实践技能来处理工程技术问题。

步骤六：利用SketchUp®的编辑三维设计、编辑、材质修饰指令，完成6个功能模块草图的三维模型构建，完成技术方案的三维造型、纹理细节的勾画，在过程中要大胆地对学生进行鼓励，使之尽快产生设计成就感，培养学习兴趣。在以上六个步骤的工作基础上，6个小组需要各自派出1～2名代表，在SketchUp®的平台下完成6个功能模块的组装调试任务，并致力于形成三维虚拟现实动画素材的雕琢、完善。

3.4 自我发现—第四象限区

步骤七：在学生自主动手完成木材干燥室二维工程技术图纸与三维虚拟方案后，教师对各组学生整体表现、组间交流配合环节分别进行点评，结合木材干燥学相关知识点并借助归纳AutoCAD®软件与SketchUp®软件主要技术关联点环节激励学生创新思维。要求学生将前面所学的知识点及其具体应用进行总结、归纳、提炼与整合。鼓励学生进行创新，让学有余力的学生利用AutoCAD®软件，尝试进行木材加工、家具设计、建筑材料等技术领域的产品设计分析，并用SketchUp®软件对CAD二维图纸文件进行简单的三维拓展建模。

步骤八：综合各组学生在7个步骤的表现，教师在综合学生整体表现，遴选2～3同学采用产品发布会的形式让学生介绍、宣讲设计初衷、产品特色、实现路径。教师最后进行点评，肯定学习实践成果成绩，提出下一步努力方向，引导学生进入下一轮学习。

4 结束语

教学是一种人类社会特有的人才培养活动，既是一门科学技术，又是一门具有遗憾的艺术，这就决定了教学改革与实践是一项永远在路上的探索过程。本文将项目学习法原理应用于林业工程类计算机辅助设计教学，充分学习、借鉴了Kvolb学习循环与4MAT教学模式，设计任务型课程，实施任务型教学，激发学生学习兴趣，致力于实现卓越型工程人才培养目标。

在今后的实践探索中，还需要学习借鉴脑科学认知理论，在4MAT模式教学实践中充分开发学生大脑学习潜力，扩展适用于林业工程类学生的项目学习类型，着重培养学生应用计算机理论与应用技术来解决专业领域实践问题。