讓創意由“虛”到“實”

王歡

【摘 要】 基于inventor的3D創意課程可以使學生不拘于泥傳統的加工方式，更加高效地進行創意設計和制作，并不斷進行改進，最終實現作品。在此課程中，使學生創新素養各個方面得到一定的鍛煉，促進其全面發展。

【關鍵詞】 inventor；3D打印；創新素養；課程設計；教學實踐

【中圖分類號】 G632.4 【文獻標識碼】 A 【文章編號】 2095-3089（2016）36-00-02

引言：

請問喬布斯是創新人才么？答案肯定是！馬云建造了龐大阿里巴巴帝國，市值上千億，請問他是創新人才么？無疑也是！那問題出來了，他們的創新素養是培養的結果么？肯定不是！人本身生來就具有創新素養，就像一片沃土需要開發出來。

高中生的創新素養包括創新人格與創新能力。創新人格由創新意識、創新情感、創新意志組成。創新能力則由創新思維、創新技能、創新知識組成。圍繞著這眾多的成分， 能否設計一門課程， 讓學生在參與這門課程的學習過程中， 創新素養的諸多方面都得到較為全面的開發？[1]而當下越來越成熟的3D打印技術和相關的三維設計軟件為此提供了一個契機。

3D創意設計課程是以三維設計軟件和3D打印機應用為主的課程。此課程以專業三維設計軟件的學習為基礎，學生根據設計要求進行探究式設計，并應用3D打印機將設計模型實體化的學習過程。3D打印技術以及相關設計軟件應用于教學活動可以為師生提供充足的互動空間，通過設計任務調動學習者的參與積極性，利用軟件進行設計測試，最終利用3D打印機制作模型進行驗證，實現對整個設計過程的深刻反思。教師從知識權威轉變為學習者學習的促進者，引導學習者應用習得的知識來解決“現實”問題。[2]讓虛幻的知識、想象和設計，轉化為實實在在的、可見的三維模型和實物。

一、inventor軟件和3D打印概述

1、Inventor 簡介

現在的3D設計軟件很多，一些軟件上手容易但是功能簡單，一些軟件雖然能完成較復雜的設計但是學習困難，結合以上一些考慮我校使用inventor軟件進行教學。

inventor是美國AutoDesk 公司于 1999年底推出的三維參數化實體模擬軟件。Inventor 軟件被廣泛應用在機械設計、工業設計、輔助制造等領域。inventor的草圖技術、直接建模、零件造型、扳金技術、工程圖和表達視圖動畫等。該軟件界面簡單、人機交互功能好，具有很強的實踐性，已經在社會上的許多領域中得到了廣泛應用。而中學生本身的特點是沒有相關學習基礎，由于是選修課缺少學習的耐心，Inventor功能強大，容易上手，所以很適合學生學習。[3]

2、3D打印技術簡介

“3D打印技術 （3D Printing） ” 起初僅是縱多 “快速成形技術（Rapid Manufacturing） ” 分類中的一種。隨著快速成形技術在全球各行業中的持續升溫， 為了便于理解和推廣，傳媒界及民用領域普遍將快速成形技術形象的統稱為“3D打印技術”。其技術原理是，先在計算機中生成零件的三維實體模型，然后將模型按一定厚度分層切片，即將零件的三維形狀信息轉換成一系列的二維輪廓信息，最后在數控系統的控制下，通過噴頭的精確運動可逐層成形目標零件。這種基于“增材制造 （Additive Manufacturing）”的原理是制造技術發展史上革命性的進步，該方法與傳統的材料去除加工法截然相反，通過增加材料即可直接制造與相應數學模型完全一致的三維物理實體模型。[4]

二、基于inventor的3D創意課程開發學生創新素養的科學性

1、體驗學習理論

體驗學習理論認為教育的目標是在知識獲得的過程中激勵質疑和鍛煉技能，而不是去記憶知識本身，學習是體驗的轉換并創造知識的過程。杜威曾經說過，社會知識是先前人類文化經驗的客觀積累，而個體知識是個人主觀生命經驗的積累，知識就是在被稱為學習的過程中實現客觀經驗與主觀經驗之間的轉換，即“做中學”。[6]

inventor設計軟件可以快速呈現設計者的創意，并模擬現實的應力分析和運動，生成的文件可直接用于3D打印生成實物。這種學習過程，使學生以項目為引導，應用inventor設計軟件和3D打印機為媒介，與已有的知識經驗建立聯系，在團隊協作中完成學習過程。

2、經驗之理論塔

“經驗之塔”是由美國視聽教育家戴爾在《教學中的視聽方法》中提出的，該理論把學習內容劃分為三個大類的經驗：做的經驗、觀察的經驗和抽象的經驗。 [2]

Inventor和3D打印機可以讓學生的抽象設計轉變為具體實物，獲得“做的經驗”；學生要設計必須仔細觀察生活環境，得到啟發進而進行創意，并將創意立體化為三維實物，獲得“觀察的經驗”；同時學生還需要將自己的作品展現在他人面前，做語言類的解釋和交流，并對相關領域進行進一步的探究學習，獲得啟發完善作品，提高思維能力，獲得“抽象的經驗”。

三、基于inventor的3D創意課程教學實踐研究

1、教學對象的改變

“all men are created equal”，人生而平等，卻生而不同，我們不得不承認學生個體的差異化。而教育的一個主要功能是確立學生學習態度和學習目標，使學生樹立正確的學習態度，激發他們的求知欲，提高他們有效的學習技巧（體驗學習）。基礎教育針對所有學生，但是由于個體的差異，所有學生使用相同的教學內容和方式顯然是不妥當的。

我校開設了多門不同的科藝專項課供學生進行自由選擇，學生首先根據自己的興趣和愛好選擇專項課程。每門課選課人數在20人左右，小班化教學保證了教學質量，同時通過選課制作將學生進行了劃分，這部分學生在興趣、特長趨于同質，利于具體專項課的展開，教師研究這一小部分學生的需求即可。

2、開放的課堂環境，引導學生進行自主創意。

創意源于發現問題，問題源于自己的本能，但隨著年齡的增長，生理和心理特征因素，特別是受后天的環境影響，將這種本能逐漸隱性化。我們發現，三年級以前的孩子，每天都有問不完的問題。可進入高中的課堂基本上沒有學生問題的存在。所以首先要讓學生處于一個相對輕松開放的課堂環境，讓他們“發現問題”的本能顯性化。

頭腦風暴的方式是比較有效的方法。頭腦風暴何以能有效激發創新思維？1、聯想是產生新觀念的基本過程，每提出一個新的觀念，都能引發他人的聯想。2、在不受任何限制的情況下，集體討論問題能激發人的熱情。3、人類有爭強好勝心理，在有競爭意識的情況下，人的心理活動效率可增加50%或更多。4、頭腦風暴法有一條原則，不得批評倉促的發言，甚至不許有任何懷疑的表情、動作、神色。這就能使每個人暢所欲言，提出大量的新觀念。

案例一：課堂片段——創意的重要性

師：我們今天的課就是從問題開始的，首先看第一個問題！（ppt播放問題一：什么可以讓一個人的一次性盈利超過14億？）

（學生七嘴八舌地討論起來）

生A：做生意！

生B：炒股票！

生C：搶銀行！（其他同學紛紛大笑）

……

師：下一個問題！（老師并沒有指責答“搶銀行”的學生，而是繼續提問：什么可以讓一家公司的一次性盈利超過100億？）

生：（學生依舊熱烈討論著，略）

師：下一個問題！現在國外企業主要通過什么掠奪我國財富？

（學生的表情開始凝重起來，認真思考）

生：科學技術

生：專利！（幾位學生不約而同地回答，其他同學恍然大悟）

3、項目引導，任務驅動

項目學習（Project-baseD Learning，簡稱PBL）指的是一套能使教師指導學生對真實世界主題進行深入研究的課程活動，具體表現為構想、驗證、完善、制造出某種東西。在inventor 3D創意課程中，學生主動學習研究完成項目所需的多個學科領域的概念和原理，并在一定時間內解決一系列相互關聯著的問題的一種新型的探究性學習模式。

1）學期項目制

A、自由項目制

學期伊始每位學生確立自己的課題項目，搜集相關資料，并學習掌握完成項目所需要的技能。第一學期由于學生剛剛接觸這門課程，沒有技能基礎，所以我們給學生的課題范圍是開放式的，學生自由選題，并最終根據自己的技能水平制作出相應的作品，可以復雜也可以簡單，只要能體現自己的設計創意即可。[5]

創意是沒有約束的，但是創造實踐很快就會把學生拉回現實，這個創意我能做的出來么？做出來有實用價值么？學生在不斷制作的過程中修正自己的設計，否定那些不切合實際的想法，最終的設計既要新穎，同時還要經得起推敲，而且這個實用價值不是學生自己說的算的，期末每位學生會展示并介紹自己的作品，其他學生會根據新穎和實用性等方面進行提問，不通過問答環節還要繼續完善作品。

案例二：學生第一學期的創意作品舉例

B、命題項目制

由于學生已經掌握一定的設計技巧和技能，第二學期會結合相關競賽進行命題項目制。命題項目相對自由項目會提高難度，由于要參加比賽，項目的新穎性、科學性、實用性都要考慮得更加全面，同時根據比賽設置短期課堂和長期課題。

例如，在歷屆上海未來工程師大賽中都有一項“計算機三維設計”，每屆都有一個設計主題。學生根據設計主題確立一個短期課題，設計一個相關作品參加比賽。

案例三：2014年“上海市未來工程師”一等獎獲獎作品

例如，在全國中小學電腦制作活動中有高中組3D創意設計項目，每屆都有一個設計主題。學生根據設計主題確立一個長期課題，如果學生進入市賽和國賽，長期課題往往要持續半年甚至更長時間，不拘泥課堂，學生需要投入更多的精力和時間，學校也會給學生提供相關指導。

案例四：2014年全國中小學電腦制作活動高中組3D創意設計項目全國二等獎作品

作品名稱：Smartwave

設計要點：設計結構、霧霾吸收技術、駕駛技術、多種傳感系統、汽車云技術、汽車能源技術、汽車娛樂技術、汽車商務辦公。

2）課課項目化

設計中創意固然重要，但是也無法脫離具體的軟件操作。軟件學習過并不是簡單快樂，而是枯燥艱難的，例如inventor軟件雖然入手比較容易，但是真正運用得心應手還是需要付出一定的努力。

目前Inventor教材大都是基礎教程，單獨講命令使用，范例較少，不利于學生興趣的培養。根據這一情況根據每節課所要講解的命令要點，設計相應的教學案例。案例基本都是學生熟悉的生活常見用品，既熟悉又親切。同時下節課的案例再在此基礎上繼續深入學習，這樣循序漸進，幫助學生建立自信心。

在軟件教學過程中，多數以教師演示學生操作練習的方式為主，而這樣學生的自主性較差，由于學生之間的接受程度不同，一些學生感覺教師講解太繁瑣，另外一些學生則吃不透，影響課程進度。基于此種情況，教師在明確一節課的項目任務后，下發學習資料，包括文本和視頻，以視頻教程為主，給予學生更多的空間和時間自主學習，根據自己的實際情況學習，有疑問尋求同學和教師的幫助，群體性問題、重難點教師集中講解的方式以達到教學目標。

案例五：課堂練習作品舉例

4、使用inventor的應力分析功能進行大數據分析探究

學生項目以模型設計居多，但要將設計真正應用不可避免地要進行具體測試，也就是應力分析。在inventor中集成了著名的ANSYS公司的有限元分析模塊（Stress Analysis）的子集，它的應力分析功能是在Inventor零件環境（普通零件、鈑金零件）的模型上使用添加工況后，計算應力應變、估算安全系數和頻率特性…

應用此模塊以可在設計過程隨時對零件進行靜力學基本分析和動力學的模態分析。軟件模擬可以快速取得大數據信息，學生通過對數據的分析取得相對較優的設計模型，在這樣一個信息爆炸的時代，讓學生接觸數據分析，掌握基本技能和思維方式非常必要，實現從數據到信息，到知識，最終到智慧的轉化。

不僅如此，使用這個方法還可以指導其他加工模型方式，例如每屆未來工程師大賽都有橋梁稱重項目，通過此軟件設計橋梁結構，并使用應力分析方法進行測試，極大地提高了效率。

四、結束語

愈來愈多的國家和地區開始重視3D打印在教育領域的應用，并開始探索著這方面的研究，例如美國英國早已經做過相關嘗試。不過由于3D打印技術成本、材料等問題，走進課堂還需一段時間，但是三維設計軟件卻不存在這些問題，快速占領課堂，在開發學生創新素養、提高學生動手能力方面發揮重要作用。隨著3D打印技術的愈加成熟，兩者結合在教學中會發揮越來越重要的作用。

參考文獻：

[1]顧志躍. 在創新活動體驗中培養學生創新素養[J]. 上海教育，2013，16：23.

[2]高勇，劉娜. 3D打印與三維創意設計課程牽引下的創新課程體系研究[J]. 中小學信息技術教育，2016，04：20-22.

[3]王穎. 對Inventor教學的探索與研究[J]. 學園（教育科研），2012，06：104-105.

[4]潘愛瓊，周浩兵. 基于3D打印技術的創新型人才培養初探[J]. 時代教育，2016，03：19+21.

[5]陳綱. 從“思”到“造”——3D打印教育助力小學生創新能力的培養[J]. 中小學信息技術教育，2016，04：13-15.

[6]庫伯. 體驗學習——讓體驗成為學習和發展的源泉[J]. 2008.