以“榫卯結(jié)構(gòu)”為載體的三維設(shè)計課程開發(fā)與實踐

甘霖

【摘 要】三維設(shè)計課程的立足點(diǎn)是育人而不是簡單的技術(shù)學(xué)習(xí)，因此要選擇符合學(xué)生情況的課程載體，開發(fā)提升學(xué)生實踐創(chuàng)新素養(yǎng)的課程。“榫卯結(jié)構(gòu)”作為三維設(shè)計課程載體，其綜合性和擴(kuò)展性較強(qiáng)，同時體現(xiàn)了中國傳統(tǒng)文化與現(xiàn)代技術(shù)的結(jié)合。本文中列舉“燕尾榫結(jié)構(gòu)”和“現(xiàn)代榫卯結(jié)構(gòu)”兩個項目案例，以此說明“榫卯結(jié)構(gòu)”作為載體的三維設(shè)計課程的開發(fā)與實踐，以及在此過程中如何提升學(xué)生的核心素養(yǎng)。

【關(guān)鍵詞】榫卯結(jié)構(gòu)；三維設(shè)計；3D打印；課程開發(fā)與實踐

【中圖分類號】G434 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【論文編號】1671-7384（2017）12-0068-03

榫卯結(jié)構(gòu)被稱作結(jié)構(gòu)之魂，在傳統(tǒng)的“大木作”“小木作”都有廣泛使用。榫卯結(jié)構(gòu)是相連接的兩構(gòu)件上采用的一種凹凸接合方式，凸出部分叫榫，凹進(jìn)部分叫卯。傳統(tǒng)榫卯結(jié)構(gòu)在木結(jié)構(gòu)建筑、家具、玩具等多方面都有廣泛的應(yīng)用，并且種類多樣，形態(tài)各異。以中國古代明式家具為例，其常見的榫卯結(jié)構(gòu)就有近百種，如夾頭榫、抱肩榫、插肩榫、燕尾榫、龍鳳榫等。應(yīng)用在不同領(lǐng)域且種類多樣的榫卯結(jié)構(gòu)為三維設(shè)計課程中實際項目提供了充足的選擇空間。

榫卯結(jié)構(gòu)具有一定的強(qiáng)度、韌性和變形能力，外形簡潔，不僅有外在的工藝合理性，而且顯示了中國文化的傳統(tǒng)理念。榫卯結(jié)構(gòu)在三維設(shè)計課程中作為載體體現(xiàn)了科學(xué)、技術(shù)、藝術(shù)、文化等多學(xué)科的綜合應(yīng)用，體現(xiàn)了很好的綜合性。

榫卯結(jié)構(gòu)精妙神奇，變化無窮，由簡單的幾個榫卯結(jié)構(gòu)可以衍生變化出各種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。在三維設(shè)計課程中，利用榫卯結(jié)構(gòu)從簡單到復(fù)雜的特點(diǎn)，根據(jù)學(xué)生實際情況，設(shè)置不同難度的任務(wù)，在進(jìn)行實際教學(xué)過程中可擴(kuò)展性強(qiáng)。

榫卯結(jié)構(gòu)本身應(yīng)用范圍廣，在不同的應(yīng)用方面其技術(shù)側(cè)重點(diǎn)也不同，建筑上側(cè)重結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，合攏時成為一個高強(qiáng)度完美的整體；家具中的榫卯結(jié)構(gòu)則成就了中國含蓄內(nèi)斂的審美觀，當(dāng)無數(shù)榫卯組合在一起時就會出現(xiàn)極其復(fù)雜而微妙的平衡；玩具注重通過實際縮小的結(jié)構(gòu)形式起到益智的作用。在三維設(shè)計課程中除可以使用榫卯結(jié)構(gòu)本身作為載體外，還可以擴(kuò)展到不同的領(lǐng)域，開發(fā)出側(cè)重于中國古代建筑、中國古典家具或榫卯益智類玩具等不同課程。

2014年，教育部印發(fā)《完善中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化教育指導(dǎo)綱要》，《綱要》指出加強(qiáng)中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化教育“是培育和踐行社會主義核心價值觀，落實立德樹人根本任務(wù)的重要基礎(chǔ)”。《綱要》同時還指出，“分學(xué)段有序推進(jìn)中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化教育；把中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化教育系統(tǒng)融入課程和教材體系”。在初中階段“以增強(qiáng)學(xué)生對中華傳統(tǒng)文化的理解力為重點(diǎn)，提高對中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化的認(rèn)同度”，在高中階段“以增強(qiáng)學(xué)生對中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化的理性認(rèn)識為重點(diǎn)”“增強(qiáng)學(xué)生對中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化的自信心”。在“中國學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)”中也明確提出，學(xué)生應(yīng)“具有文化自信，尊重中華民族的優(yōu)秀文明成果”。

“傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)營造技藝”已經(jīng)入選聯(lián)合國教科文組織人類非物質(zhì)文化遺產(chǎn)名錄，榫卯結(jié)構(gòu)是其中不可或缺的重要組成部分。榫卯結(jié)構(gòu)在中華文明的進(jìn)程中，如同漢字一樣源遠(yuǎn)流長，是悠久的中華文明的物質(zhì)化符號之一。在三維設(shè)計課程中選擇榫卯結(jié)構(gòu)作為載體，將傳統(tǒng)文化與先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合，體現(xiàn)傳統(tǒng)文化的榫卯結(jié)構(gòu)以適應(yīng)現(xiàn)代教育的方式表達(dá)出來，在現(xiàn)代教育中將傳統(tǒng)文化傳承并進(jìn)行創(chuàng)新。

課程開發(fā)與實踐案例

在以榫卯結(jié)構(gòu)為載體的三維設(shè)計課程中，采取項目教學(xué)法，每個項目以一種或一類典型的榫卯結(jié)構(gòu)為載體，以項目為主線、教師為引導(dǎo)、學(xué)生為主體。下面以燕尾榫以及現(xiàn)代榫卯結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行說明。

案例1 燕尾榫項目

項目目標(biāo)：了解燕尾榫的文化知識、應(yīng)用范圍、簡單力學(xué)性能及傳統(tǒng)制作規(guī)范；掌握燕尾榫的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，能使用三維設(shè)計軟件完成基本燕尾榫的三維模型設(shè)計；能考慮到3D打印機(jī)誤差，完成燕尾榫的3D模型制作；能根據(jù)教師提出的或自行發(fā)現(xiàn)的問題，合理使用燕尾榫完成一個簡單作品的設(shè)計；體驗作為傳統(tǒng)榫卯結(jié)構(gòu)的燕尾榫的實際應(yīng)用。

項目初期，教師簡單介紹“什么是燕尾榫”，并展示結(jié)構(gòu)的圖片和實物，引導(dǎo)學(xué)生仔細(xì)觀察燕尾榫結(jié)構(gòu)，并總結(jié)出當(dāng)兩塊平板進(jìn)行直角連接時，經(jīng)常使用燕尾榫。教師留下問題“燕尾榫在形狀上有什么特點(diǎn)”，要求用草圖畫出燕尾榫的兩個組成部分即頭榫與尾榫。學(xué)生在教師引導(dǎo)下自行觀察結(jié)構(gòu)并嘗試?yán)L制燕尾榫草圖，對于燕尾榫結(jié)構(gòu)有初步認(rèn)識。

進(jìn)入深入了解階段，學(xué)生查閱資料了解燕尾榫由來的傳說，認(rèn)識燕尾榫的力學(xué)性能和廣泛使用。學(xué)生認(rèn)識燕尾榫通過頭榫與尾榫的相互鎖合，是一種既實用又美觀的接合方式。在此階段，教師一定要引導(dǎo)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中關(guān)注燕尾榫的結(jié)構(gòu)在長期使用過程中形成的制作習(xí)慣，包括燕尾榫的角度以及頭榫與尾榫的比值，認(rèn)識傳統(tǒng)的制作規(guī)范。

學(xué)生在學(xué)習(xí)了燕尾榫相關(guān)知識后，嘗試用三維設(shè)計軟件進(jìn)行三維模型的建立。在此環(huán)節(jié)，教師可以設(shè)定具體數(shù)據(jù)，給出材料厚度、燕尾榫角度、頭榫與尾榫比值，例如，“用三維設(shè)計軟件實現(xiàn)燕尾榫的制作，設(shè)定兩塊板子的厚度均為18毫米，燕尾榫的角度1：6，頭榫與尾榫比值為1：3”。也可以給出更多選項供學(xué)生選擇或?qū)W生自主設(shè)定符合傳統(tǒng)制作習(xí)慣的數(shù)據(jù)。對于從未接觸過三維設(shè)計軟件的學(xué)生來說，完成燕尾榫三維模型建立是學(xué)習(xí)三維設(shè)計軟件的過程（如圖1所示），但是這個過程不能是學(xué)生對于教師完成過程的簡單模仿，而應(yīng)是在學(xué)習(xí)軟件基本操作方法的基礎(chǔ)上，嘗試用不同的方法完成三維模型的建立，教師可以引導(dǎo)給出關(guān)鍵點(diǎn)的提示，鼓勵學(xué)生在遇到問題的時候?qū)ふ医鉀Q問題的方法。建議學(xué)習(xí)了三維設(shè)計軟件的學(xué)生也要完成此環(huán)節(jié)，在三維設(shè)計環(huán)境中可以對榫卯結(jié)構(gòu)有進(jìn)一步的認(rèn)識。

在完成三維模型的設(shè)計后，教師提出3D模型的轉(zhuǎn)化問題——“綜合考慮影響因素和誤差，調(diào)整尺寸大小，完成燕尾榫模型的3D打印”。學(xué)生根據(jù)不同打印機(jī)和材料的打印誤差不同，通過不同的實驗方式計算誤差率，調(diào)整三維模型的尺寸。

在該項目的應(yīng)用轉(zhuǎn)化階段，教師可以適當(dāng)提出不同的應(yīng)用問題或由學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)問題。例如，使用燕尾榫設(shè)計相框、禮物盒或者簡單家具。這是對于燕尾榫在現(xiàn)代設(shè)計中的直接應(yīng)用。學(xué)生在解決問題的過程中使用燕尾榫結(jié)構(gòu)，對于燕尾榫有進(jìn)一步的學(xué)習(xí)。同時，筆者認(rèn)為教師可以轉(zhuǎn)換思路，例如，提出如下任務(wù)：“燕尾榫是木工中經(jīng)常會使用到的一種榫卯結(jié)構(gòu)，但是在木材上繪制燕尾榫有一定的難度，你能不能設(shè)計一個方便的工具可以在木材上繪制出1：7角度的燕尾榫呢？”如圖2所示，引導(dǎo)學(xué)生打破慣性思維方式，創(chuàng)造性地運(yùn)用技術(shù)解決實際問題。

圖2

案例2 現(xiàn)代榫卯結(jié)構(gòu)項目

項目目標(biāo)：認(rèn)識傳統(tǒng)榫卯結(jié)構(gòu)的文化寓意；了解現(xiàn)代榫卯結(jié)構(gòu)；能夠使用三維設(shè)計軟件完成現(xiàn)代榫卯結(jié)構(gòu)的模型建立；能夠根據(jù)要求設(shè)計現(xiàn)代榫卯結(jié)構(gòu)并制作模型。

在項目初期，教師展示現(xiàn)代榫卯家具、建筑圖片，學(xué)生欣賞并認(rèn)識到在現(xiàn)代設(shè)計中榫卯結(jié)構(gòu)也是被廣泛應(yīng)用的。

在深入了解階段，教師引導(dǎo)學(xué)生查閱資料從文化角度認(rèn)識傳統(tǒng)榫卯結(jié)構(gòu)的文化寓意，認(rèn)識到“榫卯是中國古典家具和古代建筑的靈魂，不用一顆鐵釘，單憑其中的榫卯結(jié)構(gòu)，便可以使用上千年，依然堅固美麗”。同時意識到榫卯是中國古代建筑文化的精華，在現(xiàn)代家具中可以模仿使用古代家具中的榫卯結(jié)構(gòu)，也可以自己設(shè)計更符合現(xiàn)代人審美的現(xiàn)代榫卯結(jié)構(gòu)。

在三維實現(xiàn)階段，教師可以提供不同的現(xiàn)代榫卯結(jié)構(gòu)的造型特征，如圖3所示。現(xiàn)代榫卯結(jié)構(gòu)造型簡潔，三維實現(xiàn)較為簡單，適合三維設(shè)計軟件的初學(xué)者。對于已經(jīng)掌握三維設(shè)計軟件使用方法的學(xué)生，在完成三維建模的過程中，教師應(yīng)鼓勵他們自主探究現(xiàn)代榫卯結(jié)構(gòu)的規(guī)律和特點(diǎn)。

在設(shè)計應(yīng)用階段，給學(xué)生提出自己設(shè)計現(xiàn)代榫卯結(jié)構(gòu)的任務(wù)，教師引導(dǎo)他們找出規(guī)律，也可提出具體任務(wù)“使用不同的網(wǎng)格線（如圖4所示），嘗試設(shè)計新穎合理的現(xiàn)代榫卯結(jié)構(gòu)”。同時，結(jié)合項目初期學(xué)生所查找的資料圖片，鼓勵他們使用現(xiàn)代榫卯結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)構(gòu)巧妙的現(xiàn)代家具。

課程開發(fā)與實踐的思考

三維設(shè)計課程中榫卯結(jié)構(gòu)的載體選擇要符合學(xué)生認(rèn)知和實際情況。過于復(fù)雜的榫卯結(jié)構(gòu)，學(xué)生很難完成其三維模型的建立，容易將過多精力放在軟件使用上，得不償失。

三維設(shè)計課程教學(xué)中應(yīng)采用項目學(xué)習(xí)的方法。利用各種有效資源，以解決問題為導(dǎo)向，學(xué)生探究問題的解決方案，進(jìn)行創(chuàng)意的思考，借助3D打印技術(shù)進(jìn)行解決，主動完成項目實施。在項目后期，教師要注重學(xué)生的交流與作品分享。

三維設(shè)計課程既不是單純的技能學(xué)習(xí)，也不能完全忽視技術(shù)的使用，工具的掌握是學(xué)生發(fā)揮其想象力創(chuàng)造性解決問題的基礎(chǔ)。實踐中可分階段進(jìn)行，在起始階段，通過實物構(gòu)建掌握三維設(shè)計平臺并形成三維空間思維。在熟練掌握后，進(jìn)入創(chuàng)意構(gòu)建階段。通過主題引導(dǎo)，學(xué)生運(yùn)用創(chuàng)新方法構(gòu)建物體，利用3D打印機(jī)完成轉(zhuǎn)化。

三維設(shè)計課程開發(fā)和實踐的根本還是要立足于學(xué)生的核心素養(yǎng)，注重文化傳承和實踐創(chuàng)新，這還有賴于教師對于課程開發(fā)及課程實踐的不斷探索。