淺談3D打印對學生創新能力的培養

倪勇

進入21世紀，教育的本質已經由知識的積累轉向創新創造，以智能制造為方向的創新能力培養已經成為教育的共識。目前，創客教育在我國中小學正在逐步普及，其中3D打印已經走進中小學課堂，成為培養學生創新能力的重要課程。在開展3D打印教學活動中，需要考慮如何培養學生掌握基本的3D建模技能，靈活運用形體相融法構建復雜實體，同時搭建多種學習平臺，多方位推進實施，培養適應時代發展要求的創新型人才。

一、掌握基本建模技能，夯實創新的基礎

熟練掌握基本的3D實體建模技能，是信息化時代培養學生創新制造能力的基礎。世間萬物都是由基本的形體組合而成，點組成線、線組成面、面組成實體。培養學生對基本形體的概括能力，要通過恰當的引導、正確的訓練，才能夯實學生創新的基礎。

1.基本形體建模提高形體概括能力

常用的3D打印建模軟件123D、3DONE等都提供了多種基本建模的幾何形體，如立方體、球體、圓柱體、圓錐體、圓環體、楔形體、棱柱體、錐體、半球體等。每種基本形體的特點都很分明，在現實生活中很容易就能找到對應的實體，如盒子、房子、箱子是立方體，各種球類是球體，金字塔是棱錐體，筆尖、冰淇凌筒是圓錐體等。在教學中，教師要善于引導學生對形體進行概括，培養學生對基本形體的概括和運用能力。

2.拉伸生成建模促進平面立體關系的理解

拉伸生成建模方式是利用空間的延伸性對繪制的平面圖形進行立體擴展，可培養學生由平面向立體的形體轉換能力。這種建模方式的技巧取決于繪制平面后形體拉伸的高度及方向，拉伸的形態決定了成型的效果。如創建一個截面不規則的杯子，可先繪制出杯子的截面后再進行拉伸，由平面向立體轉變，完成形體創建。這種方式可幫助學生更好地理解平面與立體的關系，培養學生的空間想象力。

3.旋轉生成建模提高對稱形體的理解能力

旋轉生成建模方式是用平面圖形圍繞旋轉軸旋轉一定角度創建立體，能培養學生對中心對稱形體的理解和創建能力。生活中有很多美妙的中心對稱物體，如花瓶、酒杯、圓形器皿等。這些物體用基本形體的造型方式難以完成設計需求，卻適合用旋轉建模的方式生成。在建模時，可以先繪制出要設計形體的半截面封閉圖形，再繪制中心對稱線，通過旋轉法可以快速生成對稱形體。這種方式能很好地培養學生對空間形體的生成能力，實現由二維平面圖形向三維立體的轉化。

二、掌握形體相融法，促進創新能力形成

單純的建模方式適合創建簡單的基本形體，當面對復雜的組合形體時，就需要用到形體相融法。形體相融法是對復雜形體進行分解，運用基本形體之間的“加法”“減法”或“混合運算”等組合方法，通過多種組合完成復雜形體的創建。這一過程能有效培養學生的形體概括能力，促進學生綜合形體構建能力的提升。

1.運用形體相融的“加法”完成組合形體的生成

形體相融的“加法”是用多種基本形體進行組合，創造出設計者所需要的形體。生活中可見到多種組合形體，要引導學生熟練地運用形體設計的“加法”生成所需要的組合形體。如一串球體能組合出一個手鏈，長的圓柱體和圓錐體能組合出一支鉛筆，掏空的圓柱體加上半圓環能組成一個杯子。形體相融的“加法”在3D打印建模中應用較多，通過形體組合能創造出各種復雜的物體。

2.運用形體相融的“減法”促進相融形體的生成

形體相融的“減法”，是由兩個或兩個以上的形體在相融過程中產生的相減形體，是形體設計能力的進一步提升。如大圓柱體減去小圓柱體生成空心的容器，大半球減小半球得到空心的碗等，還可以有多個形體的相融。形體相融的“減法”能很好地開拓建模的思路，它是3D打印建模的另一個精彩的世界，能實現造型奇特的創意，豐富設計思路。

3.運用形體相融的“混合運算”實現復雜形體的生成

生活中的形體，往往很難簡單地拆分成標準的基本形體，也不是以簡單的加或減的方式組合而成的。很多形體以一種基本型的方式呈現出來，但是在細節方面的結構卻非常復雜，這時就需要用綜合的方法去分析概括形體的組成，運用形體相融的“混合運算”去交織、融合、分解、組合，以達成建模需求。因此，3D建模造型中形體相融“混合運算”能力才是最需要掌握的能力，是建模能力的綜合體現。形體相融的“混合運算”是形體設計創新的靈魂，是3D打印建模能力的精髓。

三、搭建多種平臺，助推創新能力飛躍

為全方位地促進學生創新能力的飛躍，需要培養學生基礎建模、靈活分析形體的構造、用基本形體去概括復雜形體的能力。而這需要搭建平臺，并進行系統訓練，其中也包括組織競賽活動、建設充滿創新氛圍的校園文化。

1.開設3D打印社團活動課程，以平臺促發展

3D打印社團活動課程，可為學生提供學習交流的平臺，能夠有計劃、有目標地組織學生實施訓練，以平臺促發展。如筆者所在學校開設了內容豐富的3D打印活動課，由教師指導學生接受系統的學習，并且師生利用學習平臺進行思維的碰撞與交流，在實踐中協作與互助。良好的學習平臺和系統的課程，為學生創新制造能力的發展奠定了基礎。

2.組織參與相關的創客競賽活動，以競賽促提高

以智能制造為方向的3D打印，已經深深地融入了各類青少年創客競賽活動。學生創新能力的發展，除了掌握相應的知識技能外，更重要的是在活動中提升，在競賽中鍛煉。參與創客類的3D打印賽事，能有效助推學生創新應用能力的提升，而且各類競賽活動對學生的綜合能力也提出了更高的要求，能夠鍛煉學生的心理素質，培養學生良好的集體協作能力，使其積累比賽經驗，在享受比賽的過程中更好地成長。

3.營造良好的科技創新校園文化，以文化促熏陶

良好的育人環境對培養學生興趣愛好、促進學生能力提高發揮著重要作用。為此，學校可營造良好的科技創新校園文化，讓每一面墻、每一扇窗、每一個櫥窗、每一級臺階都能“說話”，讓學生在科技創新的氛圍中潛移默化地接受熏陶，使創新的種子在學生的心中生根發芽。

3D打印在創客教育中扮演著重要的角色，已經成為培養學生創新能力的重要手段之一。教師需要在教學中不斷探索與實踐3D打印教學的方式與方法，更好地培育符合時代需要的創新型人才。

參考文獻（編者略）

（責任編輯? ?郭向和）