“3D”學習與兒童模型思維能力的發展

張蝶嬪

【摘要】在深化教育改革，提倡創新的大背景下，近年，3D打印課程已經開始在小學課堂蓬勃發展，基于《信息技術課程綱要》中對學生信息技術核心素養提升的要求。文章立足促進學生思維發展來思考3D打印課程的學習。建立進階式3D課程思維模型，并將模型應用到常態化信息技術學科教學和3D課程整合，促進學生模型思維發展。為進一步建設3D打印課程、提高教學效率、提升信息素養、促進學生思維成長奠定基礎。

【關鍵詞】核心素養 模型思維 3D打印 學習進階 課程模型

目前，3D打印技術已經逐漸融入各個領域，大到建筑物，小到零件，自2014年以來，3D打印課程以普及化的方式在小學蔓延。在學校層面，許多學校添置了3D打印設備；在課程層面，開設了各種特色課程；在教師層面。成立了專門研制此課程的教師團隊。因此，如何更好地認識、理解、開發、實施3D打印課程，成為我們關注和思考的問題。

一、現實丈量。回望“3D打印課程”的價值體認

每個學生的學習都有著關鍵期，然而能一輩子流淌在學生心田的是他的學習品質：一種對自我學習、探究等的計劃性和堅持性，而3D打印課程以其獨特的探索、實踐、發現、創造的綜合體能點燃學生的學習興趣。

中小學信息技術課程的主要任務是培養學生對信息技術的興趣和意識，讓學生了解信息技術的基本知識和技能，培養學生的信息素養，為適應信息社會的學習、工作和生活打下基礎。以此為載體，3D打印課程可以更好地彰顯小學信息技術學科核心素養的落地，并承載著課程獨有的價值。

二、思維關照，眺望“3D打印課程”的模型建構

1.用科學精神的關照認識模型思維

“錢學森之問”問了那么多年。始終沒有給出應有的答案，在學校的課程開發研制和實施中，我們始終要問自己為什么而出發？創新性人才不僅僅是高校的事情，更需要中小學的奠基和啟蒙。3D打印，就是培養學生創新精神和形成計算思維的課程。3D打印最核心的部分，是3D建模，所以我們會想到“模型思維”。

2.用科學認知的邏輯建立模型結構

模型是為了一定目的，對客觀事物的一部分特征、屬性，而進行簡化、抽象、提煉出來的原型替代物，模型不是原型，既比原型簡單，又高于原型。學生模型思維能力是學生學習知識的具體體現，學生行為表現則是發展學生模型思維能力的途徑，結合3D課程，構建學生模型思維能力發展的結構（見圖1）。

3.用科學方法的維度形成學習進階

學習進階是學生以學習序列的方式進行學習，并在各年級學習某一主題時所表現的連貫的逐漸深入的學習理解過程。我們所開設的3D打印課程的課程序列特點在于：一是充分考慮學生對知識的實際理解過程而不是單純從知識本身的邏輯出發：二是關注思維理解深度的發展，提升其多樣性、應用性和創新性，而不只是信息的增加。

三、杠桿撬動，守望“3D打印課程”的學習進階

模型思維能力的發展在不同的階梯具有不同的表征，如初級層次就是要求學生區別判斷模型，表征模型類型。根據3D打印課程所表現的形式不同，可以繼續分為概念模型、實物模型、方法模型與思維模型。而在3D打印課程的研發、實施和發展中，我們需要運用模型思維來撬動學生核心素養的杠桿。

1.感知模型表征，融入邏輯3D思維

（1）畫出一條橫軸

建立3D打印課程的套餐系列。以主題橫向推進。如3D打印學習用品課程，是根據學生的創造性思維和好奇心理而開設的課程套餐，從3D打印課程介紹，到“象棋和軍棋”“打造筆筒”“我的自動鉛筆”“創意書桌”課程組合（見圖2），形成一個課程結構，將傳統藝術與科學技術、信息技術與模型思維相互關聯結合而成，組合課程可以根據學生發展的階段設置課時數，并進行任意組合，學生可以根據自身需要完成課程學習。

（2）描畫一條縱軸

圍繞不同的年段開發不同的主題序列，設置不同的目標系列，形成縱向一條線，以下是圍繞學習用品主題、生活用品主題、健康主題、環保主題等形成的課程系列。

在此基礎上形成課程綱要、教師指導用書以及課程方案和課程評價等。

2.應用模型解決，彰顯進階杠桿能量

思維模型的形成不僅能應用于3D打印課程本身，在信息技術常態課中，也可以與課標模塊相結合，將模型進一步優化和拓展，將3D打印與學科基礎知識整合，在教學實踐中通過對模型的應用來達成思維的進階。我們以WPS文字教學為例。

（1）因需：“切入點”，3D打印對WPS軟件的需求

我們可以先來看一下WPS文字在蘇科版小學信息技術四年級中的教學內容（見圖3）。

從上圖可以看出，四年級WPS文字的教學以文字處理教學為主，然而3D打印的主要教學內容是3D建模，它們本身并沒有什么交集。然而如果在我們應用模型思維關聯項目化學習，從現象思考到方案設計，學生可以使用文字處理工具來完成一個設計方案以及完成作品后的項目說明，這就是兩者的切入點。

（2）有行：“項目化”，項目實施與課程統整

在項目課程實施過程中，學生需要了解工程設計的總流程。在理論和基礎認知上進行思維模型的構建（見圖4）。

①撰寫方案階段。

學生通過交流確定主題，使用WPS文字記錄方案，在撰寫方案的過程中，鍛煉了學生的文字輸入和信息處理的基礎能力。

②3D設計階段。

使用3D軟件建模。這個階段主要是3D打印的學習階段，是學生接觸和體驗新技術的過程，也是學生完成從創想到實踐過渡的重要階段。

③展示和評價階段。

展示自己的作品，可以增強學生的表達能力，加強學生對知識的理解和應用能力，對學生今后的發展有著極其重要的作用。

展示與評價相輔相成，好的教學評價可以達到診斷、激勵、調節和強化的作用，在3D打印常態化教學作品展示課上，由學生共同參與，制定了根據創意度、完成度、美觀度、技能度、合作度在五個維度的評價模型，讓學生根據模型進行自評和互評，促進共同發展。

（3）進階：“序列化”，不同年段3D打印課程整合

在《中小學信息技術課程標準》中，包括計算機作文、網絡應用、制作多媒體作品、編程語言的學習、人工智能和物聯網等模塊。圍繞不同的知識點，應用模型化思維。我們可以進行項目化重構，結構如下：

基于項目增加的復雜度及開放度，逐步形成序列化、自主化、協作化的3D常態化教學。

（4）成果：“反思”，實施效果與重構不足

在完成四年級的教學實踐后，我們收到學生作品264件，創意突出、項目完整的作品有32件，占12%；創意、設計、展示有一方面或兩方面比較突出的作品占86%，作品的創意性和完整性比過去單純教3D打印或者WPS文字處理工具都有很大提升。從實踐成果來看，建立兒童模型思維，在3D學習進階中有其優勢：

①“一多”：多合作。

多合作：在完成項目時，小組是基礎單位。學生在這個過程中會根據自身需求主動學習新知和解決問題，由被動合作轉向主動合作，加強了學生自主探究和合作學習的能力。

②“二高”：高效率、高質量。

高效率：學生形成模型思維后，在后期階段的學習中就會形成較好的學習習慣，知道完成這個項目需要先做什么、再做什么、你做什么、我做什么，分工迅速。合作高效。

高質量：高效的合作帶來質量的提升，項目化的學習模式也讓學生能夠更深入地去完成既定的目標，學生制作的作品不再是生搬硬套，也不再是漫無目的，質量有了顯著的提高。

③“三有”：有目標、有條理、有策略。

有目標：在建立了一個模型后，知識也更加系統化，每一個階段都有讓學生為之努力的目標，如進階式3D課程中的學習用品系列是一個大目標，而完成一支自動鉛筆則是小目標。

有條理：學生的學習過程和思維的發展過程都更加明晰，將一個內容由淺入深充分挖掘，再將同類型課程作為一個單元，不同主題作為一個系列，形成一個三維的思維模型來引導學習的進階，讓學生的思維成長有序化、立體化。

有策略：一個模型可以形成相應的解決問題的策略，在習慣于運用模型來解決問題之后，當再次遇到問題，學生會習慣于用模型解決相應的問題，讓解決問題更加快捷有效。

但是在教學實施的過程中，也暴露了很多不足：在計算機的基礎操作上的問題。如打字和保存等，影響了項目完成的效率。但在后期學生經過多個項目的鍛煉提升，這些方面的能力也有了一定的提高。再者，對于這種新型的教學方式，授課教師有時還引導偏多，需要教師更進一步提升自己的教學水平，相信學生，關注合作，提高教學效率。

信息技術是發展最快的學科，在新舊知識的交替和融合中，我們關注的是學生信息素養的提升，我們探究的是教學的方法而并不僅僅是教學的內容。我們發掘的是學生思維模型的建立。以模型思維促進3D學習的進階，以3D課程反哺學生思維的成長。讓學生建立模型思維，并使用模型思維有效率、有創意地解決更多的問題。