例談3D建模設計“智”造創意未來

錢耀剛　衛夢婷

當今，創客教育在中小學盛行，其借助基于設計、基于項目和探究性學習等方式的教育理念，以真實問題為導向，強調知識與能力并重，倡導學生在解決實際問題的過程中獲得知識與技能，同時獲得創新能力的培養。3D打印作為一種新興的技術正從行業中走進學生課堂，3D創客教育逐漸引起教育者的關注。作為中小學3D打印課程設計者，筆者急切地希望探究一種有效的方法與途徑來豐富基于創造的學習形態，讓學生在學習3D建模設計過程中，積極體驗作品從設計到形成的過程，從而拓展學生在數學、科學、設計、美術、工程等方面的知識面，解決他們學習生活中的實際問題，培養他們的設計思維和創新能力。下面，筆者根據自己的教學實踐，談談在利用3DOne軟件三維設計建模教學過程中如何有效培養學生的創新思維能力。

● 基于特定主題，以興趣為先導，激發學生學習動機

與傳統課程相比，3D打印教學讓學生體驗作品從無到有的產生過程，在設計與建模的過程中都需要學生親自參與和完成，這樣有利于學生觀察能力、思考能力、空間思維能力以及操作能力的提高，整個過程充分激發了學生的學習興趣與積極性。

筆者在介紹3DOne功能時，演示了一些簡單模型的制作方法，學生的興趣被激發出來，迫不及待要求自行操作，而且95%的學生當堂就能利用多種基本實體完成簡單作品。之后的每節課，筆者都以主題式的教學鋪展開來，如總主題“一起來設計我們的書桌”，整個教學設計就圍繞這一主題開設相關分主題課程模塊，如“搭積木”“漢諾塔”“課桌椅”“臺燈”“筆筒”“花瓶”“茶杯”“電腦”等。每一課程主題都承上啟下、環環相扣，學生不僅學有興趣，而且學有余力。每節課，學生都沉浸在3DOne建模設計中，學習興趣濃厚，整個課堂氣氛也活躍起來。

● 基于課程整合，與學科相滲透，促進學生思維發展

在應試教育制度的束縛下，學生的深度思維和創造力受到了限制，學生難以將所學知識靈活運用。實踐證明，在三維實體建模教育中進行跨學科整合是可行的、有效的。學生在3D建模過程中能從更多視角認識學科之間的聯系，提高綜合運用知識解決問題的能力。[1]

例如，在學習《花瓶》一課時，學生學會使用旋轉、縮放命令構造花瓶的方法，也有助于其數學上“空間與圖形”中的“旋轉”“對稱圖形”“縮放”等知識的學習與鞏固。很多3D設計的空間模型能夠增進小學數學空間與圖形常識，如圖形的認識、測量、圖形的運動、圖形與位置的學習。又如，在學習《漢諾塔》時，學生親手繪制草圖輪廓，并創建三維實體，不僅學習了幾何知識，還培養了空間思維能力。在使用布爾加、減、交運算對幾何實體進行組合編輯時，學生直觀地體會了布爾加運算即將基體和合并體融合成為一個基體的命令，最后得到基體與合并體的并集;布爾減運算則是將基體與合并體相交的部分在基體上切除下來的命令，最后得到基體中不與合并體相交的部分;而布爾交運算是留下基體與合并體重合部分的命令，最后得到的是基體與合并體的交集，并且基體與合并體無先后順序。這對于從來沒有接觸過布爾運算以及并集、交集的小學生來說，這種直觀的知識體現必定易于理解，且印象深刻。很多組合模型的設計都能夠讓學生體會到從局部到整體或從整體到局部的空間感。3D建模可以使學生感受到從現實生活的實景中抽象出圖形的過程，也可以使學生體驗圖形的內部結構、圖形的旋轉運動、圖形與位置的測量。[2]

3D建模中將創作從平面轉向立體，引導學生對部分模型進行倒角與圓角的修飾、材質渲染，這都在引導學生對作品的細節部分進行優化和完善，提升學生藝術審美能力與素養?！妒謾C與相框》《自行車模型》《旋轉木馬》等綜合性較強的設計課，除了融合數學與美術相關學科外，還包括科學、機械、物理、信息技術等方面的知識。例如，在設計桌椅的過程中，首先考慮椅子的穩定性與平衡性，避免出現斜倒、扭曲的狀況，其次要考慮椅子的承重力。

3D建模在同其他課程融合的同時，將概念和知識立體化、具體化、可視化，不僅促進學生全面理解知識，更能提升學生分析、設計、評估、實踐和創造能力，促進學生的計算思維、分析性思維與創新性思維以及系統思維的發展。

● 基于自主協作，以項目為核心，啟迪學生創造意識

項目式學習是極佳的創意培養方式。項目式學習，可以給定設計的主題，讓學生發揮想象，外觀、功能由學生自己決定，只要符合設計主題即可，這樣能更深層次地培養學生的創新意識。[3]

另外，教師所布置的任務應當具有靈活多變性，即需依據學生學習情況的不同制訂個性化的學習任務。針對已有一定基礎的學生，可以布置一些具有挑戰性的創造性項目來調動學生學習的積極性，學生可以自主完成，也可以同伴合作探究，在探索過程中，鍛煉了協調能力、合作能力與創新意識。例如，在設計《桌椅》時，筆者引導學生根據自己生活與學習的實際情況討論設計的桌椅有什么不方便或者想解決的問題，學生提出的問題有東西多課桌里面放不下、文具盒總是沒地方放等。接著，筆者讓學生根據提出的問題，找到解決方案，設計了新的書桌。在解決實際問題的過程中，學生不但看到了生活的細節，還設想了具有創造性的方案，這正是對創新意識與解決問題能力的培養。

又如，《兒童樂園——旋轉木馬》是學生進行的第一個探究性3D建模項目，對學生的建模能力是極大的挑戰。在3D建模的時候，學生們小組協作，按照先部分再整體的思路，通過繪制旋轉木馬構建整體概念及數據，再逐漸增加繪制難度，挑戰個性化的旋轉木馬的3D建模。項目實施過程讓學生在抽象概念和直觀經驗之間自由轉換，使學生切身體會到所學知識與實踐應用之間的密切聯系。這種項目式學習方式提高了學生自主探究學習的意識以及解決問題的能力，拓展了學生的學習寬度和深度，培養了學生的創新精神。

● 基于STEAM理念，以競賽為契機，提高學生綜合素養

筆者的3D打印課程教學分為兩個階段：第一階段是掌握3Done軟件的使用與工具的整合階段;第二階段是項目式探究階段。筆者通過創設一個個有趣的生活應用類情境，讓學生利用3D打印技術貼合實際，解決現實生活中的問題。

例如，“自行車”項目包括以下流程：①發布任務。教師簡單介紹自行車既是交通工具，又是娛樂工具、健身工具，還是雜技道具;自行車有省力的，有吃力的，有結實的，有美觀的。學生以小組為單位，比一比哪一組設計的自行車合理、耐用、美觀。②調查和分析。學生查閱相關自行車材料，并嘗試對自行車分類，選擇一種自行車進行設計。③自行車草圖的繪制。學生根據所學知識，完成自行車的初步設計。④計算并修改。依據草圖計算相關結構的尺寸，討論并修改自行車設計。⑤建模打印并組裝。利用3DOne軟件，完成自行車模型相關結構件模型并打印，最后組裝成完整的自行車。⑥項目展示、評價、反思。各項目小組匯報并展示本小組作品，采用小組自評、互評和教師評價等方式綜合評價各項目小組。整個項目式學習的過程充分體現了STEAM教育理念，將科學、技術、工程、藝術、數學巧妙地結合，鍛煉思維的廣闊性和敏捷性，強調項目任務的分解、計算、修改、優化，鍛煉思維的整合性和深刻性，以此發展學生綜合運用各個學科知識解決問題的能力，提高學生的動手能力，增強其合作意識，學生各方面的素養都得到了提高。

3D建模設計融入小學信息技術教育，為學生搭建了一個綜合運用知識與技能、培養創新思維能力的平臺。[4]實踐表明，3D打印課能夠激發學生創造新事物的興趣，學生利用三維建模將想法變為現實，提高了設計能力、批判性思維、問題解決能力，促使學生積極想象，并最終創造性地實現它。而項目式學習讓學生擁有一個觀察、探索、實踐和不斷完善的完整過程，為學生開辟了一種全新的思維平臺。

STEAM教育強調學生的設計能力、批判性思維和解決問題的能力，3D建模設計融入小學信息技術課堂，有助于推動STEAM 教育，催生創客式的教學新樣態，培養學生的創客意識與工程師精神。3D打印課程的開展使很多“動手做”類型的課程設計變得直觀化，實現了平面教育到立體教育的轉變，激發了學生投身技術和工程領域的熱情，從而為教育科技創新提供平臺。[5]

參考文獻：

[1]徐振宇.3D打印課程在小學信息技術領域的探索與實踐[J].中小學信息技術教育，2016（10）：74-77.

[2]雷玲.小學數學教學如何利用3D打印技術培養學生的空間感[J].西部素質教育，2016（07）：91-94.

[3]夏小剛，鄭剛.基于工程實踐的STEAM項目設計與實施——以“3D打印——橋的設計與制作”為例[J].中小學數字化教學，2018（01）：56-58.

[4]王悅鋼.3D建模設計培養學生創新思維能力——以浙江省紹興市第二屆創新模型設計挑戰賽為例[J].中小學信息技術教育，2018（01）：69-71.

[5]李柯影，鄭燕林.3D打印技術在中小學教學中的應用——以英國中小學課堂引進3D打印技術項目為例[J].現代教育技術，2015（04）：108-114.