試論用3D打印手段培養創造性思維的教學設計

沈業凡

【摘要】在當今時代背景下，教育與技術實現了緊密的結合，應用先進的科學技術對教學內容與方法進行改革，已經成為時代發展的必然趨勢。其中，3D打印技術經過長期的摸索與實踐，在技術、實用性及應用材料的選擇上都逐漸完善。鑒于此，文章針對3D打印手段培養創造性思維的教學設計進行了分析與研究。

【關鍵詞】3D打印;創造性思維;教學設計

一、前言

當前，我國在培養小學生的創造性思維上存在明顯的不足，與發達國家相比處于劣勢。很多組織早已對3D打印教育進行了探索，比如美國高等教育信息化協會在2013年發布的《地平線報告》中首次將3D打印教育列入了“待普及”的新技術清單中，并進行了非常詳細的介紹。筆者認為，該技術會在未來四到五年里在實際教學中普及。本文從培養小學生創造性思維的角度出發，采用3D打印技術，豐富教學手段，以期促進學生對知識的學習與理解，提高其動手能力，逐漸培養其創造性思維，促進小學生整體素養的提高。

二、3D打印與創造性思維概述

（一）3D打印

3D打印也稱為增材制造技術，主要是依據制作目標的結構對其材料進行自由組合成型的技術。在這一過程中對原始材料自由組合所使用的儀器稱為3D打印機。新材料領域、光學領域以及程序化領域的不斷進步與成熟，促進了3D打印技術的產生。3D打印技術的工作原理：首先，利用相關3D設計軟件進行設計，根據計算機編程與制圖，將制成的立體模型逐層進行切片，并轉化成可以用計算機語言控制的程序語言;接下來，打印設備根據薄片上不同的程序語言，通過計算機控制各圖層上的材料進行組裝，最終得到目標產品。3D打印技術大大簡化了制作的工藝流程，而且能夠滿足客戶的多樣化需求，針對性地制作產品，比傳統模具造型制作成本低，因此廣泛應用于各個領域[1]。

3D設計軟件市面上有很多，比如Autodesk針對少兒3D設計推出了123D Design。這款軟件界面友好，操作便捷，有以下優勢：1.可以繪制一些簡單的形狀，然后編輯、調整，形成更為復雜的設計;2.能將三維模型進行逐層進行切片轉為二位圖案;3.對象通過智能工具得以實現設計的精準度;4.可為用戶免費創建3D模型;5.可在軟件內進行材質的預加載，更加直觀便捷;6.支持創建、導出和構造的項目。

（二）創造性思維

國內與國外對于創造性思維的定義有很多種。我國對于創造性思維的定義是指有創見的思維，即通過思維不但能揭示事物的本質，而且能由此提出新的、有建設性的意見和設想。筆者認為，創造性思維其實是一種較為高級的思維過程，在這一過程中需要以一定的知識儲備和經驗為基礎，在特定條件下，將以往所儲存的各種思維方式重新調取與排序，從而創造出新的方法和新的事物來解決實際問題。

例如現在很火的STEM教育。STEM是科學（Science）、 技術（Technology）、工程（Engineering）和數學（Mathematics）四門學科的簡稱，強調多學科的交叉融合。STEM教育并不只是將科學、技術、工程和數學教育進行簡單的疊加，而是將四門學科內容組合形成有機整體，著重培養學生的創新精神與實踐能力。STEM教育中，四門學科的教學緊密相連，以整合的教學方式促使學生掌握知識和技能，并能靈活遷移知識去解決真實世界中的問題。STEM教育具備新的核心特征：協作性、趣味性、跨學科、體驗性、藝術性、情境性、設計性、實證性和技術增強性等。3D打印也是STEM教育的重要手段。

三、利用3D打印在科學課堂中培養小學生創造性思維的教學設計

（一）針對教材內容進行分析

“造一艘小船”是教科版小學科學五年級下冊“沉與浮”這一章節的第4課。該課的主要問題包括“物體在水中是沉還是浮”“沉浮與什么因素有關”“橡皮泥在水中的沉浮”，利用所學知識“造一艘小船”。在課堂中親自制作小船，進一步加深了學生對“沉與浮”這一知識點的理解，并引導學生將這一理論知識應用在實際生活中，從而實現對本章知識的深入應用和延伸。

（二）對學生的實際情況進行分析

教師通過實際調查，了解到學生大多已經掌握了“沉與浮”的概念及影響“沉與浮”的因素，對于船體的沉浮和載重也有了一定的認識與理解。此年齡段的學生正處于從形象思維向抽象思維過渡的時期，有較強的求知欲和好奇心，對于日常生活中的新鮮事物比較感興趣，而且已經具備一定的動手操作能力。

（三）明確教學目標

要求學生掌握的知識與技能，包括：（1）了解船體的結構;（2）掌握改變小船承載量的方法;（3）可以借助三維設計軟件獨立設計出簡單的小船模型。在課程開展的過程中，要求學生討論如何利用橡皮泥制作小船以及讓小船載重量變大的方法;掌握3D打印機的使用方法，打印出自己設計的小船模型，通過不斷地改進設計方案，學會增加小船載重量的多種方法。在這一過程中，學生通過接受挑戰、解決問題，體會到科學與技術結合的神奇，在潛移默化中培養了創造性思維，激發了創造與設計的靈感和欲望。并且學生通過合作互助，增強了探索過程的趣味性，提升了團隊協作能力[2]。

（四）教學過程的具體分析

為了保證課堂教學的效果，利用兩課時將本課講完，第一課時主要任務是讓學生學會用橡皮泥制作小船，第二課時則要求學生使用3D打印來制作小船，并針對其完成的作品進行評估。本文重點對第二課時的教學設計進行分析介紹。

首先，教師借助多媒體播放日常生活中能見到的各種船舶及現代化的海洋艦艇，以導入本節課的內容，調動學生學習的積極性，并展示從古至今小船演變的圖片，引導學生識別，進一步確定本節課的學習重點。

其次，教師向學生講述鄭和下西洋的事跡，引出本節課的教學問題，即如何增大船的載重量。教師采用教學挑戰的形式開展本節課，與學生共同制訂挑戰標準，通過討論商定，結果如下：該挑戰需要通過團隊協作的形式，要求小船必須能夠正常漂浮，側重創新設計，允許在原有模板上進行調整設計，船體必須有足夠的載物空間，在規定時間內完成挑戰任務才算成功。具體的挑戰步驟如下：

（1）學生根據自己對船舶的了解和研究，借助軟件所提供的船舶模型，通過小組討論研究的形式，制作小船三維圖像。

（2）當學生完成了基本的設計圖后，教師對其設計方案進行審閱，并給予針對性的指導和意見。

（3）學生小組合作，利用計算機軟件對所設計的船體模型進行穩定性測試，以保證方案的合理性、可行性，

（4）如果有個別小組在小船的結構設計上存在缺陷，通過小組討論，對模板進行修改和完善，再一次進行虛擬實驗，直至成功。

（5）在教師的幫助下，學生借助3D打印機來制作小船的各零部件，并進行拼裝。在這一過程中，教師需要再一次強調挑戰的標準。學生通過互相交流，有效解決了船體存在的結構問題。

（6）教師進行授課指導。根據挑戰標準，教師首先對各學生小組的挑戰結果進行總結與評價，然后對3D打印小船的外形設計進行評價。各小組可以派代表對其設計理念及設計來源、設計方案的改動和優化過程進行簡單的介紹。這一過程能夠促進理論與實踐的有效融合，實現知識的遷移與深化。

（7）教師幫助學生修改設計小船。教師拿出事先制作好的3D小船，向學生講授其設計理念和增加小船載重的方法，在此基礎上對學生設計的小船模型進行修改，并積極鼓勵和引導學生利用課余時間進行深入的研究，從而找到更優質的設計方案[3]。

（五）課堂實施效果的分析

通過對課堂實際效果的總結，教師充分發揮了主導作用，調動學生的積極性與主動性。對于本節課的挑戰任務，學生都十分感興趣，因此課堂氣氛較為輕松活躍，學生對于教師所提出的問題能夠踴躍回答。從這點可以看出，學生在課前已經自主查閱了相關資料，值得鼓勵。在挑戰過程中，學生對于使用3D打印技術制作小船充滿了好奇與興趣。為了更好地完成任務，從小船的三圍圖設計到3D打印機的操作，學生都在不斷地思考改進方案。通過以上活動，學生的思維與動手能力得到了發展。此外，在操作三維軟件描繪圖形的過程中，有的學生跟不上教師的思路，科學興趣小組成員幫助落后的同學一起完成任務，極大地鍛煉了學生的團隊協作能力，形成和諧互助的團結集體。應用3D打印技術，將學生具有創造性的想法變為現實，打破了傳統科學課程只重視理論知識傳授忽視學生實踐能力培養的困局，有利于培養學生的創造性思維。

四、結語

綜上所述，科學技術的發展為教育領域的改革與創新提供了技術支持。由于當前我國小學課程在培養學生創造性思維方面存在短板，因此本文將3D打印技術應用于小學科學課堂，并以其中具有代表性的一課為例，通過教學挑戰的一系列過程，探索3D手段對于培養學生創造性思維的作用。應用結果顯示，該方法具有實效性。

【參考文獻】

朱花，王大根.藝術設計類專業創造性思維課程教學設計探索與實踐[J].藝術教育，2016（12）：188-189，287.

劉鑫，余翔.3D打印技術對專利實施的潛在挑戰與對策思考[J].科技進步與對策，2015，32（10）：101-106.

左建華.大學藝術設計課程教學中創造性思維的培養[J].新鄉學院學報，2014，31（11）：48-50.