3D打印課程促進高中生創新能力提升的實證研究

肖央紅

(重慶市長壽中學校 重慶 401220)

為了驗證3D打印課程是否對高中生創新能力有提升作用。筆者結合我校的實際情況，開設了3D打印社團課程，通過采取實驗研究法，利用單組前后測的實驗數據對比，對實驗班學生參與社團課程學習前后創新能力進行測量，前測是為了了解學生創新能力的初始水平，3D打印社團課程實施后進行創新能力的后側，了解課程實施后創新能力的反饋效果。

一、核心概念

3D打印技術，它以數字化模型為基礎，通過3D建模軟件設計出一個三維模型，再將該模型用相應的切片軟件進行分層切片，然后運用塑料或粉末狀金屬等可粘合材料，通過逐層打印疊加的方式打印物體的技術

創新能力，是技術和各種實踐活動領域中不斷提供具有經濟價值、社會價值、生態價值的新思想、新理論、新方法和新發明的能力。

二、基于3D打印課程培養學生創新能力的實施步驟

第一階段：軟件培訓，為期五周。這五周課程的學習，主要是學生在教師的指導下完成3D作品制作，在該階段學生基本掌握3D建模軟件的使用，為后續開展創新項目奠定堅實的基礎。

第二階段：項目實踐，為期五周。對于依托3D打印技術開展創新能力培養來說，學生不能只停留在基本操作技能的層面，更應該在實踐中進一步掌握3D打印技術，從而激發創新意識。此階段通過解決項目問題，分小組協作探究，根據項目所面臨的問題設計草圖、建模、打印作品，在一次次的嘗試中，深化鞏固所學知識，在協作學習中加強合作意識和協作能力培養，在自主完成項目的過程中將知識技能內化，激發學生的創新潛質，掌握知識的綜合應用，從而保證學生能夠完成自己的創意作品。

第三階段：強化創新素養，為期三周。本階段在教師的指導下獨立開展創客活動，主要對學生的創新思維、創新精神、創新能力進行強化培養。

第四階段：創新應用，成果交流。通過參加科技創新大賽3D打印賽項，參加3D打印創意設計大賽鍛煉學生能力，匯聚成果，作品展示，總結交流成果。

通過四個階段，學生從初級、中級、高級等多個層次由淺入深、循序漸進地掌握技能，培養創新素養，也符合高中生的認知水平。

三、基于3D打印課程培養學生創新能力的前、后測調查問卷分析

（一）“3D打印社團課程學習前期”問卷調查結果及分析

1.調查背景和目的

通過對剛進入社團的學生發放問卷調查，了解分析學生對3D打印知識的了解，對3D打印社團課程的興趣，空間想象力情況以及學習的創新意識等方面進行調查分析。然后再與后期測試進行實驗對比研究，用數據對比去判定學生在這些方面的能力是否有提高。

2.調查方式和對象

在網絡上利用“問卷星”制作調查問卷，發布問卷，通過電子問卷形式，面向參與3D打印社團的學生來完成問卷。

3.調查結果分析

此次參與問卷調查的有42人，有效問卷42份。問卷調查數據如下：

“3D打印社團課程學習前期”問卷調查數據：

1.我知道什么是3D打印技術。

數據統計：完全符合11.9%；部分符合16.67%；完全不合71.43%。

2.我知道什么是快速成型技術。

數據統計：完全符合11.9%；部分符合4.76%；完全不合83.33%。

3.我知道3D打印技術有哪些應用領域。

數據統計：完全符合11.9%；部分符合21.43%；完全不合66.67%。

4.我學過三維設計軟件。

數據統計：完全符合11.9%；部分符合7.14%；完全不合80.95%。

5.我知道3D打印機是如何打印物體的。

數據統計：完全符合11.9%；部分符合11.9%；完全不合76.19%。

6.我對空間事物想象很感興趣。

數據統計：完全符合28.57%；部分符合26.19%；完全不合45.24%。

7.如果一本故事書的最后一頁被撕掉了，我就自己編造一個故事把結局補上去。

數據統計：完全符合19.05%；部分符合30.95%；完全不合50%。

8.看到平面圖，我基本能在頭腦中構想它的幾何結構。

數據統計：完全符合14.29%；部分符合40.48%；完全不合45.24%。

9.我對立體幾何知識掌握得非常好。

數據統計：完全符合9.52%；部分符合52.38%；完全不合38.1%。

10.我知道怎樣把一些抽象的概念變成實際模型。

數據統計：完全符合21.43%；部分符合40.48%；完全不合38.1%。

11.我喜歡利用舊報紙，空礦泉水瓶以及舊罐頭等廢物來做成各種好玩的東西。

數據統計：完全符合26.19%；部分符合50%；完全不合23.81%。

12.我想利用三維設計軟件設計生活中的一些小物品。

數據統計：完全符合57.14%；部分符合33.33%；完全不合9.52%。

13.我希望通過3D打印課程學習之后，自己設計的3D打印作品被打印出來。

數據統計：完全符合71.43%；部分符合16.67%；完全不合11.9%。

14.在您第一次聽說3D打印技術時有沒有進一步了解的愿望。

數據統計：完全符合59.52%；部分符合30.95%；完全不合9.52%。

15.我認為3D打印技術打印的各種生活用品前景非常好。

數據統計：完全符合71.43%；部分符合19.05%；完全不合9.52%。

16.我認為學習3D打印三維建模軟件后會對我幫助。

數據統計：完全符合69.05%；部分符合19.05%；完全不合11.9%。

結果分析如下：

根據第1題、2題、3題、4題、5題的統計數據可以看出學生對3D打印技術的知識了解是非常欠缺的。80.95%的社團學生也沒有學習過建模軟件。

根據第6題、8題、9題、10題的數據可以看出部分學生對立體幾何、幾何結構掌握得不是很好，對空間事物的想象力還是比較欠缺的，但是興趣還是有的。

根據第7題、11題和12題的數據統計可以看出很多學生想通過3D打印技術打印小物品，具有很強的創新興趣。

根據第13題、14題數據統計可以看出學生對3D打印技術還是很感興趣的。

根據第15題、16題數據統計，可以分析出學生們對于3D打印技術的應用前景非常看好，大部分學生都認為以后會經常使用3D打印技術，并且學習3D打印技術會對自己有幫助。

（二）“3D打印社團課程實施效果反饋”問卷調查結果及分析

1.調查背景和目的

通過對參加3D打印社團的學生發放問卷調查，了解分析學生經過3D打印課程的學習后對3D打印知識的了解，對3D打印社團課程的興趣，空間想象力情況以及學習的創新意識等方面進行效果反饋以及調查分析。然后再與前期測試進行實驗對比研究，用數據對比去判定學生在這些方面的能力是否有提高。

2.調查方式和對象

在網絡上利用“問卷星”制作調查問卷，發布問卷，通過電子問卷形式，面向參與3D打印社團課程學習的學生來完成問卷。

3.調查結果分析

此次參與問卷調查的有42人，有效問卷42份。問卷調查數據如下：

“3D打印社團課程實施效果反饋”問卷調查數據：

1.通過3D打印社團課程的學習，我知道了什么是3D打印技術。

數據統計：完全符合97.62%；部分符合2.38%；完全不合0%。

2.通過3D打印社團課程的學習，我知道了3D打印技術的應用領域。

數據統計：完全符合92.86%；部分符合7.14%；完全不合0%。

3.通過3D打印社團課程的學習，我知道了什么是快速成型技術。

數據統計：完全符合95.24%；部分符合4.76%；完全不合0%。

4.通過3D打印社團課程的學習，我學會了123D數字建模軟件。

數據統計：完全符合85.71%；部分符合14.29%；完全不合0%。

5.通過3D打印社團課程學習，我知道了3D打印機是怎么打印物體的。

數據統計：完全符合88.1%；部分符合11.9%；完全不合0%。

6.通過3D打印社團課程的學習，我對三維模型有了更加深刻的認識。

數據統計：完全符合92.86%；部分符合7.14%；完全不合0%。

7.通過3D打印社團課程的學習，我的空間想象力有了明顯提升。

數據統計：完全符合90.48%；部分符合7.14%；完全不合2.38%。

8.通過3D打印社團課程的學習，能夠幫助我理解幾何概念。

數據統計：完全符合92.86%；部分符合7.14%；完全不合0%。

9.通過3D打印社團課程的學習，能夠幫助我理解圖形的分解與組合。

數據統計：完全符合92.86%；部分符合7.14%；完全不合0%。

10.通過3D打印社團課程的學習，我能輕松描述物體的基本特征，如長方體與圓柱體等。

數據統計：完全符合95.24%；部分符合4.76%；完全不合0%。

11.通過3D打印社團課程的學習，看到平面圖形，我能基本在頭腦中構想它的幾何結構。

數據統計：完全符合90.48%；部分符合9.52%；完全不合0%。

12.通過3D打印社團課程的學習，我覺得立體幾何知識更加簡單了。

數據統計：完全符合88.1%；部分符合11.9%；完全不合0%。

13.通過3D打印社團課程的學習，我認為非常有必要用3D打印來幫助學習幾何知識。

數據統計：完全符合83.33%；部分符合16.67%；完全不合0%。

14.通過3D打印社團課程的學習，我能夠用3D打印獨立完成一個簡易幾何結構的設計與制作。

數據統計：完全符合88.1%；部分符合11.9%；完全不合0%。

15.通過3D打印社團課程的學習，我對計算機操作更加熟練了，特別是鍵盤和鼠標的使用。

數據統計：完全符合92.86%；部分符合7.14%；完全不合0%。

16.通過3D打印社團課程的學習，我想將一些抽象的概念變成直觀的實際模型。

數據統計：完全符合83.33%；部分符合16.67%；完全不合0%。

17.通過3D打印社團課程的學習，我想將一些創意小物品通過3D打印技術打印成物品。

數據統計：完全符合95.24%；部分符合4.76%；完全不合0%。

18.通過3D打印社團課程的學習，我想用3D打印技術打印更多小物品。

數據統計：完全符合92.86%；部分符合7.14%；完全不合0%。

19.通過3D打印社團課程的學習，我的創新意識有了提高。

數據統計：完全符合90.48%；部分符合9.52%；完全不合0%。

20.通過3D打印社團課程的學習，大大激發了我的創新思維。

數據統計：完全符合90.48%；部分符合9.52%；完全不合0%。

21.通過3D打印社團課程的學習，我的設計素養有了提高。

數據統計：完全符合88.1%；部分符合11.9%；完全不合0%。

22.通過3D打印社團課程的學習，我的科學素養有了提高。

數據統計：完全符合85.71%；部分符合14.29%；完全不合0%。

23.我非常喜歡3D打印這門選修課。

數據統計：完全符合88.1%；部分符合11.9%；完全不合0%。

24.我非常喜歡3D打印課程的課堂活動形式。

數據統計：完全符合83.33%；部分符合16.67%；完全不合0%。

25.我希望安排更多的3D打印社團活動，學習更多的3D打印相關技能。

數據統計：完全符合92.86%；部分符合4.76%；完全不合2.38%。

結果分析如下：

根據第1題、2題、3題、4題、5題的統計數據可以，通過社團課程的開展，95%以上的學生清楚了3D打印技術的基本概念，100%的學生學會了建模軟件的使用。

根據第6題、7題、8題、9題、10題、11題、12題、13題的數據可以看出92.86%的學生對三維模型有了更加深刻的認識，90.48%的學生的空間想象力有了明顯提升，92.86%認為學習了3D建模能夠幫助他們理解幾何概念和圖形的分解與組合。90%以上的同學認為對立體圖像的特征的描述更加簡單了，能夠幫助他們學習幾何知識，提升空間想象能力。

根據第14題、15題的數據統計可以看出88%的學生能夠使用3D打印機獨立完成一個簡易幾何結構的設計與制作，踐能力得到提高。

根據第16題、17題、18題的數據統計可以看出83.33%的學生想將一些抽象的概念變成直觀的實際模型。95.24%的學生想將一些創意小物品通過3D打印技術打印成物品，并且想打印更多的物品，從數據可以看出，學生的創新意識和創新思維得到了培養。

根據第19題、20題、21題、22題的數據統計，可以看出90%以上的學生認為自己的創新思維得到了激發，創新意識和設計素養得到了提高。

根據24題、25題可以看出學生都很喜歡3D打印課程以及課程的開展形式。

四、結束語

通過實驗數據對比可以看出，學生在參加了3D打印課程學習后，學生在實踐操作能力、空間想象力、問題解決能力這幾個方面的創新能力得到了不同程度的提高。3D打印課程的開設對高中生創新能力是有提升作用的。