小學(xué)生三維建模能力培養(yǎng)的思考與實(shí)踐

周嬌蓉

【摘 要】建模能力作為信息技術(shù)課程中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，值得我們重視。三維建模是比較直觀的一種建模方式，容易被小學(xué)生所接受。Paracraft三維動畫和編程創(chuàng)作軟件因其親切度、豐富度、友好度，頗受學(xué)生喜愛。但從日常教學(xué)的反饋來看，學(xué)生的三維建模能力還有待提高。基于此，筆者以設(shè)計思維為理論依據(jù)，在了解學(xué)情的基礎(chǔ)上，創(chuàng)設(shè)R·A·D·E·R五步驟學(xué)習(xí)模式，在正式建模階段輔以問題支架，以此探究小學(xué)高段學(xué)生三維建模能力的培養(yǎng)。

【關(guān)鍵詞】三維建模;設(shè)計思維;R·A·D·E·R模式;Paracraft

【中圖分類號】G434? 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【論文編號】1671-7384（2022）02、03-111-04

隨著創(chuàng)客教育、STEM教育等走入小學(xué)教育，3D打印也逐步深入到小學(xué)課堂中，作為拓展性課程或者項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的輔助等多種形式存在。然而在長期的實(shí)踐和學(xué)習(xí)中，筆者認(rèn)為不管是從教學(xué)目標(biāo)出發(fā)，還是從教學(xué)難點(diǎn)考慮，3D打印中最為核心的是三維建模。我們在教學(xué)中，要讓學(xué)生明白三維建模的意義，以及能夠從建模的角度出發(fā)完善作品，并通過該方法表達(dá)與交流。

探索三維建模教學(xué)新模式

通過文獻(xiàn)整理與學(xué)習(xí)，關(guān)于3D打印在教學(xué)中的實(shí)踐案例有很多，涉及的三維設(shè)計軟件有SolidWorks、3ds Max、AutoCAD、Maya、Rhino、Autodesk 123D Design、Paracraft等。通過團(tuán)隊探究與學(xué)情分析，最終筆者在小學(xué)教學(xué)中，選用了Rhino作為三維設(shè)計競賽練習(xí)軟件，選用了Autodesk 123D Design、Paracraft作為拓展性課程練習(xí)軟件。

1.Paracraft（帕拉卡）教學(xué)的優(yōu)勢

在教學(xué)中，Paracraft因其親切度、豐富度、友好度，頗受學(xué)生喜愛。Paracraft采用方塊來表達(dá)事物，對于學(xué)生而言，因其類似“我的世界”或樂高拼搭，因此親切感油然而生。使用Paracraft中的3D方塊可以創(chuàng)建各種三維模型，如飛機(jī)、機(jī)器人、過山車等，可以將學(xué)生的想象力充分展現(xiàn)，具有很強(qiáng)的豐富感。同時，它還是一款3D動畫與編程創(chuàng)造軟件，可以從三維模型友好過渡到程序設(shè)計，為后續(xù)的拓展性課程做好鋪墊與銜接。因此，本文以Paracraft（帕拉卡）教學(xué)為例，探究小學(xué)高段學(xué)生三維建模能力的培養(yǎng)。

2.Paracraft（帕拉卡）教學(xué)的思考

盡管Paracraft教學(xué)存在諸多優(yōu)勢，但是從日常教學(xué)的反饋來看，學(xué)生的三維建模能力還有待提高。經(jīng)過分析，主要是慣性因素導(dǎo)致：教師習(xí)慣于任務(wù)驅(qū)動，缺乏情境的創(chuàng)設(shè)，與生活的鏈接不足;學(xué)生習(xí)慣于“走一步算一步”，導(dǎo)致一遍遍地從頭開始，消耗耐心，建模前缺乏全面的考慮;建模時“生活慣性”使然，難以轉(zhuǎn)變?yōu)樘摂M空間建模。

對此，筆者進(jìn)行了整改，將R·A·D·E·R五步驟模式應(yīng)用到Paracraft教學(xué)中，基于社會需求，在真實(shí)情境中辨析，從三維空間視向設(shè)計，再加之評價與復(fù)盤，形成一個完整的學(xué)習(xí)模式，培養(yǎng)其三維建模高階能力。

建立三維建模教學(xué)新支架

設(shè)計思維是“以人為中心設(shè)計”的理解、觀察、定義、構(gòu)思、原型和測試的迭代過程。筆者以設(shè)計思維為理論依據(jù)，抓住設(shè)計思維教育的三大核心素養(yǎng)：系統(tǒng)思想、設(shè)計表現(xiàn)力、創(chuàng)新技巧，在學(xué)情的基礎(chǔ)上，創(chuàng)設(shè)R·A·D·E·R五步驟學(xué)習(xí)模式。

1.R·A·D·E·R學(xué)習(xí)模式的內(nèi)涵

真實(shí)（Real），指基于社會活動，搭建真實(shí)情境，解決實(shí)際問題。這個階段貫穿始終，在情境創(chuàng)設(shè)、作品設(shè)計、評價總結(jié)等環(huán)節(jié)中如影隨形，產(chǎn)生共情。

分析（Analysis），指基于科學(xué)思維，重新定義問題，探尋多條解決問題的方法，以保證合理性。這個階段運(yùn)行在定義、構(gòu)思、實(shí)踐等過程中，打破慣性。

視向（Direction），指基于系統(tǒng)思想，根據(jù)實(shí)際情況適時改變觀察方向，從而在三維空間外顯心智模型。

評價（Evaluate），指基于設(shè)計的表現(xiàn)力，激發(fā)視覺語言，強(qiáng)化表達(dá)與分享、理解與反思、聯(lián)想與提高。

復(fù)盤（Replay），指基于目標(biāo)監(jiān)控，正視過程中的問題，為結(jié)果負(fù)責(zé)，同時也能更好地獲得成長和總結(jié)方法論。

2.R·A·D·E·R學(xué)習(xí)模型和支架

我們鼓勵學(xué)生在真實(shí)情境中，體驗(yàn)信息技術(shù)行業(yè)實(shí)踐者真實(shí)的工作模式和思考方式。教師先營造真實(shí)的情境——建造泳池，然后以學(xué)生為主導(dǎo)，經(jīng)歷R·A·D·E·R五步驟學(xué)習(xí)過程，在正式建模階段，輔以問題支架，幫助學(xué)生理解并逐漸深入（如圖1所示）。

圖1? R·A·D·E·R學(xué)習(xí)模型和問題支架

培養(yǎng)三維建模能力新高度

經(jīng)過初期調(diào)查發(fā)現(xiàn)，61.7%的學(xué)生認(rèn)為，建造泳池這項(xiàng)工作是難以完成的，因?yàn)榻ㄔ煊境匦枰蝗汗と耍麄兡弥F鍬、水泥等各種工具與材料，熱火朝天地干活，我們似乎時間、力氣都不夠;28.1%的學(xué)生提出系列問題，如建在學(xué)校里嗎，面積多大呢，我們要增設(shè)體育課內(nèi)容嗎……10.2%的學(xué)生則暫時沒有想法，認(rèn)為不可能讓自己去參與這項(xiàng)工作。

1.（R）真實(shí)情境：基于用戶，迭代發(fā)生

現(xiàn)在我們將學(xué)生帶入一個真實(shí)的情境中，試圖激發(fā)10.2%的學(xué)生參與思考，同時糾正61.7%的學(xué)生的固有思維，更為重要的是讓大家深入探究，讓學(xué)習(xí)真實(shí)發(fā)生。

【泳池設(shè)計師】隨著“雙減”政策的實(shí)行，教育部鼓勵學(xué)生們?nèi)姘l(fā)展，尤其是加強(qiáng)體育鍛煉。因此，學(xué)校預(yù)建造一個室外游泳池，現(xiàn)征集設(shè)計師，在三維空間先呈現(xiàn)效果圖，為施工方指明方向。

通過分析以上的情境，學(xué)生會發(fā)現(xiàn)我們有一個任務(wù)——建造游泳池，但是存在兩個用戶——校方和施工方。鑒于有兩個用戶，除安全性這種統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)外，至少還需要從實(shí)用性和易操作性兩方面進(jìn)行考慮，如泳池裝飾物的復(fù)雜程度、向下挖掘的深度等。后續(xù)的分析、設(shè)計、評價等都會基于這個真實(shí)的情境，迭代發(fā)生，而非虛擬世界中的隨意發(fā)揮、個性張揚(yáng)。

2.（A）分析討論：基于支架，細(xì)化探究

學(xué)生對游泳池并不陌生，但都僅限于使用，并未從設(shè)計建造的角度深度思考。因此，教師提供了一個簡易的問題支架，幫助學(xué)生圍繞主線探究，并逐步過渡到能夠獨(dú)立搭建問題支架。

首先學(xué)生根據(jù)支架中的核心問題進(jìn)行討論，如以我們目前的積累，能解決哪幾個問題;對于未能解決的問題，需要提供怎樣的幫助;除了這些問題，是否還有補(bǔ)充等，根據(jù)討論結(jié)果，來制定設(shè)計方案，包括人員分工、已解決問題及解決方法、暫無法解決的問題及需要的幫助、生成的問題、擬實(shí)施步驟、設(shè)計圖、各部分預(yù)計完成時間等。

【現(xiàn)場回顧】以“如何設(shè)定面積”這一核心問題為例，學(xué)生結(jié)合第二個核心問題“如何挖空凹陷”，分析得出目前這一核心問題指向的是泳池池底，也就是要先設(shè)計池底，池底一般是一個長方形。“美工”C同學(xué)快速在紙上繪制了池底的簡易設(shè)計圖，就是一個長方形;至于長和寬如何確定，他們選擇去咨詢數(shù)學(xué)老師，獲得了比例的概念。當(dāng)“技術(shù)員”Z同學(xué)在Paracraft中操作時，卻無法實(shí)現(xiàn)，這時同學(xué)們感受到了二維平面與三維立體的區(qū)別，在三維空間，“長方形變成了梯形”。

通過上述過程，學(xué)生從一個核心問題已經(jīng)細(xì)分成了三個問題，分別對應(yīng)三個子任務(wù)，明確了池底的設(shè)計，習(xí)得了比例的概念，感知了二維和三維的區(qū)別。但是，生成的問題（二維空間的長方形，在三維空間真的變成梯形了嗎）還需要進(jìn)一步解決。

3.（D）視向調(diào)整：基于全局，模型外顯

其實(shí)，池底就是一個長方形，呈現(xiàn)出梯形是跟我們的觀察方向有關(guān)，教師引導(dǎo)學(xué)生去做個實(shí)驗(yàn)：利用手機(jī)掃描文件時，從不同的方向拍攝紙質(zhì)教材，照片中的教材會呈現(xiàn)出不同的形狀，然而紙質(zhì)教材并未改變，從而體會三維和二維的區(qū)別，以及找到對應(yīng)的視向。

學(xué)生發(fā)現(xiàn)，當(dāng)手機(jī)攝像頭和紙質(zhì)教材平行時，可以更好地呈現(xiàn)出紙質(zhì)教材的原始形狀。那么，在Paracraft中可以讓人物先飛到空中，再通過微調(diào)，然后俯視地面來實(shí)現(xiàn)。這樣需要調(diào)整視向的情況還會陸續(xù)出現(xiàn)，以“綠化泳池”為例。

【現(xiàn)場回顧】有學(xué)生選擇在泳池邊種上樹木，當(dāng)把樹木的正面繪制完成后，樹木正面很茂盛，而背面卻是禿的。學(xué)生很想把手伸過去，把樹的背面也添上樹葉，可是從正面看，禿的那邊緊貼屏幕，好像得進(jìn)入屏幕，走到對面去才能完成。于是，停留在此無法繼續(xù)。實(shí)際上，Paracraft是以場景中的人物為中心的，可以通過鍵盤上的方向定位鍵讓人物走到樹的側(cè)面、背面，輔以鼠標(biāo)右鍵調(diào)整視向，分別添上樹葉，也就是控制人物繞樹一周，即可完善好樹木。

三維建模時，學(xué)生不能只關(guān)注眼前的事物，而要根據(jù)需要改變視線的方向，從全局考慮，讓生活中的事物更真實(shí)地呈現(xiàn)在虛擬世界中，最后再反饋到現(xiàn)實(shí)生活中。

4.（E）評價分享：基于同伴，審視自我

評價主要存在兩種形式，從對象來看，主要分為組內(nèi)成員和組外成員;從時間來看，主要分為中期分享和終期推廣。

組內(nèi)成員的評價主要借助“小組觀察清單”，根據(jù)小組成員的參與情況，逐項(xiàng)對比指標(biāo)，在最符合的方框內(nèi)打勾。如當(dāng)啟動一個新任務(wù)的時候，小組成員是否達(dá)成一致、是否分擔(dān)責(zé)任、是否立即開始任務(wù)、是否彼此鼓勵，不潑冷水……是所有成員、大部分成員、一部分成員、少量成員還是無？當(dāng)然小組觀察清單還有留白部分，由組內(nèi)成員自行添加指標(biāo)，突出小組亮點(diǎn)，凝聚力量。

組外成員的評價主要借助“結(jié)構(gòu)化反饋（PDQ）表”，對其他組的作品進(jìn)行觀察和詢問后，在表格中分別填寫“我喜歡（P）”“我建議（D）”“我想問（Q）”三部分內(nèi)容，可以寫多條，也可以只寫一條，還可以和同伴共同寫，然后把這張表給被評價組，從而幫助他們從用戶的角度思考與改進(jìn)。

“小組觀察清單”和“結(jié)構(gòu)化反饋（PDQ）表”會反復(fù)應(yīng)用在中期分享和終期推廣階段，但是在終期推廣階段，由于學(xué)生的身份從“設(shè)計師”轉(zhuǎn)變?yōu)榱恕颁N售員”，評價指標(biāo)會有所增加。除了前期共同制定的三維建模作品三級評價指標(biāo)，如完整性、科學(xué)性、欣賞性、個人特性等，還要增加展示操作的熟練度、小組合作的完美度、疑難解答的準(zhǔn)確度、后期規(guī)劃的前瞻度等方面兩級指標(biāo)的評價。

5.（R）復(fù)盤檢視：基于目標(biāo)，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)

復(fù)盤是對計劃完成的情況做一個回顧與思考，從而在思考的過程中了解前期的優(yōu)勢與劣勢，尤其是一些錯誤的操作，從而有助于我們避免重蹈覆轍，同時也能幫助我們更好地完成計劃，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。如果復(fù)盤后，發(fā)現(xiàn)前期完成得還不錯，這無疑會產(chǎn)生鼓舞與激勵的作用。

復(fù)盤可以及時止損，緊緊圍繞目標(biāo)開展，也可以隨時了解項(xiàng)目動態(tài)，不至于“揀了芝麻丟了西瓜”，還能適時地進(jìn)行小結(jié)，形成學(xué)習(xí)報告。

總結(jié)與展望

再次調(diào)查發(fā)現(xiàn)，100%的學(xué)生認(rèn)為，我是有能力建造泳池的，盡管現(xiàn)在還不夠完美。當(dāng)談及問題支架中的試運(yùn)行部分，86.3%的學(xué)生認(rèn)為我們所制作的泳池用于游泳，在此功能定位上，繼續(xù)探究人物游泳的三維建模;13.7%的學(xué)生認(rèn)為還可以結(jié)合學(xué)校的“海模”特色，將科技競賽與此結(jié)合，平時可以作為帆船模型訓(xùn)練池，在此功能定位上，繼續(xù)探究帆船航行的三維建模。不管是人物游泳的三維建模，還是帆船航行的三維建模，R·A·D·E·R五步驟學(xué)習(xí)模式仍貫穿其中，迭代升華。

綜上，通過在Paracraft教學(xué)中的實(shí)踐，三維建模能力的培養(yǎng)主要體現(xiàn)在建模意義、建模技能、建模思維三方面。相對而言，三維建模能力的培養(yǎng)在小學(xué)階段的研究較少，筆者通過其在中學(xué)、職高等的實(shí)踐研究，如立體幾何、三維動畫建模、三維重建表情等，認(rèn)為還可以進(jìn)行三維建模對空間想象、創(chuàng)新表達(dá)、責(zé)任意識等方面培養(yǎng)的研究。

參考文獻(xiàn)

王萍. 3D打印及其教育應(yīng)用初探[J]. 中國遠(yuǎn)程教育，2013（8）.

張翼飛. 基于新課標(biāo)的高中三維設(shè)計與3D打印校本課程設(shè)計與教學(xué)實(shí)踐總結(jié)[J]. 電腦知識與技術(shù)，2020，16（14）.

成思源，周小東，楊雪榮，張湘?zhèn)ィ妼? 基于數(shù)字化逆向建模的3D打印實(shí)驗(yàn)教學(xué)[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2015（1）.

教育部. 普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[M]. 北京：人民教育出版社，2017.