基于ABC3D建模軟件的中小學創客課程研究

曹義志　張勉　王晴　徐鵬飛　楊先鋒　關衛軍

摘要：近年來隨著創客教育在國內各地遍地開花，創客教育的發展勢頭越來越猛烈。有關創客教育的課程開發層出不窮，開源機器人、圖形化編程語言、陶藝與紙藝等創客課程對于推進基礎教育教學、改革創新人才培養模式具有重要作用。但是將3D技術應用于基礎教育培養創新型人才的3D建模創客課程相對缺失，適用于中小學生的3D建模創客課程開發還存在一定的空白。針對我國創客教育的背景，以ABC3D建模軟件為工具，提出了基于ABC3D建模軟件創客課程的教學設計與教學模式，分析了將ABC3D建模軟件應用創客教育的優勢與創客教育面臨的挑戰和總結，為推動創客教育生態系統的建立與發展貢獻力量。

關鍵詞：ABC3D建模軟件; 創客教育; 中小學創客課程; 課程研究

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）07-0120-04

在國家大力推行創新教育政策的信息化時代，造就創客時代的創新型建設人才、建設未來教育的優質師資隊伍對于教育信息化的發展至關重要。對于學生而言，學生在運用3D打印技術實現自身想法創意的過程中，找到學習的樂趣。學生在自主構建三維模型完成作品的過程中，需要注意各個模型的尺寸，理清邏輯思維關系，鍛煉計算思維以及數學運算能力。對于教師而言，教師將3D打印技術融入教育教學當中與自身教學課程結合，有助于改進教學效果，培養學生的創新創造能力，踐行創客教育理念。利用3D建模軟件制作出的虛擬交互教學內容，能夠增強課堂教學效果，提升學生的學習興趣，探索未來新的教育模式，產生新的創新教育成果。

基于ABC3D建模軟件的中小學創客課程引導學生從簡單的積木搭建開始入門，在學生初步認識到三維建模的知識內容后，結合一些3D模型的案例逐步深入學習對軟件的使用，制作出屬于自己的3D模型。學生對軟件的學習與各種能力的培養為后續有關3D打印技術和硬件結合的智能課程打好基礎。基于ABC3D建模軟件的中小學創客課程是3D打印技術與傳統的教育教學的融合，有助于提升學生的創新創造能力與教師的教育教學能力。

1 創客教育的概述

1.1 創客教育的概念

在當下高度信息化的社會中，創客是指以電子機械、3D打印、機器人等以工程化為興趣導向并將其變為現實的人。而創客教育是指利用數字化學習工具，以興趣為學習導向，以項目為學習方式，培養跨學科思維、計算思維、創新創造能力與團隊協作能力的一種工程教育模式[1][2]。

1.2 創客教育的背景

1.2.1 創客教育相關政策文件

自李克強總理首次在政府工作報告中提出“大眾創業、萬眾創新”的理念，有關于創客教育的一系列內容受到各界廣泛關注。從2015年到2019年中有關創客教育的一些政策文件如表1所示，可以看出國家對于創客教育的認可與重視。

1.2.2 創客教育與新課程標準

對于小學科學課而言，作為小學階段一門具有基礎性、實踐性、綜合性的課程[3]，小學科學課程的實踐性與綜合性體現了創客教育中通過數字化工具將想法創意變為現實的理念。小學的科學課與創客教育課程，都是突出學生的主體地位，培養學生的好奇心與學習興趣[4]，將創意變為現實。對于高中信息技術課程而言，由信息意識、計算思維、數字化學習與創新、信息社會責任組成了該學科的核心素養，數據與計算、人工智能初步、三維設計與創意和模塊以及開源硬件項目設計等多個部分與創客教育課程息息相關[5]。對于高中通用技術課程而言，技術意識、工程思維、創新設計、圖樣表達、物化能力組成了通用技術學科的核心素養，技術與設計、技術與生活系列、技術與工程系列等內容屬于創客教育課程[6]。

2 ABC3D建模軟件的概述

2.1 軟件簡介

ABC3D建模軟件結合了國內的教育技術裝備體系，為中小學生建模提供了數字化工具。雖然工業開發級別的3DS MAX或者Maya軟件在制作三維模型方面功能強大，卻不適合中小學生入門學習。而ABC3D建模軟件對于中小學生而言，上手簡單，邏輯清晰，操作簡單，界面清晰，基礎模型種類繁多，滿足學生進行創意設計的需求。ABC3D建模軟件還擁有十分強大的功能、豐富的建模方式、專屬的云平臺社區、多樣化的嵌入式插件，在完成建模作品之后可以直接進行切片打印，簡化操作流程。學生完成的作品通過云平臺進行交流溝通協作，與其他人一同分享作品，云平臺同時也是一個資源豐富的模型庫。ABC3D建模軟件與專業的建模軟件邏輯思維、頁面布局以及制作原理十分相似，如SolidWorks、3DMAX、Zbrush等。學生學習完ABC3D建模軟件以后如果想深入學習建模，對于專業的建模軟件可以完美對接。

2.2 軟件界面介紹

ABC3D建模軟件的界面主要分為菜單欄、工具欄、基礎模型區、插件區、快捷鍵按鈕區以及建模區等區域，如圖1所示。建模中的一些基礎模型素材通過基礎模型區和插件區導入。對于模型的操作處理，主要在于工具欄中的移動、旋轉、放縮、克隆、鏡像、參數對齊、布爾運算等操作。建模區展現了模型的大小形狀，是整個軟件操作的平臺。設計完成后的切片模型可以進行打印。

2.3 軟件功能介紹

ABC3D建模軟件主要支持骨架球建模、文字建模、3D浮雕建模、積木建模和曲面建模等多種建模方式。ABC3D建模軟件技術的開源性以及平臺功能的多樣性，為學生創造基于信息技術豐富化的3D模型創客作品提供技術與平臺支持。

3 基于ABC3D建模軟件創客課程的教學設計

從學習者特征的角度出發，3D建模的創客課程以跨學科知識以及應用為基礎目標，以解決現實問題的建模需求為核心目標，展開設計創客課程目標。通過設計生活中的創意原型活實現制造模型工具，設計創客課程內容。在創客教學活動設計方面，以項目式學習為核心，對構建3D模型過程中的程背景知識導入、課程內容、建模步驟與技巧進行教學活動的設計。從3D模型的作品評價、小組合作評價、建模過程中的過程性評價以及表現型評價等多個方面設計創客教育的課程評價。基于ABC3D 建模軟件的創客課程教學流程設計圖，如圖2所示。

3.1 學習者特征分析

學習者特征分析對于創客課程的設計至關重要，應該根據不同階段的學生的學習特點，科學合理地設計制定課程。小學階段的創客課程應該注重學生的動手體驗與趣味性，強調寓教于樂。初中階段的創客課程應該注重實際應用與問題探究，強調“做中學”。高中階段的創客課程應該立足于生活中的實際問題，以技術為抓手解決問題，強調學以致用。

設計關于3D建模的創客課程應該注重學生的學習經驗，并結合學生的生活實際展開[7]。在設計課程資源時，考慮到學生的學習特征，注重抽象思維的培養。一些較為復雜抽象而且工程量龐大的3D模型對于一般的中小學生來說存在較大的難度，大部分中小學生對于自主構建完備的3D模型還比較陌生。所以需要結合學習者特征選擇較為合適的難度來設計教學。

3.2 教學目標設計

對于中小學生而言，學生通過學習基于ABC3D建模軟件的創客課程，了解3D技術的基本概念、應用范圍[8]，學會運用ABC3D建模軟件將想法變為現實。引導學生結合實際的生活情境自主設計模型，設計出自己獨特的作品。在模型設計過程中體驗3D技術給學習帶來的樂趣，以3D技術與課外知識結合拓寬學生的視野。將學生培養能夠利用建模軟件與3D打印技術結合自身的創意想法將其變為現實的創造者。

3.3 教學內容設計

教學內容是指在整個教學過程中教師與學生之間的相互作用交流，以完成教學目的動態生成的相關素材以及信息。基于ABC3D建模軟件的創客課程以簡單直觀的積木搭建引導學生認識三維模型，以項目式教學為核心結合建模案例讓學生能夠制作豐富的三維模型、深入了解建模過程，融合了MAMIS的創客學習法，提升學生的綜合素質，為后續學習打下堅實的基礎。創客課程的教學內容通過教學PPT、微課視頻以及教學設計的形式展開，配置有課程附件、課程評價、平臺分享等多種服務引導學生進行學習。為學生提供初級創客、中級創客與高級創客進階式的學習體驗，打造跨學科、軟硬件結合的創客課程。

3.4 學習環境設計

學習環境是提供給學習者學習的外部條件。ABC3D建模軟件支持的學習環境主要包括附帶有鼠標和鍵盤的計算機、投影儀、網絡寬帶、音響、學習網站（http：//www.abc3d.cc/index.php？s=/Home/Index/index.html，提供3D建模的教學課程視頻以及云平臺交流分享3D模型作品）。

3.5 學習評價設計

教師通過學習評價引導學生反思自己在學習過程存在的問題和不足，為優化學習過程提供參考和借鑒[9]。學生不光是被學習評價的對象，也是學習評價的參與者、組織者。教師應該注重學生在構建三維模型中個體的知識運用情況，鼓勵采用嵌入式、伴隨式、隱形式評價方式對多元化、豐富化、多模態化的信息進行評價，對學生的學習情況給予客觀真實的反饋[10]。

4 基于ABC3D建模軟件的創客教學模式

根據董黎明在《基于課程融合的“創客”教學設計與應用模型研究》一文中提出的基于課程融合的“創客”教學設計與應用模型[11]，結合ABC3D建模軟件本身的功能特點，筆者嘗試設計基于ABC3D建模軟件的創客教學模式，如圖所示。

4.1 課前活動設計

4.1.1 情景設計

教師通過構建各個模型的使用情景，根據創客課程中的直觀教學原理、情知對稱原理、寓教于樂原理、因材施教原理，給予學生基于真實情景的學習體驗。將生活實際與創客教育相融合，打造基于創客項目學習的創客課程。

4.1.2 任務設計

設計基于ABC3D建模軟件的學習任務，使得學生帶著任務學習建模知識與技巧，促使學生體驗到完成學習任務的滿足感，并鞏固所學知識激發學習興趣。

4.2 課堂活動設計

4.2.1 情景導入

構建模型的選擇并不是空穴來風的，創客課程內容的選取必須具備一定的現實意義。教師以語言描述或者實際操作的方式創建建模的問題情景，通過展示實物或者圖片等方式，結合現實生活經驗，啟發學生從三維設計的角度思考模型。

4.2.2 學習目標

教師通過向學生介紹每次課程的學習目標，讓學生明確課程學習中需要掌握哪些核心內容與技巧，為后續知識內容的學習“拋錨”。學習目標的設定是為了讓學生在“做中學”“玩中學”的過程中有的放矢，而不是漫無目的地探索嘗試。

4.2.3 設計分析

教師通過向學生提問三維模型的組成部分，引導學生分析該情景下的物體構造并逐步模擬抽象出三維模型，充分調動學生積極思考。教師運用三維軟件或者PPT等工具展示出該模型的結構分析圖，對模型設計的重難點進行詳細分析。

4.2.4 建模制作

教師通過講解對調整目標對象的相對位置與大小尺寸，為學生構建三維模型提供思路[12]。注重對三維建模中構建對象的步驟分析，將構建整個模型的大目標逐步分解為若干個小目標，分步驟完成各個部分的模型構建最后組合模型。建模制作中強調引導學生逐步完成任務，有助于學生通過量化體系反映自身的學習進度與學習質量，使得整個建模過程能夠被固定的學習行為模式化，讓學生看見建模過程中進步的可見。除了構建模型具體步驟的講解分析以外，還需要注重對于一些特殊工具的使用講解，幫助學生熟練掌握ABC3D建模軟件中的各個工具。

4.2.5 保存分享

學生借助ABC3D建模軟件提供的分享交流的云平臺，通過上傳自己的3D模型作品，與其他同學分享思考創作的過程以及學習經驗、技巧。教師和家長也可以借由云平臺提供的展示功能，觀察學生的作品并對作品給予一定的評價，加強與學生的互動溝通。通過云平臺的分享評價模式，將學生、教師與家長聯系起來，打造三方互動的創客教育生態圈。

4.2.6 3D打印

根據學生設計完成的三維模型，以PLA聚乳酸和ABS工程塑料作為原材料，使用3D打印機將三維模型打印成實物。3D打印作為創客們“造物”的一種手段與方法，在創客教育中占有重要地位。

4.2.7 評價反思

教師采用創客課程中多元化的評價方式，綜合作品完成情況、情感、學習態度與價值觀等多方面對學生進行評價，對于一些優秀的作品給予表揚和鼓勵并適當地進行展示。教師還應針對不同學生給予個性化的評價[13]，讓學生知道建模作品的不足以便繼續改進。

4.3 課后活動設計

4.3.1 課堂內容總結

在課堂教學活動結束后，教師針對課堂中學生的表現情況與課程自身的設計內容，對教學過程中的不足之處進行反思總結，不斷地優化教學設計方案。

4.3.2 課后作業布置

結合課堂所講解的建模知識，布置相應建模學習內容的作業練習，鞏固學習效果。

5 將ABC3D建模軟件應用創客教育的優勢

5.1 3D打印技術的發展

3D打印技術具有在較短時間內運用較為簡單的工序呈現出尺寸精細、結構復雜、性能特殊模型的優勢，滿足各個學段學生進行創客課程學習的需求。將3D打印技術融入創客教育之中，充分發揮學生的好奇心與求知欲，將學生的想法創意轉變成為模型實物，啟發學生在不斷的實踐中探索科學知識。

5.2 結合多種學科知識

以3D模型的構建為核心結合各科的學科知識，比如融合數學、物理、藝術、生物、化學等學科知識[14]。注重跨學科綜合性課程的情境性、體驗性、趣味性、實證性、協作性、設計性、藝術性和技術增強性的特點[15]，有效地擴充課程內容的學習深度與廣度。將這些科學知識融入3D建模軟件的課程中的項目模型，讓學生在創新創造的過程之中“做中學”“玩中學”。

5.3 培養學生的多種能力

5.3.1 建立空間想象能力

學生在使用ABC3D建模軟件進行構建模型的過程中，通過立體幾何模型鍛煉空間想象能力，為后續學習數學課程中的立體幾何知識奠定基礎。在ABC3D建模軟件中，學生可以通過建模區的模型的各個角度充分觀察模型的各個視圖。利用ABC3D建模軟件自主繪制各式各樣的立體圖形，使學生通過對3D模型多方位多角度地細致觀察，解決二維模型和三維模型在學生視覺中的差異。

5.3.2 跨學科知識的應用能力

學生構建三維模型需要用到很多數學知識，如對稱軸、空間坐標系、中心對稱、旋轉平移、立體幾何等內容。模型設計與構建的過程就是學生在不斷地運用這些數學知識的過程。學生在設計3D模型能夠結合已有的知識深入理解在設計之中的概念與原理，提升綜合運用知識的能力。

5.3.3 自主學習能力

在創客課程中，學生利用ABC3D建模軟件設計開發三維模型，通過3D打印機將模型呈現出來，將創意實物化。引導學生結合自身想法通過觀察現實生活，使用3D打印技術解決問題。學生從被動學習知識逐漸轉變為主動學習知識，鍛煉探索能力與自主學習能力。

6 創客課程面臨的挑戰與總結

創客教育的興起源于國外，在借鑒外國創客經驗的同時，國內的創客課程教學體系亟須完善，具體體現在本土化的創客課程教材的建設、創客課程網絡資源的豐富、創客課程設備的開發與創客教育系統生態體系的完善等方面。以創客課程為教學載體，以創客活動為教學平臺，以創客實踐為教學基礎，以創新創造為教學原則，立足于創客教育教材、形式、認證等多維度創新。

6.1 注重對創客課程的教材建設

按照創客的各年齡階段、創客基礎能力與創客教學需求的不同，選取小顆粒度的教學對象來編寫相應的校本教材或通用教材。創客教材的建設應注重學生創客精神與創客能力的發展以及在“創客”活動過程中的學習體驗，避免陷入了“技術本位”教學誤區[16]。基于ABC3D建模軟件的創客課程教材應注重各個建模項目之間的邏輯銜接，設計跨學科的教學內容與多元化的教學活動，突出塑造學生的立體思維。

6.2 舉辦開展各類創客活動

實現創客教育的可持續性發展就必須激發學生對創客的熱愛。不僅要把握創客課堂上對于創客知識的講解，還要注重積極開展各類的創客活動。組織開展多元化的創客比賽、創客知識講座與創客節日，充分利用各類的少年宮、科技館、夏令營等教育資源，創建多樣化創客教育實踐基地，組建各類創客社團與興趣小組，開辦有關創客知識的線上線下講座。將學校的創客教育與校外的創客教育整合起來，培養激發學生的創作欲望與創客熱情，提高學生的創客實踐能力。例如，基于ABC3D建模軟件創客比賽的主題來源于生活中的各種元素，如圖4所示。

6.3 善用游戲化思維做創客教育

通過游戲化思維與創客課程設計的融合，將游戲化思維與游戲化技巧應用于課程教學之中。通過對學生建立的3D模型進行點贊、收藏、評論、分享等活動，以等級、積分、排行榜為呈現方式，將游戲化元素融入課程教學中，激勵學生不斷地創新創造，使得課程教學變得更加有趣。充分發揮游戲化中的適度獎勵和即時性反饋的優勢，讓學生在完成屬于自己的3D模型創客作品后能夠享受到學習創作的樂趣。

6.4 關注創客教師的師資建設

創客教育優質的師資力量是創客教育行業不斷發展壯大的立足之本。要想培養出敢于創新、勇于創造的“創客”，創客教師自身應該熱愛創客、尊重創客，具有設計、組織、指導創客實踐活動等教育教學能力。創客教師既是創客課程的主要實施者，也是將創客知識、創客思維應用于實際生活、服務于生活的先行者。

積極組織創客教師討論溝通，提高創客教師可持續發展的專業素養與能力。對于創客教師，通過教學反思、合作交流、校本培訓、校外支援與教學實踐等多種形式，以繼續教育、校本教研為載體，切實豐富創客教師的知識基礎，構建創客教師的專業素養。《論創客教師的知識基礎》一文中分析了創客教師知識成分[17]，《創客教師專業素質結構研究》一文中構建了創客教師專業素養結構整體框架[18]。從事創客課程教學的教師需要緊跟創客行業的發展，掌握先進的創客教學方法、積累創客課程教育經驗以及整合運用信息技術能力。創客教師本身的創客素養、創客實踐能力、創客知識儲備，影響著創客課程的教學效果。

6.5 注重創客教師的教學評估

創客教師的教學評估是有效進行創客教學的基礎。各中小學應從自身實際出發，明確創客教師的教學評估原則，優化創客教師的教學評估過程以及完善創客教師的評估監控制度[19]。制定并完善適合本校創客教育教學實際的評估體系與監察體系，并成立專門的組織、監督、評估機構，以評促教，以評促學，推進創客教育的實施與建設。

7 結束語

隨著我國應試教育改革的逐步深入，創客教育理念正與傳統的教育課程不斷融合。以3D打印技術為重要橋梁與手段推動集創新教育、發現學習、項目學習于一體的創客教育的發展，將課堂轉變為創客們的創客空間。將適用于中小學生使用的ABC3D建模軟件與創客課程相融合，為各地中小學、教育機構的創客教育提供了培養渠道。我國創客教育方興未艾，關于創客教育的探討需要更多學者不斷地研究分析，避免將創客教育異化成為中小學的“技術培訓”“硬件銷售”，創造出一條符合國內教育國情與發展狀況的創新創客之路。

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【通聯編輯：王力】

收稿日期：2021-05-24

基金項目：湖北師范大學本科生科研立項“基于ABC3D建模軟件的中小學創客課程研究”

作者簡介：曹義志（1998—），男，湖北十堰人，在讀本科，主要研究方向為教育信息化;張勉（1999—），男，湖北黃石人，在讀本科，主要研究方向為教育信息化;王晴（2001—），女，河南許昌人，在讀本科，主要研究方向為教育信息化;徐鵬飛（2000—），性別男，湖北十堰人，在讀本科，主要研究方向為教育信息化;楊先鋒（1999—），男，湖北十堰人，在讀本科，主要研究方向為教育信息化;通訊作者：關衛軍（1974—），男，講師，主要研究方向為計算機應用，數據庫技術。