例谈3D建模设计“智”造创意未来

    钱耀刚　卫梦婷

    当今，创客教育在中小学盛行，其借助基于设计、基于项目和探究性学习等方式的教育理念，以真实问题为导向，强调知识与能力并重，倡導学生在解决实际问题的过程中获得知识与技能，同时获得创新能力的培养。3D打印作为一种新兴的技术正从行业中走进学生课堂，3D创客教育逐渐引起教育者的关注。作为中小学3D打印课程设计者，笔者急切地希望探究一种有效的方法与途径来丰富基于创造的学习形态，让学生在学习3D建模设计过程中，积极体验作品从设计到形成的过程，从而拓展学生在数学、科学、设计、美术、工程等方面的知识面，解决他们学习生活中的实际问题，培养他们的设计思维和创新能力。下面，笔者根据自己的教学实践，谈谈在利用3DOne软件三维设计建模教学过程中如何有效培养学生的创新思维能力。

    ● 基于特定主题，以兴趣为先导，激发学生学习动机

    与传统课程相比，3D打印教学让学生体验作品从无到有的产生过程，在设计与建模的过程中都需要学生亲自参与和完成，这样有利于学生观察能力、思考能力、空间思维能力以及操作能力的提高，整个过程充分激发了学生的学习兴趣与积极性。

    笔者在介绍3DOne功能时，演示了一些简单模型的制作方法，学生的兴趣被激发出来，迫不及待要求自行操作，而且95%的学生当堂就能利用多种基本实体完成简单作品。之后的每节课，笔者都以主题式的教学铺展开来，如总主题“一起来设计我们的书桌”，整个教学设计就围绕这一主题开设相关分主题课程模块，如“搭积木”“汉诺塔”“课桌椅”“台灯”“笔筒”“花瓶”“茶杯”“电脑”等。每一课程主题都承上启下、环环相扣，学生不仅学有兴趣，而且学有余力。每节课，学生都沉浸在3DOne建模设计中，学习兴趣浓厚，整个课堂气氛也活跃起来。

    ● 基于课程整合，与学科相渗透，促进学生思维发展

    在应试教育制度的束缚下，学生的深度思维和创造力受到了限制，学生难以将所学知识灵活运用。实践证明，在三维实体建模教育中进行跨学科整合是可行的、有效的。学生在3D建模过程中能从更多视角认识学科之间的联系，提高综合运用知识解决问题的能力。[1]

    例如，在学习《花瓶》一课时，学生学会使用旋转、缩放命令构造花瓶的方法，也有助于其数学上“空间与图形”中的“旋转”“对称图形”“缩放”等知识的学习与巩固。很多3D设计的空间模型能够增进小学数学空间与图形常识，如图形的认识、测量、图形的运动、图形与位置的学习。又如，在学习《汉诺塔》时，学生亲手绘制草图轮廓，并创建三维实体，不仅学习了几何知识，还培养了空间思维能力。在使用布尔加、减、交运算对几何实体进行组合编辑时，学生直观地体会了布尔加运算即将基体和合并体融合成为一个基体的命令，最后得到基体与合并体的并集;布尔减运算则是将基体与合并体相交的部分在基体上切除下来的命令，最后得到基体中不与合并体相交的部分;而布尔交运算是留下基体与合并体重合部分的命令，最后得到的是基体与合并体的交集，并且基体与合并体无先后顺序。这对于从来没有接触过布尔运算以及并集、交集的小学生来说，这种直观的知识体现必定易于理解，且印象深刻。很多组合模型的设计都能够让学生体会到从局部到整体或从整体到局部的空间感。3D建模可以使学生感受到从现实生活的实景中抽象出图形的过程，也可以使学生体验图形的内部结构、图形的旋转运动、图形与位置的测量。[2]

    3D建模中将创作从平面转向立体，引导学生对部分模型进行倒角与圆角的修饰、材质渲染，这都在引导学生对作品的细节部分进行优化和完善，提升学生艺术审美能力与素养。《手机与相框》《自行车模型》《旋转木马》等综合性较强的设计课，除了融合数学与美术相关学科外，还包括科学、机械、物理、信息技术等方面的知识。例如，在设计桌椅的过程中，首先考虑椅子的稳定性与平衡性，避免出现斜倒、扭曲的状况，其次要考虑椅子的承重力。

    3D建模在同其他课程融合的同时，将概念和知识立体化、具体化、可视化，不仅促进学生全面理解知识，更能提升学生分析、设计、评估、实践和创造能力，促进学生的计算思维、分析性思维与创新性思维以及系统思维的发展。

    ● 基于自主协作，以项目为核心，启迪学生创造意识

    项目式学习是极佳的创意培养方式。项目式学习，可以给定设计的主题，让学生发挥想象，外观、功能由学生自己决定，只要符合设计主题即可，这样能更深层次地培养学生的创新意识。[3]

    另外，教师所布置的任务应当具有灵活多变性，即需依据学生学习情况的不同制订个性化的学习任务。针对已有一定基础的学生，可以布置一些具有挑战性的创造性项目来调动学生学习的积极性，学生可以自主完成，也可以同伴合作探究，在探索过程中，锻炼了协调能力、合作能力与创新意识。例如，在设计《桌椅》时，笔者引导学生根据自己生活与学习的实际情况讨论设计的桌椅有什么不方便或者想解决的问题，学生提出的问题有东西多课桌里面放不下、文具盒总是没地方放等。接着，笔者让学生根据提出的问题，找到解决方案，设计了新的书桌。在解决实际问题的过程中，学生不但看到了生活的细节，还设想了具有创造性的方案，这正是对创新意识与解决问题能力的培养。

    又如，《儿童乐园——旋转木马》是学生进行的第一个探究性3D建模项目，对学生的建模能力是极大的挑战。在3D建模的时候，学生们小组协作，按照先部分再整体的思路，通过绘制旋转木马构建整体概念及数据，再逐渐增加绘制难度，挑战个性化的旋转木马的3D建模。项目实施过程让学生在抽象概念和直观经验之间自由转换，使学生切身体会到所学知识与实践应用之间的密切联系。这种项目式学习方式提高了学生自主探究学习的意识以及解决问题的能力，拓展了学生的学习宽度和深度，培养了学生的创新精神。

    ● 基于steam理念，以竞赛为契机，提高学生综合素养

    笔者的3D打印课程教学分为两个阶段：第一阶段是掌握3Done软件的使用与工具的整合阶段;第二阶段是项目式探究阶段。笔者通过创设一个个有趣的生活应用类情境，让学生利用3D打印技术贴合实际，解决现实生活中的问题。

    例如，“自行车”项目包括以下流程：①发布任务。教师简单介绍自行车既是交通工具，又是娱乐工具、健身工具，还是杂技道具;自行车有省力的，有吃力的，有结实的，有美观的。学生以小组为单位，比一比哪一组设计的自行车合理、耐用、美观。②调查和分析。学生查阅相关自行车材料，并尝试对自行车分类，选择一种自行车进行设计。③自行车草图的绘制。学生根据所学知识，完成自行车的初步设计。④计算并修改。依据草图计算相关结构的尺寸，讨论并修改自行车设计。⑤建模打印并组装。利用3DOne软件，完成自行车模型相关结构件模型并打印，最后组装成完整的自行车。⑥项目展示、评价、反思。各项目小组汇报并展示本小组作品，采用小组自评、互评和教师评价等方式综合评价各项目小组。整个项目式学习的过程充分体现了STEAM教育理念，将科学、技术、工程、艺术、数学巧妙地结合，锻炼思维的广阔性和敏捷性，强调项目任务的分解、计算、修改、优化，锻炼思维的整合性和深刻性，以此发展学生综合运用各个学科知识解决问题的能力，提高学生的动手能力，增强其合作意识，学生各方面的素养都得到了提高。

    3D建模设计融入小学信息技术教育，为学生搭建了一个综合运用知识与技能、培养创新思维能力的平台。[4]实践表明，3D打印课能够激发学生创造新事物的兴趣，学生利用三维建模将想法变为现实，提高了设计能力、批判性思维、问题解决能力，促使学生积极想象，并最终创造性地实现它。而项目式学习让学生拥有一个观察、探索、实践和不断完善的完整过程，为学生开辟了一种全新的思维平台。

    STEAM教育强调学生的设计能力、批判性思维和解决问题的能力，3D建模设计融入小学信息技术课堂，有助于推动STEAM 教育，催生创客式的教学新样态，培养学生的创客意识与工程师精神。3D打印课程的开展使很多“动手做”类型的课程设计变得直观化，实现了平面教育到立体教育的转变，激发了学生投身技术和工程领域的热情，从而为教育科技創新提供平台。[5]

    参考文献：

    [1]徐振宇.3D打印课程在小学信息技术领域的探索与实践[J].中小学信息技术教育，2016（10）：74-77.

    [2]雷玲.小学数学教学如何利用3D打印技术培养学生的空间感[J].西部素质教育，2016（07）：91-94.

    [3]夏小刚，郑刚.基于工程实践的STEAM项目设计与实施——以“3D打印——桥的设计与制作”为例[J].中小学数字化教学，2018（01）：56-58.

    [4]王悦钢.3D建模设计培养学生创新思维能力——以浙江省绍兴市第二届创新模型设计挑战赛为例[J].中小学信息技术教育，2018（01）：69-71.

    [5]李柯影，郑燕林.3D打印技术在中小学教学中的应用——以英国中小学课堂引进3D打印技术项目为例[J].现代教育技术，2015（04）：108-114.