3D CAD支持中學(xué)生創(chuàng)造力和空間能力發(fā)展的實(shí)證研究 *

孫江山，林立甲，任友群

(1.華東師范大學(xué) 教育信息技術(shù)學(xué)系，上海 200062；2.華東師范大學(xué) 心理與認(rèn)知科學(xué)學(xué)院，上海 200062；3.華東師范大學(xué) 課程與教學(xué)研究所，上海 200062)

3D CAD支持中學(xué)生創(chuàng)造力和空間能力發(fā)展的實(shí)證研究 *

孫江山1，林立甲2，任友群3①

(1.華東師范大學(xué) 教育信息技術(shù)學(xué)系，上海 200062；2.華東師范大學(xué) 心理與認(rèn)知科學(xué)學(xué)院，上海 200062；3.華東師范大學(xué) 課程與教學(xué)研究所，上海 200062)

空間能力是個體能力發(fā)展的重要部分，創(chuàng)造力被認(rèn)為是從事STEAM領(lǐng)域工作應(yīng)具備的重要能力。3D CAD已廣泛應(yīng)用于概念原型和創(chuàng)意設(shè)計(jì)的三維特性的可視化表征。該文結(jié)合當(dāng)前中學(xué)的3D打印與創(chuàng)意設(shè)計(jì)課程學(xué)習(xí)，探索性實(shí)證分析3D CAD學(xué)習(xí)與中學(xué)生空間能力和創(chuàng)造力發(fā)展的關(guān)系。研究結(jié)果表明：3D CAD學(xué)習(xí)能增強(qiáng)空間能力，特別是空間想象力，3D CAD學(xué)習(xí)中空間能力與創(chuàng)造力之間有正相關(guān)關(guān)系。3D CAD學(xué)習(xí)對創(chuàng)造力表現(xiàn)有積極影響，并且3D CAD學(xué)習(xí)對空間能力和創(chuàng)造力表現(xiàn)的影響存在性別差異。在當(dāng)前跨學(xué)科、項(xiàng)目引領(lǐng)的3D CAD支持的STEAM創(chuàng)新能力教育項(xiàng)目建設(shè)與實(shí)踐中，除考慮科學(xué)、工程與技術(shù)核心概念與準(zhǔn)則的教育外，要重點(diǎn)關(guān)注培養(yǎng)學(xué)生的空間能力，提升學(xué)生的創(chuàng)造力表現(xiàn)；可以將3D CAD融入到學(xué)校課程體系實(shí)現(xiàn)普及和常態(tài)化，在新一代信息技術(shù)支持的跨學(xué)科、項(xiàng)目學(xué)習(xí)引導(dǎo)的創(chuàng)新學(xué)習(xí)環(huán)境中，探索STEAM教育的技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新、教學(xué)模式創(chuàng)新及教學(xué)實(shí)踐創(chuàng)新。

3D CAD；空間能力；創(chuàng)造力；STEAM；創(chuàng)新能力教育

一、引言

空間能力是指個體對客體或空間圖形在頭腦中進(jìn)行識別、編碼、貯存、表征、分解/組合和抽象/概括的能力， 主要包括空間觀察、空間記憶、空間思維和空間想象等能力因素[1]?？臻g能力結(jié)構(gòu)中起主要作用的因素是空間想象力(Spatial Visualization)[2]。中學(xué)生空間能力結(jié)構(gòu)中主要包含的圖形分解/組合能力、心理旋轉(zhuǎn)能力、空間定向能力和空間意識能力都屬于空間想象能力的范疇，在中學(xué)生空間能力結(jié)構(gòu)中起著最主要的作用[3]。STEAM領(lǐng)域中包含有許多具有空間能力特性的學(xué)科內(nèi)容，空間能力被認(rèn)為是技術(shù)與工程教育中個體能力發(fā)展的重要部分，特別是在早期先修課程中能提升教學(xué)效果[4][5]。已有研究認(rèn)為空間能力與工程、數(shù)學(xué)和科學(xué)等學(xué)科教育存在正相關(guān)，例如空間能力影響學(xué)生的化學(xué)學(xué)業(yè)水平中的問題解決能力和形象化表達(dá)能力(Mental Image)[6]。在與空間認(rèn)知密切相關(guān)的機(jī)器人教學(xué)活動中，中學(xué)生取得了基于空間想象能力之上的數(shù)學(xué)關(guān)系形象化表達(dá)能力和空間思維能力的提高[7]。有證據(jù)表明：在中學(xué)教育階段，STEAM相關(guān)學(xué)科的學(xué)業(yè)水平存在明顯的性別差異，如數(shù)學(xué)和科學(xué)的學(xué)業(yè)成績高的男生明顯多于女生[8]，在工程科技、信息與計(jì)算機(jī)科學(xué)等工程技術(shù)相關(guān)課程取得學(xué)業(yè)成就的男生明顯多于女生[9]。有研究發(fā)現(xiàn)在高中生的空間想象力和幾何學(xué)業(yè)水平上存在性別差異[10]。也有研究在高中生的空間想象力和化學(xué)學(xué)業(yè)水平上未發(fā)現(xiàn)存在性別差異，但都有明顯的提高[11]。

創(chuàng)造力是認(rèn)知、社會和情感活動的重要組成部分。它以新穎的獨(dú)創(chuàng)性的想法和構(gòu)思來表征，個性創(chuàng)造力表現(xiàn)具體包括創(chuàng)造性認(rèn)知行為和創(chuàng)造性情意行為。創(chuàng)造力和理解、運(yùn)用已有知識產(chǎn)生出某種新穎、獨(dú)特和有價值的創(chuàng)意和產(chǎn)品的創(chuàng)造性思考活動緊密相連的。創(chuàng)造力被認(rèn)為是技術(shù)與工程領(lǐng)域的工程師和設(shè)計(jì)師應(yīng)具備的重要能力，是整個產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)過程的關(guān)鍵，特別是在初期的概念原型設(shè)計(jì)階段。

當(dāng)今三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(3D CAD，3D Computer-aided Design)已廣泛應(yīng)用于概念原型和創(chuàng)意的三維特性的表述，更靈活和直觀的3D CAD通過提供交互式的可操控的三維信息強(qiáng)化了逼真的空間感知。在3D CAD支持的任務(wù)協(xié)作情境中，更需要創(chuàng)造性思維和創(chuàng)造性地問題解決能力的表現(xiàn)[12]。這使得工程師和設(shè)計(jì)師的產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率和品質(zhì)越來越高，特別是在創(chuàng)意交流和創(chuàng)新制造初期表現(xiàn)突出。

通過有效的學(xué)習(xí)可以提高空間能力，主修與空間能力密切相關(guān)的學(xué)科和參加計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)課程及培訓(xùn)的學(xué)生空間能力提升尤為明顯[13]。有研究表明3D CAD提高了學(xué)生的審美能力，增強(qiáng)了學(xué)生的創(chuàng)造性表現(xiàn)[14]。但有研究也認(rèn)為3D CAD會阻礙新手的創(chuàng)造性思維活動[15]。

隨著信息化教育改革的推進(jìn)，在面向不同專業(yè)教育(科學(xué)、工程與技術(shù)教育)和不同學(xué)段(小學(xué)、初中、高中、大學(xué))的制圖課程中3D CAD所占比重越來越高，3D CAD支持的創(chuàng)新教育的影響需要更多的實(shí)證研究的支持。本文將在上述已有研究基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)下中學(xué)的STEAM教育實(shí)踐，探索性實(shí)證分析3D CAD與中學(xué)生創(chuàng)造力和空間認(rèn)知能力發(fā)展的關(guān)系，重點(diǎn)關(guān)注在中學(xué)生空間能力和創(chuàng)造力培養(yǎng)方面，3D CAD學(xué)習(xí)有無效果，是否存在性別差異，并依據(jù)研究考慮如何通過3D CAD支持的創(chuàng)新教育設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)科技創(chuàng)新能力的提高。

二、研究設(shè)計(jì)與實(shí)施

(一)研究對象

上海市閔行區(qū)一所科技教育示范中學(xué)的48名六年級和七年級中學(xué)生參與了實(shí)驗(yàn)研究。3D打印與創(chuàng)意興趣班的24名中學(xué)生作為實(shí)驗(yàn)組，除5名沒有完成整個測試外，實(shí)驗(yàn)組包括12名男生(63%)，7名女生(37%)；來自六年級和七年級的24名中學(xué)生作為對照組，包括18名男生(75%)，6名女生(25%)。

(二)測試工具和材料

本研究采用了心理旋轉(zhuǎn)測試PSVT：R和威廉斯創(chuàng)造力測試(CAP)。

空間能力測驗(yàn)與其應(yīng)用研究中多采用心理旋轉(zhuǎn)測驗(yàn)(Mental Rotation Test，MRT)來測量個體空間能力差異的表現(xiàn)。心理旋轉(zhuǎn)指的是人們想象出物體以某種角度旋轉(zhuǎn)后的形狀表征，是一種持續(xù)的空間操控能力認(rèn)知過程?？臻g操控測驗(yàn)的測驗(yàn)材料種類包括實(shí)物照片、人工合成圖形、二維圖形和三維圖形等。心理旋轉(zhuǎn)測試PSVT：R(the Purdue Spatial Visualization Tests: Visualization of Rotations)是測試個體對空間旋轉(zhuǎn)后的物體的分辨能力。該測試由30道題目組成，采用的是可圍繞多個軸旋轉(zhuǎn)的三維圖形，通過研究物體是如何旋轉(zhuǎn)的，想象出目標(biāo)物體按照完全相同的方式旋轉(zhuǎn)后呈現(xiàn)的位置形狀表征。

威廉斯創(chuàng)造力測試(Creativity Assessment Packet，CAP)用于測量個體的創(chuàng)造性傾向。《創(chuàng)造性思維活動測驗(yàn)》包含12幅待對已有線條填充的圖畫，通過圖形創(chuàng)意設(shè)計(jì)測量被試的創(chuàng)造性認(rèn)知行為的相關(guān)指標(biāo)，包括新穎性、流暢性、變通性、開放性、標(biāo)題和精致性等。本研究測量被試中學(xué)生時選取了三項(xiàng)指標(biāo)，即新穎性、流暢性、變通性?！秳?chuàng)造性思維傾向測驗(yàn)》是三點(diǎn)自陳量表，有50道題目，可測量創(chuàng)造性情意行為特質(zhì)的相關(guān)指標(biāo)，包括好奇心、想象力、挑戰(zhàn)性和冒險性四項(xiàng)。

(三)施測程序

對參與實(shí)驗(yàn)研究的中學(xué)生進(jìn)行了心理旋轉(zhuǎn)測試PSVT：R和威廉斯創(chuàng)造力測試(CAP)，并采用紙筆測驗(yàn)進(jìn)行等組前后測試。實(shí)驗(yàn)組的中學(xué)生選修了3D打印與創(chuàng)意設(shè)計(jì)校本拓展課，3D打印與創(chuàng)意設(shè)計(jì)課程教學(xué)設(shè)計(jì)如表1所示，在第二單元的3D CAD模塊中，包含了每周2課時，4周共8課時的課程學(xué)習(xí)。對照組的中學(xué)生除沒有參與3D打印與創(chuàng)意課程學(xué)習(xí)外，其他課程學(xué)習(xí)與實(shí)驗(yàn)組的中學(xué)生完全相同。研究數(shù)據(jù)使用PASW Statistics 18.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

表1 3D打印與創(chuàng)意設(shè)計(jì)課程的教學(xué)設(shè)計(jì)

三、研究結(jié)果

(一)3D CAD對空間認(rèn)知能力培養(yǎng)有積極的影響并存在性別差異

獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)結(jié)果顯示學(xué)習(xí)3D CAD課程的實(shí)驗(yàn)組的心理旋轉(zhuǎn)高于對照組，t=-1.81，p ＜ .10，d = .52。以性別為組間自變量、測試時間為組內(nèi)自變量、空間認(rèn)知能力前后測分?jǐn)?shù)為因變量的兩因素混合方差分析結(jié)果(如表2所示)顯示，學(xué)生在學(xué)習(xí)3D CAD課程時性別差異對空間認(rèn)知能力影響分析中，男生和女生存在性別差異的主效應(yīng)，其他主效應(yīng)和交互作用不顯著。配對樣本t檢驗(yàn)結(jié)果顯示學(xué)習(xí)3D CAD課程對男生的空間認(rèn)知能力培養(yǎng)有統(tǒng)計(jì)意義上的顯著影響，心理旋轉(zhuǎn)有明顯提高，并且在學(xué)習(xí)3D CAD課程后，男生的空間認(rèn)知能力有統(tǒng)計(jì)意義上的明顯優(yōu)勢(如表3所示)。

表2 學(xué)習(xí)3D CAD課程的空間認(rèn)知能力前后測Univariate結(jié)果

表3 學(xué)習(xí)3D CAD課程的空間認(rèn)知能力前后測配對t檢驗(yàn)結(jié)果

(二)3D CAD對創(chuàng)造力培養(yǎng)有積極的影響并存在性別差異

配對樣本t檢驗(yàn)結(jié)果顯示學(xué)生學(xué)習(xí)3D CAD課程對創(chuàng)造性思維活動的變通性有統(tǒng)計(jì)意義上的顯著變化，變通能力有明顯提高(如表4所示)。以性別為組間自變量、測試時間為組內(nèi)自變量、創(chuàng)造性思維活動前后測分?jǐn)?shù)為因變量的兩因素混合方差分析結(jié)果顯示，學(xué)生在學(xué)習(xí)3D CAD課程時性別差異對創(chuàng)造性思維活動影響分析中，男生和女生存在性別差異(如表5所示)。同時，學(xué)生在學(xué)習(xí)3D CAD課程時性別差異對創(chuàng)造性思維活動的流暢性影響分析中，男生和女生在流暢能力上存在性別差異(如表6所示)。

表4 學(xué)習(xí)3D CAD課程的創(chuàng)造性思維活動前后測配對t檢驗(yàn)結(jié)果

表5 學(xué)習(xí)3D CAD課程的創(chuàng)造性思維活動前后測Univariate結(jié)果

表6 學(xué)習(xí)3D CAD課程的創(chuàng)造性思維活動的流暢性前后測Univariate結(jié)果

(三)3D CAD對不同空間認(rèn)知能力的學(xué)生的創(chuàng)造力培養(yǎng)存在差異

通過協(xié)方差分析ANCOVA來比較不同空間能力(低空間能力、普通空間能力和高空間能力)的學(xué)生在新穎性、流暢性和變通性上是否有差異。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，3D CAD對不同空間認(rèn)知能力的學(xué)生的創(chuàng)造力培養(yǎng)存在差異，創(chuàng)造性思維活動的新穎性明顯存在差異，創(chuàng)造性思維活動的變通性明顯存在差異。事后檢驗(yàn)的結(jié)果表明，在創(chuàng)造性思維活動上高空間認(rèn)知能力的學(xué)生和普通認(rèn)知空間能力的學(xué)生無明顯差異，低空間認(rèn)識能力的學(xué)生的新穎性明顯低于普通的空間認(rèn)識能力的學(xué)生(如表7所示)。

表7 學(xué)習(xí)3D CAD課程的不同空間認(rèn)知能力的學(xué)生的創(chuàng)造性思維活動ANCOVA檢驗(yàn)結(jié)果

四、討論分析

(一)3D CAD學(xué)習(xí)中空間能力差異對創(chuàng)造力表現(xiàn)有影響

研究數(shù)據(jù)結(jié)果顯示3D CAD學(xué)習(xí)能增強(qiáng)空間能力，特別是空間想象力。同時也發(fā)現(xiàn)低空間認(rèn)知能力的學(xué)生的創(chuàng)造力表現(xiàn)明顯偏低，這一定程度上驗(yàn)證了創(chuàng)造力與空間能力之間是正相關(guān)關(guān)系[16]。神經(jīng)心理學(xué)研究支持空間能力對創(chuàng)造力會產(chǎn)生影響[17]，STEAM領(lǐng)域的相關(guān)研究認(rèn)為空間能力是學(xué)生創(chuàng)新能力表現(xiàn)的重要影響因素。3D設(shè)計(jì)的創(chuàng)造力表現(xiàn)需要具備相當(dāng)空間能力，由于空間能力高的學(xué)生在3D CAD設(shè)計(jì)中知道如何運(yùn)用構(gòu)成對象的不同組件間的空間關(guān)系，這讓他們在產(chǎn)品創(chuàng)意設(shè)計(jì)與制作活動中的創(chuàng)造力表現(xiàn)更突出。

(二)3D CAD學(xué)習(xí)對創(chuàng)造力表現(xiàn)有積極影響

研究數(shù)據(jù)結(jié)果表明3D CAD對中學(xué)生的創(chuàng)造力培養(yǎng)有積極的影響。3D CAD無論是對有經(jīng)驗(yàn)還是缺乏經(jīng)驗(yàn)的使用者都有積極地影響到創(chuàng)造性思維活動和問題解決能力的可能。3D CAD在增強(qiáng)中學(xué)生創(chuàng)造力表現(xiàn)的審美能力方面尤為突出[18][19]。有的研究認(rèn)為使用3D CAD會有助于激發(fā)內(nèi)在動機(jī)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作，從而提升創(chuàng)造力，在時間有限的情況下實(shí)現(xiàn)甚至超越預(yù)期的任務(wù)要求[20]。

(三)3D CAD學(xué)習(xí)對空間能力和創(chuàng)造力表現(xiàn)影響有性別差異

研究數(shù)據(jù)結(jié)果表明中學(xué)生在學(xué)習(xí)3D CAD時空間能力和創(chuàng)造力表現(xiàn)提高有明顯的性別差異。而且空間能力的性別差異主要體現(xiàn)在心理旋轉(zhuǎn)方面，特別是在低空間能力的學(xué)生中[21]。有的研究發(fā)現(xiàn)中學(xué)生在科技創(chuàng)作過程中創(chuàng)造力表現(xiàn)出顯著的性別差異，男生表現(xiàn)出較高的創(chuàng)造性情意傾向，女生則表現(xiàn)出較高的創(chuàng)造性認(rèn)知[22]。研究分析認(rèn)為在空間觀察方面，男生傾向關(guān)注整體空間信息，女生傾向分析細(xì)節(jié)，在空間思維方面，男生傾向使用的非語言模式思維，女生則傾向語言模式思維，完成測試空間任務(wù)所采用的空間策略不同體現(xiàn)了空間能力性別差異，并顯示出了男生的空間能力優(yōu)勢。但在空間任務(wù)復(fù)雜的情境下，需要采用混合空間策略的空間想象力的性別差異并不顯著[23][24]。

五、結(jié)論與建議

以上研究為基于3D CAD的STEAM創(chuàng)新能力教育實(shí)踐探索引入新的視角和思路，即在考慮科學(xué)、工程與技術(shù)核心概念與準(zhǔn)則的教育外，更要重點(diǎn)關(guān)注培養(yǎng)學(xué)生的空間能力，提升學(xué)生的創(chuàng)造力表現(xiàn)?？梢詫?D CAD融合到學(xué)校課程體系實(shí)現(xiàn)普及和常態(tài)化，但會面臨一系列涉及學(xué)習(xí)空間、師資、課程資源以及實(shí)踐活動的問題和挑戰(zhàn)。結(jié)合中小學(xué)開設(shè)的選修課，甚至是興趣班或社團(tuán)，可以將3D CAD融入新一代信息技術(shù)支持的跨學(xué)科、項(xiàng)目學(xué)習(xí)引導(dǎo)的創(chuàng)新學(xué)習(xí)環(huán)境中，探索STEAM教育的技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新、教學(xué)模式創(chuàng)新及教學(xué)實(shí)踐創(chuàng)新。

(一)3D CAD支持性別差異化空間能力培養(yǎng)

科學(xué)、工程與技術(shù)教育中的圖學(xué)教育目標(biāo)之一是提高學(xué)生的空間能力。實(shí)物制作、傳統(tǒng)手繪制和3D CAD都能增強(qiáng)空間能力[25-27]。可以在教學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)踐中搭建一系列基于3D CAD的圖形和非語言形式的學(xué)習(xí)支架，促進(jìn)學(xué)生的主動學(xué)習(xí)，通過圖形化表達(dá)和知識建構(gòu)協(xié)助差異化空間能力培養(yǎng)[28]。特別值得一提的是，人們普遍認(rèn)為在科學(xué)、工程與技術(shù)專業(yè)領(lǐng)域男生會比女生有更好的表現(xiàn)，這導(dǎo)致女生不太喜歡科學(xué)、工程與技術(shù)甚至于妨礙了她們在這些領(lǐng)域中的表現(xiàn)，社會角色職能的分工使得男生和女生經(jīng)歷了不同空間特性的活動，男生和女生所經(jīng)歷的不同空間活動經(jīng)歷是產(chǎn)生空間能力差異性的重要原因之一[29]。為了更好地實(shí)現(xiàn)性別差異化空間能力培養(yǎng)，需要在基于3D CAD的知識建構(gòu)學(xué)習(xí)活動設(shè)計(jì)中，創(chuàng)設(shè)體現(xiàn)男女不同空間認(rèn)知特性的任務(wù)情境，比如男生傾向于機(jī)械或電子制造的空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，女生傾向建筑和人形模型的空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

(二)3D CAD助力創(chuàng)新能力培養(yǎng)

3D CAD能增強(qiáng)學(xué)生空間想象力的提升，也可作為學(xué)生創(chuàng)新能力表現(xiàn)的可視化工具。3D CAD的建模特性能強(qiáng)化學(xué)生創(chuàng)造性設(shè)計(jì)表現(xiàn)，比如機(jī)械產(chǎn)品的功能性，或工藝品的精致性等。文獻(xiàn)研究和案例分析證實(shí)學(xué)生的創(chuàng)新能力發(fā)展與3D CAD應(yīng)用之間有關(guān)聯(lián)，隨著3D CAD引入應(yīng)用，學(xué)生的創(chuàng)新能力有明顯提高[30]。3D CAD支持學(xué)生創(chuàng)作并分享產(chǎn)品的互動式教學(xué)不會讓學(xué)生的學(xué)習(xí)更輕松，但是會讓創(chuàng)新學(xué)習(xí)更有效。相關(guān)案例研究發(fā)現(xiàn)合理利用3D CAD在增強(qiáng)可視化表達(dá)與交流、限制性思維與創(chuàng)造性思維互動方面有明顯作用[31]。3D CAD支持的各種“做”中學(xué)活動，在“學(xué)”與“做”的循環(huán)迭代中，讓學(xué)生的想法轉(zhuǎn)化成為三維數(shù)據(jù)模型，實(shí)現(xiàn)真正完整的創(chuàng)造者學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

(三)3D CAD支持的STEAM創(chuàng)新能力教育設(shè)計(jì)

作為跨學(xué)科、項(xiàng)目引領(lǐng)的STEAM創(chuàng)新能力教育實(shí)踐，目前中學(xué)主要是開設(shè)綜合實(shí)踐活動課程或校本拓展課程，引入新興ICT技術(shù)進(jìn)行科技創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式探索。當(dāng)前中學(xué)STEAM創(chuàng)新能力教育實(shí)踐項(xiàng)目的主要形式包容了不同社會文化背景個體DIY制造的創(chuàng)客空間，面向正式學(xué)習(xí)環(huán)境的科學(xué)探究與工程教育項(xiàng)目的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，以及融合技術(shù)與工程到各個學(xué)科的STEAM課程，這些STEAM創(chuàng)新教育實(shí)踐項(xiàng)目的最大共通點(diǎn)，是在工程教育模式CDIO(構(gòu)思—設(shè)計(jì)—實(shí)現(xiàn)—運(yùn)作)中，利用3D打印機(jī)、激光切割機(jī)等智能數(shù)字化設(shè)備實(shí)現(xiàn)原型創(chuàng)造，而關(guān)鍵環(huán)節(jié)是要能有效利用3D CAD，將學(xué)生的創(chuàng)意轉(zhuǎn)化為3D數(shù)據(jù)模型。其中代表性項(xiàng)目有美國的項(xiàng)目引路計(jì)劃和Fab @ School，配備3D打印機(jī)等桌面制造設(shè)備以及3D CAD建模工具，以方便學(xué)生利用這些技術(shù)進(jìn)行科學(xué)探究，相關(guān)項(xiàng)目已經(jīng)擴(kuò)展到包括中國在內(nèi)的世界各地[32-34]。據(jù)此，將3D CAD融入到學(xué)校課程體系實(shí)現(xiàn)普及和常態(tài)化，可以有三種形式:一是在信息技術(shù)、勞動與技術(shù)等綜合實(shí)踐活動課程中開設(shè)3D CAD模塊，支持3D打印、虛擬現(xiàn)實(shí)等新一代信息技術(shù)作為學(xué)習(xí)內(nèi)容引入以及作為工具應(yīng)用；二是開發(fā)基于3D CAD的校本拓展課程，探索可行的教學(xué)策略以普及和提高學(xué)生對創(chuàng)意與設(shè)計(jì)的興趣，在科學(xué)、工程與技術(shù)教育實(shí)踐中做到有效的應(yīng)用3D CAD，支持學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)；三是結(jié)合STEAM教育項(xiàng)目實(shí)踐，利用3D CAD創(chuàng)設(shè)一個任務(wù)驅(qū)動的互動創(chuàng)新學(xué)習(xí)環(huán)境，讓學(xué)生在解決實(shí)際問題中體驗(yàn)“設(shè)計(jì)思維”，經(jīng)歷構(gòu)思、設(shè)計(jì)、建造、探究和協(xié)作的設(shè)計(jì)過程，掌握工程教育的核心概念和準(zhǔn)則，促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新能力等高階思維的發(fā)展。

[1][3]李洪玉, 林崇德. 中學(xué)生空間認(rèn)知能力結(jié)構(gòu)的研究[J].心理科學(xué),2005,28(2):269-271.

[2]Mcgee M G. Human spatial abilities: sources of sex differences[M].New York: Praeger,1979.

[4]Sheryl A. Sorby. Educational Research in Developing 3-D Spatial Skills for Engineering Students[J]. International Journal of Science Education,2009,31(3):459-480.

[5]Lubinski D. Spatial ability and STEM: A sleeping giant for talent identification and development[J]. Personality & Individual Differences,2010,49(4):344-351.

[6]Bodner G M, Guay R B. The Purdue Visualization of Rotations Test[J].Chemical Educator,1997,2(4):1-17.

[7]Verner I M. Robot Manipulations: A Synergy of Visualization,Computation and Action for Spatial Instruction [J]. International Journal of Computers for Mathematical Learning,2004,9(2):213-234.

[8]Wiswall M, Stiefel L, Schwartz AE, et al. Does attending a STEM high school improve student performance? Evidence from New York City[J].Economics of Education Review,2014, 40(C):93-105.

[9]Cunningham B C, Hoyer K M, Sparks D. Gender Differences in Science, Technology, Engineering, and Mathematics (STEM) Interest,Credits Earned, and NAEP Performance in the 12th Grade. Stats in Brief. NCES 2015-075[R]. Washington, DC: National Center for Education Statistics, 2015.28.

[10]Battista M T. Spatial Visualization and Gender Differences in High School Geometry[J]. Journal for Research in Mathematics Education,1990,21(1):47-60.

[11]Barnea N, Dori Y J. High-School Chemistry Students’ Performance and Gender Differences in a Computerized Molecular Modeling Learning Environment[J]. Journal of Science Education &Technology,1999, 8(4):257-271.

[12][20][31]Robertson B F, Radcliffe D F. Impact of CAD tools on creative problem solving in engineering design [J]. Computer-Aided Design,2009,41(3):136-146.

[13]Onyancha R, Kinsey B. The effect of engineering major on spatial ability improvements over the course of undergraduate studies[DB/OL].http://ieeexplore.ieee.org/document/4417943/?arnumber=4417943,2008-01-04.

[14]Lawson B. CAD and Creativity: Does the Computer Really Help? [J].Leonardo, 1968, 35(3):327-331.

[15]Ibrahim R, Rahimian F P. Comparison of CAD and manual sketching tools for teaching architectural design [J]. Automation in Construction,2010, 19(8):978-987.

[16]Chang Y. 3D-CAD effects on creative design performance of different spatial abilities students [J]. Journal of Computer Assisted Learning,2014, 30(5):397-407.

[17]Gansler D A, Moore D W, Susmaras T M, et al. Cortical morphology of visual creativity[J].Neuropsychologia, 2011, 49(9):2527-32.

[18]Susan P. Besemer. Creative Product Analysis Matrix: Testing the Model Structure and a Comparison among Products—Three Novel Chairs [J]. Creativity Research Journal,1998, 11(4):333-346.

[19][21]Yang J C, Chen S Y. Effects of gender differences and spatial abilities within a digital pentominoes game [J]. Computers &Education,2010,55(3):1220-1233.

[22]許雅婷.國中生創(chuàng)意認(rèn)知?dú)v程與科技創(chuàng)作之研究[D].臺灣:臺灣師范大學(xué),2007.

[23]Linn M C, Petersen A C. Emergence and characterization of sex differences in spatial ability: a meta-analysis [J]. Child Development,1986, 56(6):1479-98.

[24]朱建英.文學(xué)特長生信息加工腦功能模式特征的EEG研究[D].蘇州:蘇州大學(xué),2014.

[25]Martín-Gutiérrez J, Saorín J L, Contero M, et al. Design and validation of an augmented book for spatial abilities development in engineering students[J].Computers & Graphics,2010,34(1):77-91.

[26]KATSIOLOUDIS, P., & JONES, M. Improve spatial visualization[J].Technology & Engineering Teacher, 2015,74(8):14-20.

[27]徐志梅,袁孝亭.運(yùn)用GIS培養(yǎng)中學(xué)生地理空間能力[J].中國電化教育,2010,(8):96-100.

[28]蔣鳴和.數(shù)學(xué)和科學(xué)教學(xué)中的互動課程[J]. 信息技術(shù)教育,2004,(9):4-7.

[29]王鵬,游旭群,劉永芳.心理旋轉(zhuǎn)研究的新進(jìn)展[J].心理科學(xué),2005,28(5):1164-1166.

[30]Evan Chavez. Hands-On across Academia: The Hun School of

Princeton Embraces 3D Printing[[DB/OL].http://3dprintingindustry.com/2014/10/10/hun-school-princeton-3d-printing/,2014-10-10.

[32]孫江山,吳永和,任友群.3D打印教育創(chuàng)新:創(chuàng)客空間、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室和STEAM[J].現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育研究, 2015,(4):96-103.

[33]傅騫, 劉鵬飛.從驗(yàn)證到創(chuàng)造——中小學(xué)STEM教育應(yīng)用模式研究[J].中國電化教育,2016,(4):71-78.

[34]王同聚.基于“創(chuàng)客空間”的創(chuàng)客教育推進(jìn)策略與實(shí)踐——以“智創(chuàng)空間”開展中小學(xué)創(chuàng)客教育為例[J]. 中國電化教育,2016,(6): 65-70.

An Empirical Study of 3D CAD Effects on Developing Spatial Visualization and Creativity for Secondary School Students

Sun Jiangshan1，Lin Lijia2，Ren Youqun3
(1.Department of Education Information Technology, East China Normal University, Shanghai 200062; 2. School of Psychology and Cognitive Science, East China Normal University, Shanghai 200062; 3.Institute of Curriculum and Instruction, East China Normal University, Shanghai 200062)

Spatial ability is an important part of individual cognitive abilities. Creativity has been shown to be vital for success in STEAM (Science, Technology, Engineering, Math, Art) and other technological fields. 3D CAD has been widely used in the Threedimensional presentation of concept prototype and Creative Design. Along with samples of students’ work illustrating the progression of Spatial Visualization and Creativity development in school-based course called “3D Printing and Creative Design”, we explore the effects of the learning of 3D CAD on secondary school students’ spatial visualization and creativity. Results of the study suggest:the learning of 3D CAD can enhance spatial abilities, particularly spatial visualization. There exists significant positive correlation between Spatial Visualization and Creativity. Students’ spatial abilities were significantly improved by the learning of 3D CAD, and gender differences affect students’ creative performance and spatial ability. The aims of implementing the project-based learning approach and interdisciplinary program in STEAM fields is not only to teach core concepts and principles of science, engineering and technology, but also to develop student’s spatial abilities and improve students’ creative performance. In order to explore the innovation of technology application, teaching mode and teaching practice with enhanced engagement experiences on the next generation of information technology, we dedicated to integrate 3D CAD into the normal education of schools as well as opportunities for interdisciplinary, project-based learning.

3D CAD; Spatial Visualization; Creativity; STEAM; Creativity Development

G434

A

孫江山：在讀博士，講師，研究方向?yàn)樾屡d技術(shù)教育應(yīng)用、學(xué)習(xí)科學(xué)(jssun@deit.ecnu.edu.cn)。

林立甲：博士，講師，研究方向?yàn)榧夹g(shù)支持的學(xué)習(xí)與教學(xué)(ljlin@psy.ecnu.edu.cn)。

任友群：教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榻逃夹g(shù)、學(xué)習(xí)科學(xué)、課程與教學(xué)論(yqren@admin.ecnu.edu.cn)。

2016年8月6日

責(zé)任編輯：宋靈青

1006—9860(2016)10—0045—06

* 本文系2013年度上海市教育科學(xué)研究重大項(xiàng)目“現(xiàn)代信息技術(shù)對教育教學(xué)的重大影響研究”(項(xiàng)目編號：D1304)的研究成果。

① 任友群為本文通訊作者。