3D建模設計培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維能力

王悅鋼

【摘 要】創(chuàng)新思維能力已成為學生核心素養(yǎng)的重要內(nèi)容之一。就信息技術學科而言，不論是信息技術時代的要求還是學科的特點，都需要我們有意識地去培養(yǎng)創(chuàng)新思維能力。本文以浙江省紹興市第二屆創(chuàng)新模型設計挑戰(zhàn)賽為例，從鍛煉思維的廣闊性、敏捷性、整合性、深刻性四方面，分析基于3D建模設計對學生創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)。

【關鍵詞】3D建模；創(chuàng)新思維；核心素養(yǎng)

【中圖分類號】G434 【文獻標識碼】A

【論文編號】1671-7384（2018）01-0069-03

創(chuàng)新思維是指以新穎獨創(chuàng)的方法去解決問題的思維過程，具有高度機動性和堅持性，且能清楚地勾劃和解決問題的思維活動。通過這種思維能突破常規(guī)思維的界限，以超常規(guī)甚至反常規(guī)的方法、視角去思考問題，提出與眾不同的解決方案，從而產(chǎn)生新穎的、獨到的、有社會意義的思維成果。紹興市第二屆“我愛3D”創(chuàng)新模型設計挑戰(zhàn)賽是在第一屆基礎之上新增的一項賽事項目。此次挑戰(zhàn)賽項目的內(nèi)容為“載重橋梁設計”，比賽在選手作品打印完成后，通過靜力加載的方式考查橋梁的承重能力。比賽成績以橋梁承載的重量和橋梁的外觀形象為主要判斷依據(jù)。

選定橋梁的類型，鍛煉思維的廣闊性

通常，我們只在一定的范圍內(nèi)思考事物。如果我們能夠把思考的空間放大，從一個更大的范圍來思考，就可能發(fā)現(xiàn)思維的創(chuàng)新點。

橋梁對于生活在江南水鄉(xiāng)的紹興學生來說是隨處可見的，是最為學生所熟悉的。橋梁是為道路跨越天然或人工障礙物而修建的建筑物，它架設在江河湖海上，使車輛行人等能順利通行。橋梁除了具有通行功能之外，另一個功能是起到承載負荷的作用。那么一座橋梁能承載多大的負荷呢？它所能承載的負荷跟什么有關呢？這就要求學生積極開動腦筋，運用聯(lián)想思維，回想平時所見過的橋梁有哪些，它們的結構又是怎樣的，思考怎樣的橋梁承載能力最大，梁橋、拉索橋還是拱橋。

學生們通過互聯(lián)網(wǎng)或其他途徑尋找世界各地的橋梁設計類型，了解橋梁建筑的結構和受力知識。如圖1～3，為三類橋梁的受力示意圖。

橋梁結構有很多類型，我們在選擇橋梁類型的時候，除了考慮哪種橋梁結構適合于現(xiàn)實情況、結構設計是否合理之外，更要關注橋梁結構所能承受的最大荷載，也就是橋梁的安全系數(shù)。

根據(jù)所查資料分析，對小跨徑橋梁而言，自重相同的梁橋、拉索橋、拱橋中，拱式結構的橋梁承載力最強。梁橋在集中荷載下承重構件受到彎曲變形為主，拉索橋的承重構件（主纜索）以受拉為主，而拱橋承重構件（拱圈）以受壓為主。但由于挑戰(zhàn)賽項目限定橋梁的最小跨度，又限定橋梁的自重不超過40克，跨度增加了自重肯定也增加，這樣就不能設計出跨徑大且自重小的橋梁。另外，又因為拱橋在受力時會產(chǎn)生很大的水平推力，拱式結構要求的下部結構都比較強大，所以拱橋的承載力應當是最大的（只要拱橋兩端能承受足夠的水平推力）。如圖4，為三種常見的拱式橋梁。

通過查閱資料分析對比，提升了學生對橋梁選型的視野：橋梁的結構，橋梁的受力，各種結構橋梁的優(yōu)缺點和適用情況等等，了解這些知識使學生的思維變得更廣闊。

確定橋梁的尺寸，鍛煉思維的敏捷性

創(chuàng)新不僅要出奇制勝，更要以快制勝，思維的敏捷性是創(chuàng)新能力的重要要求。

在選定好橋梁類型后，就可以進行橋梁的外形設計了。要設計外形，就要知道橋梁各主要部件具體的尺寸大小。比賽的要求已明確模型的尺寸：制作出一個寬度不小于5cm、跨度30cm以上的橋梁模型。看上去兩個簡單的尺寸數(shù)值，但仔細分析知道：橋梁受跨度的限制，不能過長。如果跨度過長，那么要求用40克的PLA材料制作出寬度不小于5cm、跨度30cm以上的實體模型，可以想象模型的纖小了；更何況橋梁模型的強度會變得很脆弱，達不到挑戰(zhàn)載重極限的比賽任務。比賽用3D打印機能夠打印出實體模型尺寸最大是220*220*180mm，要想打印跨度為30cm以上的實體模型顯然是行不通的，所以在設計規(guī)劃模型尺寸時，就應當將模型分成幾部分進行設計。比賽項目也要求橋梁主要部件（包括橋跨結構、橋墩、附屬設施等功能性部件）須由6個及以上零部件拼裝而成，而且不得用膠水粘合或其他配件幫助部件和部件之間的結合；橋面正中還須設計懸掛加力區(qū)域，以便穿繩集中加力。這樣進一步印證橋梁實體模型至少由6個部件拼裝。

限定橋梁的自重，鍛煉思維的整合性

某種意義上，創(chuàng)新就是資源的巧妙組合。善于整合資源，才能達到資源的最優(yōu)配置，從而實現(xiàn)有意義的創(chuàng)新。

在確定橋梁寬度和跨度的主要尺寸之后，為增強橋梁的承載性能，橋梁結構件的尺寸越大，橋梁的整體承載能力就越大。與此同時，增加了橋梁的整體質量，即橋梁的自重。比賽要求橋梁實體模型的重量不能超過40克，實體的自重限制了橋梁構件的尺寸。查閱相關資料，相同質量的桿件，長方形截面比圓形截面承受壓力要大，能承受更大的彎矩。因此，在設計建模時把橋拱的橫截面設計成扁平的長方形。為了減輕橋梁的自重，在設計建模時，把拱橋的橋面作了省略處理，只保留兩根梁的中承式拱橋。學生用3D建模設計好橋梁各部件后，在MPrint操作軟件上進行模型切片，可以知道實體模型打印后的信息：實體用料長度、實際質量（自重）和打印時間。

人類發(fā)展中的每一項發(fā)明創(chuàng)造，每一項科學試驗，本質上都是對資源以不同方式整合的結果。

優(yōu)化橋梁的結構，鍛煉思維的深刻性

事物的特征有主要的有次要的，有表有里，有現(xiàn)象有本質，要創(chuàng)新，就要善于抓住事物內(nèi)在的、本質的、規(guī)律性的特征。思維的深刻性，是指思維要有深度，思想要見精髓，見解要深邃透徹。思維的深刻性，體現(xiàn)了對事物的認識由量變上升到質變。

在設計完橋梁主要構件的形狀和尺寸后，接下來要對橋梁的整體結構進行優(yōu)化。為增強橋梁的承載性能，由受力分析可知，拱是受到荷載的壓力，在拱的截面上受到的是彎矩，因此通過增加拱與橋的橫梁之間的系桿和斜桿，從而增強拱橋的整體抗彎能力和承載能力。又由于拱橋是經(jīng)過拼裝的，拱橋的兩片拱之間考慮用活動的拉桿設計成卡扣式連接，使拱橋成為一個整體。在兩拱之間設計一個插件結構用于連接左右兩片半橋拱，插件結構上部中間設計一個凹槽作為懸掛加力區(qū)域，以便穿繩集中加力，如圖5。

3D建模設計融入中小學信息技術教育，為學生的數(shù)字化學習與創(chuàng)新搭建了一個培養(yǎng)創(chuàng)新思維能力的良好平臺，而學生創(chuàng)新模型設計挑戰(zhàn)賽則是培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維能力的一個有效載體。事實上，將3D建模設計帶到中小學的目標，一是把新科技教給學生，創(chuàng)造性地解決問題；二是促進學生間的創(chuàng)新思維的交流和協(xié)作；三是激發(fā)學生想象一個更美好的未來，并最終去創(chuàng)建它。

作者單位：浙江諸暨市大唐鎮(zhèn)中學endprint