淺談3D打印對學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)

倪勇

進(jìn)入21世紀(jì)，教育的本質(zhì)已經(jīng)由知識的積累轉(zhuǎn)向創(chuàng)新創(chuàng)造，以智能制造為方向的創(chuàng)新能力培養(yǎng)已經(jīng)成為教育的共識。目前，創(chuàng)客教育在我國中小學(xué)正在逐步普及，其中3D打印已經(jīng)走進(jìn)中小學(xué)課堂，成為培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的重要課程。在開展3D打印教學(xué)活動中，需要考慮如何培養(yǎng)學(xué)生掌握基本的3D建模技能，靈活運(yùn)用形體相融法構(gòu)建復(fù)雜實(shí)體，同時(shí)搭建多種學(xué)習(xí)平臺，多方位推進(jìn)實(shí)施，培養(yǎng)適應(yīng)時(shí)代發(fā)展要求的創(chuàng)新型人才。

一、掌握基本建模技能，夯實(shí)創(chuàng)新的基礎(chǔ)

熟練掌握基本的3D實(shí)體建模技能，是信息化時(shí)代培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新制造能力的基礎(chǔ)。世間萬物都是由基本的形體組合而成，點(diǎn)組成線、線組成面、面組成實(shí)體。培養(yǎng)學(xué)生對基本形體的概括能力，要通過恰當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)、正確的訓(xùn)練，才能夯實(shí)學(xué)生創(chuàng)新的基礎(chǔ)。

1.基本形體建模提高形體概括能力

常用的3D打印建模軟件123D、3DONE等都提供了多種基本建模的幾何形體，如立方體、球體、圓柱體、圓錐體、圓環(huán)體、楔形體、棱柱體、錐體、半球體等。每種基本形體的特點(diǎn)都很分明，在現(xiàn)實(shí)生活中很容易就能找到對應(yīng)的實(shí)體，如盒子、房子、箱子是立方體，各種球類是球體，金字塔是棱錐體，筆尖、冰淇凌筒是圓錐體等。在教學(xué)中，教師要善于引導(dǎo)學(xué)生對形體進(jìn)行概括，培養(yǎng)學(xué)生對基本形體的概括和運(yùn)用能力。

2.拉伸生成建模促進(jìn)平面立體關(guān)系的理解

拉伸生成建模方式是利用空間的延伸性對繪制的平面圖形進(jìn)行立體擴(kuò)展，可培養(yǎng)學(xué)生由平面向立體的形體轉(zhuǎn)換能力。這種建模方式的技巧取決于繪制平面后形體拉伸的高度及方向，拉伸的形態(tài)決定了成型的效果。如創(chuàng)建一個截面不規(guī)則的杯子，可先繪制出杯子的截面后再進(jìn)行拉伸，由平面向立體轉(zhuǎn)變，完成形體創(chuàng)建。這種方式可幫助學(xué)生更好地理解平面與立體的關(guān)系，培養(yǎng)學(xué)生的空間想象力。

3.旋轉(zhuǎn)生成建模提高對稱形體的理解能力

旋轉(zhuǎn)生成建模方式是用平面圖形圍繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)一定角度創(chuàng)建立體，能培養(yǎng)學(xué)生對中心對稱形體的理解和創(chuàng)建能力。生活中有很多美妙的中心對稱物體，如花瓶、酒杯、圓形器皿等。這些物體用基本形體的造型方式難以完成設(shè)計(jì)需求，卻適合用旋轉(zhuǎn)建模的方式生成。在建模時(shí)，可以先繪制出要設(shè)計(jì)形體的半截面封閉圖形，再繪制中心對稱線，通過旋轉(zhuǎn)法可以快速生成對稱形體。這種方式能很好地培養(yǎng)學(xué)生對空間形體的生成能力，實(shí)現(xiàn)由二維平面圖形向三維立體的轉(zhuǎn)化。

二、掌握形體相融法，促進(jìn)創(chuàng)新能力形成

單純的建模方式適合創(chuàng)建簡單的基本形體，當(dāng)面對復(fù)雜的組合形體時(shí)，就需要用到形體相融法。形體相融法是對復(fù)雜形體進(jìn)行分解，運(yùn)用基本形體之間的“加法”“減法”或“混合運(yùn)算”等組合方法，通過多種組合完成復(fù)雜形體的創(chuàng)建。這一過程能有效培養(yǎng)學(xué)生的形體概括能力，促進(jìn)學(xué)生綜合形體構(gòu)建能力的提升。

1.運(yùn)用形體相融的“加法”完成組合形體的生成

形體相融的“加法”是用多種基本形體進(jìn)行組合，創(chuàng)造出設(shè)計(jì)者所需要的形體。生活中可見到多種組合形體，要引導(dǎo)學(xué)生熟練地運(yùn)用形體設(shè)計(jì)的“加法”生成所需要的組合形體。如一串球體能組合出一個手鏈，長的圓柱體和圓錐體能組合出一支鉛筆，掏空的圓柱體加上半圓環(huán)能組成一個杯子。形體相融的“加法”在3D打印建模中應(yīng)用較多，通過形體組合能創(chuàng)造出各種復(fù)雜的物體。

2.運(yùn)用形體相融的“減法”促進(jìn)相融形體的生成

形體相融的“減法”，是由兩個或兩個以上的形體在相融過程中產(chǎn)生的相減形體，是形體設(shè)計(jì)能力的進(jìn)一步提升。如大圓柱體減去小圓柱體生成空心的容器，大半球減小半球得到空心的碗等，還可以有多個形體的相融。形體相融的“減法”能很好地開拓建模的思路，它是3D打印建模的另一個精彩的世界，能實(shí)現(xiàn)造型奇特的創(chuàng)意，豐富設(shè)計(jì)思路。

3.運(yùn)用形體相融的“混合運(yùn)算”實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形體的生成

生活中的形體，往往很難簡單地拆分成標(biāo)準(zhǔn)的基本形體，也不是以簡單的加或減的方式組合而成的。很多形體以一種基本型的方式呈現(xiàn)出來，但是在細(xì)節(jié)方面的結(jié)構(gòu)卻非常復(fù)雜，這時(shí)就需要用綜合的方法去分析概括形體的組成，運(yùn)用形體相融的“混合運(yùn)算”去交織、融合、分解、組合，以達(dá)成建模需求。因此，3D建模造型中形體相融“混合運(yùn)算”能力才是最需要掌握的能力，是建模能力的綜合體現(xiàn)。形體相融的“混合運(yùn)算”是形體設(shè)計(jì)創(chuàng)新的靈魂，是3D打印建模能力的精髓。

三、搭建多種平臺，助推創(chuàng)新能力飛躍

為全方位地促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新能力的飛躍，需要培養(yǎng)學(xué)生基礎(chǔ)建模、靈活分析形體的構(gòu)造、用基本形體去概括復(fù)雜形體的能力。而這需要搭建平臺，并進(jìn)行系統(tǒng)訓(xùn)練，其中也包括組織競賽活動、建設(shè)充滿創(chuàng)新氛圍的校園文化。

1.開設(shè)3D打印社團(tuán)活動課程，以平臺促發(fā)展

3D打印社團(tuán)活動課程，可為學(xué)生提供學(xué)習(xí)交流的平臺，能夠有計(jì)劃、有目標(biāo)地組織學(xué)生實(shí)施訓(xùn)練，以平臺促發(fā)展。如筆者所在學(xué)校開設(shè)了內(nèi)容豐富的3D打印活動課，由教師指導(dǎo)學(xué)生接受系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，并且?guī)熒脤W(xué)習(xí)平臺進(jìn)行思維的碰撞與交流，在實(shí)踐中協(xié)作與互助。良好的學(xué)習(xí)平臺和系統(tǒng)的課程，為學(xué)生創(chuàng)新制造能力的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

2.組織參與相關(guān)的創(chuàng)客競賽活動，以競賽促提高

以智能制造為方向的3D打印，已經(jīng)深深地融入了各類青少年創(chuàng)客競賽活動。學(xué)生創(chuàng)新能力的發(fā)展，除了掌握相應(yīng)的知識技能外，更重要的是在活動中提升，在競賽中鍛煉。參與創(chuàng)客類的3D打印賽事，能有效助推學(xué)生創(chuàng)新應(yīng)用能力的提升，而且各類競賽活動對學(xué)生的綜合能力也提出了更高的要求，能夠鍛煉學(xué)生的心理素質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生良好的集體協(xié)作能力，使其積累比賽經(jīng)驗(yàn)，在享受比賽的過程中更好地成長。

3.營造良好的科技創(chuàng)新校園文化，以文化促熏陶

良好的育人環(huán)境對培養(yǎng)學(xué)生興趣愛好、促進(jìn)學(xué)生能力提高發(fā)揮著重要作用。為此，學(xué)校可營造良好的科技創(chuàng)新校園文化，讓每一面墻、每一扇窗、每一個櫥窗、每一級臺階都能“說話”，讓學(xué)生在科技創(chuàng)新的氛圍中潛移默化地接受熏陶，使創(chuàng)新的種子在學(xué)生的心中生根發(fā)芽。

3D打印在創(chuàng)客教育中扮演著重要的角色，已經(jīng)成為培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的重要手段之一。教師需要在教學(xué)中不斷探索與實(shí)踐3D打印教學(xué)的方式與方法，更好地培育符合時(shí)代需要的創(chuàng)新型人才。

參考文獻(xiàn)（編者略）

（責(zé)任編輯? ?郭向和）