試論用3D打印手段培養(yǎng)創(chuàng)造性思維的教學(xué)設(shè)計(jì)

沈業(yè)凡

【摘要】在當(dāng)今時代背景下，教育與技術(shù)實(shí)現(xiàn)了緊密的結(jié)合，應(yīng)用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)對教學(xué)內(nèi)容與方法進(jìn)行改革，已經(jīng)成為時代發(fā)展的必然趨勢。其中，3D打印技術(shù)經(jīng)過長期的摸索與實(shí)踐，在技術(shù)、實(shí)用性及應(yīng)用材料的選擇上都逐漸完善。鑒于此，文章針對3D打印手段培養(yǎng)創(chuàng)造性思維的教學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析與研究。

【關(guān)鍵詞】3D打印;創(chuàng)造性思維;教學(xué)設(shè)計(jì)

一、前言

當(dāng)前，我國在培養(yǎng)小學(xué)生的創(chuàng)造性思維上存在明顯的不足，與發(fā)達(dá)國家相比處于劣勢。很多組織早已對3D打印教育進(jìn)行了探索，比如美國高等教育信息化協(xié)會在2013年發(fā)布的《地平線報(bào)告》中首次將3D打印教育列入了“待普及”的新技術(shù)清單中，并進(jìn)行了非常詳細(xì)的介紹。筆者認(rèn)為，該技術(shù)會在未來四到五年里在實(shí)際教學(xué)中普及。本文從培養(yǎng)小學(xué)生創(chuàng)造性思維的角度出發(fā)，采用3D打印技術(shù)，豐富教學(xué)手段，以期促進(jìn)學(xué)生對知識的學(xué)習(xí)與理解，提高其動手能力，逐漸培養(yǎng)其創(chuàng)造性思維，促進(jìn)小學(xué)生整體素養(yǎng)的提高。

二、3D打印與創(chuàng)造性思維概述

（一）3D打印

3D打印也稱為增材制造技術(shù)，主要是依據(jù)制作目標(biāo)的結(jié)構(gòu)對其材料進(jìn)行自由組合成型的技術(shù)。在這一過程中對原始材料自由組合所使用的儀器稱為3D打印機(jī)。新材料領(lǐng)域、光學(xué)領(lǐng)域以及程序化領(lǐng)域的不斷進(jìn)步與成熟，促進(jìn)了3D打印技術(shù)的產(chǎn)生。3D打印技術(shù)的工作原理：首先，利用相關(guān)3D設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)計(jì)算機(jī)編程與制圖，將制成的立體模型逐層進(jìn)行切片，并轉(zhuǎn)化成可以用計(jì)算機(jī)語言控制的程序語言;接下來，打印設(shè)備根據(jù)薄片上不同的程序語言，通過計(jì)算機(jī)控制各圖層上的材料進(jìn)行組裝，最終得到目標(biāo)產(chǎn)品。3D打印技術(shù)大大簡化了制作的工藝流程，而且能夠滿足客戶的多樣化需求，針對性地制作產(chǎn)品，比傳統(tǒng)模具造型制作成本低，因此廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域[1]。

3D設(shè)計(jì)軟件市面上有很多，比如Autodesk針對少兒3D設(shè)計(jì)推出了123D Design。這款軟件界面友好，操作便捷，有以下優(yōu)勢：1.可以繪制一些簡單的形狀，然后編輯、調(diào)整，形成更為復(fù)雜的設(shè)計(jì);2.能將三維模型進(jìn)行逐層進(jìn)行切片轉(zhuǎn)為二位圖案;3.對象通過智能工具得以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的精準(zhǔn)度;4.可為用戶免費(fèi)創(chuàng)建3D模型;5.可在軟件內(nèi)進(jìn)行材質(zhì)的預(yù)加載，更加直觀便捷;6.支持創(chuàng)建、導(dǎo)出和構(gòu)造的項(xiàng)目。

（二）創(chuàng)造性思維

國內(nèi)與國外對于創(chuàng)造性思維的定義有很多種。我國對于創(chuàng)造性思維的定義是指有創(chuàng)見的思維，即通過思維不但能揭示事物的本質(zhì)，而且能由此提出新的、有建設(shè)性的意見和設(shè)想。筆者認(rèn)為，創(chuàng)造性思維其實(shí)是一種較為高級的思維過程，在這一過程中需要以一定的知識儲備和經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，在特定條件下，將以往所儲存的各種思維方式重新調(diào)取與排序，從而創(chuàng)造出新的方法和新的事物來解決實(shí)際問題。

例如現(xiàn)在很火的STEM教育。STEM是科學(xué)（Science）、 技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Mathematics）四門學(xué)科的簡稱，強(qiáng)調(diào)多學(xué)科的交叉融合。STEM教育并不只是將科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)教育進(jìn)行簡單的疊加，而是將四門學(xué)科內(nèi)容組合形成有機(jī)整體，著重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神與實(shí)踐能力。STEM教育中，四門學(xué)科的教學(xué)緊密相連，以整合的教學(xué)方式促使學(xué)生掌握知識和技能，并能靈活遷移知識去解決真實(shí)世界中的問題。STEM教育具備新的核心特征：協(xié)作性、趣味性、跨學(xué)科、體驗(yàn)性、藝術(shù)性、情境性、設(shè)計(jì)性、實(shí)證性和技術(shù)增強(qiáng)性等。3D打印也是STEM教育的重要手段。

三、利用3D打印在科學(xué)課堂中培養(yǎng)小學(xué)生創(chuàng)造性思維的教學(xué)設(shè)計(jì)

（一）針對教材內(nèi)容進(jìn)行分析

“造一艘小船”是教科版小學(xué)科學(xué)五年級下冊“沉與浮”這一章節(jié)的第4課。該課的主要問題包括“物體在水中是沉還是浮”“沉浮與什么因素有關(guān)”“橡皮泥在水中的沉浮”，利用所學(xué)知識“造一艘小船”。在課堂中親自制作小船，進(jìn)一步加深了學(xué)生對“沉與浮”這一知識點(diǎn)的理解，并引導(dǎo)學(xué)生將這一理論知識應(yīng)用在實(shí)際生活中，從而實(shí)現(xiàn)對本章知識的深入應(yīng)用和延伸。

（二）對學(xué)生的實(shí)際情況進(jìn)行分析

教師通過實(shí)際調(diào)查，了解到學(xué)生大多已經(jīng)掌握了“沉與浮”的概念及影響“沉與浮”的因素，對于船體的沉浮和載重也有了一定的認(rèn)識與理解。此年齡段的學(xué)生正處于從形象思維向抽象思維過渡的時期，有較強(qiáng)的求知欲和好奇心，對于日常生活中的新鮮事物比較感興趣，而且已經(jīng)具備一定的動手操作能力。

（三）明確教學(xué)目標(biāo)

要求學(xué)生掌握的知識與技能，包括：（1）了解船體的結(jié)構(gòu);（2）掌握改變小船承載量的方法;（3）可以借助三維設(shè)計(jì)軟件獨(dú)立設(shè)計(jì)出簡單的小船模型。在課程開展的過程中，要求學(xué)生討論如何利用橡皮泥制作小船以及讓小船載重量變大的方法;掌握3D打印機(jī)的使用方法，打印出自己設(shè)計(jì)的小船模型，通過不斷地改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，學(xué)會增加小船載重量的多種方法。在這一過程中，學(xué)生通過接受挑戰(zhàn)、解決問題，體會到科學(xué)與技術(shù)結(jié)合的神奇，在潛移默化中培養(yǎng)了創(chuàng)造性思維，激發(fā)了創(chuàng)造與設(shè)計(jì)的靈感和欲望。并且學(xué)生通過合作互助，增強(qiáng)了探索過程的趣味性，提升了團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力[2]。

（四）教學(xué)過程的具體分析

為了保證課堂教學(xué)的效果，利用兩課時將本課講完，第一課時主要任務(wù)是讓學(xué)生學(xué)會用橡皮泥制作小船，第二課時則要求學(xué)生使用3D打印來制作小船，并針對其完成的作品進(jìn)行評估。本文重點(diǎn)對第二課時的教學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析介紹。

首先，教師借助多媒體播放日常生活中能見到的各種船舶及現(xiàn)代化的海洋艦艇，以導(dǎo)入本節(jié)課的內(nèi)容，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，并展示從古至今小船演變的圖片，引導(dǎo)學(xué)生識別，進(jìn)一步確定本節(jié)課的學(xué)習(xí)重點(diǎn)。

其次，教師向?qū)W生講述鄭和下西洋的事跡，引出本節(jié)課的教學(xué)問題，即如何增大船的載重量。教師采用教學(xué)挑戰(zhàn)的形式開展本節(jié)課，與學(xué)生共同制訂挑戰(zhàn)標(biāo)準(zhǔn)，通過討論商定，結(jié)果如下：該挑戰(zhàn)需要通過團(tuán)隊(duì)協(xié)作的形式，要求小船必須能夠正常漂浮，側(cè)重創(chuàng)新設(shè)計(jì)，允許在原有模板上進(jìn)行調(diào)整設(shè)計(jì)，船體必須有足夠的載物空間，在規(guī)定時間內(nèi)完成挑戰(zhàn)任務(wù)才算成功。具體的挑戰(zhàn)步驟如下：

（1）學(xué)生根據(jù)自己對船舶的了解和研究，借助軟件所提供的船舶模型，通過小組討論研究的形式，制作小船三維圖像。

（2）當(dāng)學(xué)生完成了基本的設(shè)計(jì)圖后，教師對其設(shè)計(jì)方案進(jìn)行審閱，并給予針對性的指導(dǎo)和意見。

（3）學(xué)生小組合作，利用計(jì)算機(jī)軟件對所設(shè)計(jì)的船體模型進(jìn)行穩(wěn)定性測試，以保證方案的合理性、可行性，

（4）如果有個別小組在小船的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上存在缺陷，通過小組討論，對模板進(jìn)行修改和完善，再一次進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，直至成功。

（5）在教師的幫助下，學(xué)生借助3D打印機(jī)來制作小船的各零部件，并進(jìn)行拼裝。在這一過程中，教師需要再一次強(qiáng)調(diào)挑戰(zhàn)的標(biāo)準(zhǔn)。學(xué)生通過互相交流，有效解決了船體存在的結(jié)構(gòu)問題。

（6）教師進(jìn)行授課指導(dǎo)。根據(jù)挑戰(zhàn)標(biāo)準(zhǔn)，教師首先對各學(xué)生小組的挑戰(zhàn)結(jié)果進(jìn)行總結(jié)與評價(jià)，然后對3D打印小船的外形設(shè)計(jì)進(jìn)行評價(jià)。各小組可以派代表對其設(shè)計(jì)理念及設(shè)計(jì)來源、設(shè)計(jì)方案的改動和優(yōu)化過程進(jìn)行簡單的介紹。這一過程能夠促進(jìn)理論與實(shí)踐的有效融合，實(shí)現(xiàn)知識的遷移與深化。

（7）教師幫助學(xué)生修改設(shè)計(jì)小船。教師拿出事先制作好的3D小船，向?qū)W生講授其設(shè)計(jì)理念和增加小船載重的方法，在此基礎(chǔ)上對學(xué)生設(shè)計(jì)的小船模型進(jìn)行修改，并積極鼓勵和引導(dǎo)學(xué)生利用課余時間進(jìn)行深入的研究，從而找到更優(yōu)質(zhì)的設(shè)計(jì)方案[3]。

（五）課堂實(shí)施效果的分析

通過對課堂實(shí)際效果的總結(jié)，教師充分發(fā)揮了主導(dǎo)作用，調(diào)動學(xué)生的積極性與主動性。對于本節(jié)課的挑戰(zhàn)任務(wù)，學(xué)生都十分感興趣，因此課堂氣氛較為輕松活躍，學(xué)生對于教師所提出的問題能夠踴躍回答。從這點(diǎn)可以看出，學(xué)生在課前已經(jīng)自主查閱了相關(guān)資料，值得鼓勵。在挑戰(zhàn)過程中，學(xué)生對于使用3D打印技術(shù)制作小船充滿了好奇與興趣。為了更好地完成任務(wù)，從小船的三圍圖設(shè)計(jì)到3D打印機(jī)的操作，學(xué)生都在不斷地思考改進(jìn)方案。通過以上活動，學(xué)生的思維與動手能力得到了發(fā)展。此外，在操作三維軟件描繪圖形的過程中，有的學(xué)生跟不上教師的思路，科學(xué)興趣小組成員幫助落后的同學(xué)一起完成任務(wù)，極大地鍛煉了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，形成和諧互助的團(tuán)結(jié)集體。應(yīng)用3D打印技術(shù)，將學(xué)生具有創(chuàng)造性的想法變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，打破了傳統(tǒng)科學(xué)課程只重視理論知識傳授忽視學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng)的困局，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維。

四、結(jié)語

綜上所述，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展為教育領(lǐng)域的改革與創(chuàng)新提供了技術(shù)支持。由于當(dāng)前我國小學(xué)課程在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維方面存在短板，因此本文將3D打印技術(shù)應(yīng)用于小學(xué)科學(xué)課堂，并以其中具有代表性的一課為例，通過教學(xué)挑戰(zhàn)的一系列過程，探索3D手段對于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維的作用。應(yīng)用結(jié)果顯示，該方法具有實(shí)效性。

【參考文獻(xiàn)】

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