STEM理念下應(yīng)用3D建模發(fā)展學(xué)生空間想象能力的實(shí)踐

福建省泉州第一中學(xué) 蔡海波

空間想象能力在科學(xué)素養(yǎng)、技術(shù)素養(yǎng)、工程素養(yǎng)、數(shù)學(xué)素養(yǎng)這幾個(gè)STEM培養(yǎng)目標(biāo)中都是不可缺少的，STEM理念下的學(xué)科融合學(xué)習(xí)活動(dòng)離不開(kāi)空間想象能力的支持，創(chuàng)新能力和創(chuàng)新思維也受益于空間想象能力表現(xiàn)，空間想象能力的重要性不言而喻。雖然人類一切活動(dòng)都在三維空間世界里，對(duì)于空間觀念照理應(yīng)該是駕輕就熟的，然而事實(shí)上并非如此，人們?cè)谶@方面的表現(xiàn)參差不齊。特別是對(duì)于正在成長(zhǎng)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，要很好地將具有一定空間結(jié)構(gòu)的物體在頭腦中設(shè)想出來(lái)，并準(zhǔn)確表達(dá)呈現(xiàn)出來(lái)，并不是普遍能做到的。因此，高效地提升學(xué)生空間想象能力有著重要的實(shí)踐意義。

一、3D建模教學(xué)的優(yōu)勢(shì)

對(duì)我校學(xué)生“空間想象能力水平測(cè)試”的調(diào)查問(wèn)卷進(jìn)行分析，得出以下結(jié)果。第一，隨著年齡的增長(zhǎng)，學(xué)生的整體空間想象能力呈上升趨勢(shì)；第二，學(xué)生在各個(gè)水平上的發(fā)展不均衡，大部分學(xué)生能借助二維空間圖形來(lái)分析三維空間形狀的特征、位置及數(shù)量，圖形分析能力是被認(rèn)可的，但將二維空間圖形還原成三維空間形狀時(shí)容易出錯(cuò)，三維空間形狀轉(zhuǎn)換成二維空間圖形的能力一般；第三，學(xué)生對(duì)二維空間圖形的空間想象操作容易出現(xiàn)錯(cuò)誤，例如多次旋轉(zhuǎn)容易出現(xiàn)混亂，折疊與展開(kāi)也經(jīng)常錯(cuò)位；第四，對(duì)于利用直觀想象描述、探究三維空間形狀問(wèn)題、揭示問(wèn)題本質(zhì)等水平上，學(xué)生表現(xiàn)較為薄弱。

根據(jù)學(xué)生空間想象能力現(xiàn)狀，是有必要進(jìn)行教學(xué)干預(yù)的，提升學(xué)生空間想象能力可利用實(shí)物模型法、規(guī)范制圖法等教學(xué)方法，但是較為科學(xué)高效的是3D建模法。在本質(zhì)意義上，3D建模法能讓學(xué)生實(shí)踐空間觀察、空間構(gòu)造、空間變換等空間操作，真正體會(huì)和領(lǐng)略空間概念，鍛煉空間想象能力。對(duì)于技術(shù)類學(xué)科，熟練地掌握3D建模方法，就能利用軟件快速準(zhǔn)確地繪出基本立體結(jié)構(gòu)，具體且直觀，而且還能幫助學(xué)生學(xué)會(huì)分析復(fù)雜立體結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)成，提高學(xué)生的空間分析能力。我校利用現(xiàn)有軟硬件設(shè)施設(shè)立了一套應(yīng)用3D建模促進(jìn)學(xué)生空間想象能力發(fā)展的教學(xué)實(shí)踐方案，該方案具有可行性、可操作性、可評(píng)價(jià)性的優(yōu)秀特點(diǎn)。通過(guò)教學(xué)實(shí)踐研究，構(gòu)建提升學(xué)生空間想象能力的教育培養(yǎng)機(jī)制，對(duì)于學(xué)生的多個(gè)學(xué)科，如通用技術(shù)、數(shù)學(xué)、物理、信息技術(shù)等的學(xué)習(xí)影響甚大。

二、3D建模教學(xué)實(shí)踐

借鑒我校教師主編的福建省信息技術(shù)教材《三維藝術(shù)設(shè)計(jì)》，組織多位教師參與共同開(kāi)發(fā)校本教材《3DOne教程》，并將教材內(nèi)容添加到初中的綜合實(shí)踐和高中的通用技術(shù)學(xué)科教學(xué)中，不斷調(diào)整修正實(shí)際教學(xué)中的教學(xué)策略。

（一）循序漸進(jìn)、由簡(jiǎn)及繁

教學(xué)循序漸進(jìn)、由簡(jiǎn)及繁是遵循學(xué)生認(rèn)知發(fā)展規(guī)律的。從簡(jiǎn)單基礎(chǔ)的三維模型繪制開(kāi)始，例如正方體、長(zhǎng)方體、球體、圓柱體、棱柱體、椎體等，讓學(xué)生從多角度認(rèn)真觀察所繪制的各種模型結(jié)構(gòu)，一方面體會(huì)各種模型的不同幾何特點(diǎn)，另一方面感受幾何體的立體效果。在加強(qiáng)認(rèn)知基礎(chǔ)后，逐步提高模型結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，讓學(xué)生在復(fù)雜的空間構(gòu)圖中，利用作圖工具對(duì)空間圖形進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、翻轉(zhuǎn)、分解、作截面等操作，潛移默化地提升空間想象能力。學(xué)生經(jīng)歷此過(guò)程后，不但積累了經(jīng)驗(yàn)、鍛煉了能力，也熟練了3D建模軟件的操作技巧。另外要補(bǔ)充的是，因教學(xué)針對(duì)的是中學(xué)生，模型結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度設(shè)置是有一定界限的。

（二）加強(qiáng)二維圖形與三維結(jié)構(gòu)的思維切換鍛煉

空間想象能力強(qiáng)，其直接的表現(xiàn)是能熟練地通過(guò)對(duì)二維圖形的觀察，經(jīng)過(guò)大腦的加工處理，快速準(zhǔn)確地感知三維結(jié)構(gòu)的形狀、位置等特征。因此，加強(qiáng)二維圖形與三維結(jié)構(gòu)的思維切換鍛煉，是提升學(xué)生空間想象能力的另一個(gè)重要手段。

二維圖形與三維結(jié)構(gòu)的思維切換，按照方向分類可分為正向切換與逆向切換兩種。思維正向切換即把二維圖形切換成三維結(jié)構(gòu)的思維想象轉(zhuǎn)變過(guò)程，這個(gè)過(guò)程根據(jù)所提供二維圖形的不同，又可分為正向直觀轉(zhuǎn)變和拼接轉(zhuǎn)變兩種方式。正向直觀轉(zhuǎn)變是把已表現(xiàn)出立體特征的二維圖形轉(zhuǎn)變成三維結(jié)構(gòu)的過(guò)程，例如，將設(shè)計(jì)草圖或正等軸測(cè)圖利用3D建模軟件繪制出三維模型結(jié)構(gòu)。因?yàn)樵O(shè)計(jì)草圖、正等軸測(cè)圖已經(jīng)展現(xiàn)出一定的立體結(jié)構(gòu)特征，所以學(xué)生繪制時(shí)有對(duì)照，相對(duì)來(lái)說(shuō)會(huì)容易一些。而拼接轉(zhuǎn)變則是將若干個(gè)不同視角的二維圖形轉(zhuǎn)變成三維結(jié)構(gòu)的過(guò)程，例如，將三視圖利用3D建模軟件繪制出三維模型結(jié)構(gòu)。多個(gè)不同視角的二維圖形要轉(zhuǎn)變成三維結(jié)構(gòu)就必須發(fā)揮更為強(qiáng)大的想象力，把不同的二維圖形在頭腦中進(jìn)行翻轉(zhuǎn)、拼接，組合成符合投影效果的三維結(jié)構(gòu)。這對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)，難度上了一個(gè)層次。思維逆向切換則相反，是把現(xiàn)成的三維結(jié)構(gòu)切換成二維圖形的過(guò)程，它也可分為逆向直觀轉(zhuǎn)變和拆分轉(zhuǎn)變。逆向直觀轉(zhuǎn)變是把現(xiàn)成的三維結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)變成能表現(xiàn)出立體特征的二維圖形的過(guò)程。這個(gè)過(guò)程相當(dāng)于在畫素描，會(huì)比較直接，相對(duì)較容易。拆分轉(zhuǎn)變是把現(xiàn)成的三維結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)變成若干個(gè)不同視角的二維圖形的過(guò)程。學(xué)生在進(jìn)行拆分轉(zhuǎn)變時(shí)，完全可以通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)3D建模軟件里的模型，直觀觀察各個(gè)視角的形狀特征，幫助其完成二維圖形的繪制。

通過(guò)重復(fù)性的二維圖形與三維結(jié)構(gòu)的思維切換鍛煉，學(xué)生在思維切換上更加準(zhǔn)確快速。為了評(píng)價(jià)教學(xué)實(shí)施效果，對(duì)訓(xùn)練前后學(xué)生的空間想象能力水平進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，學(xué)生的空間識(shí)圖和空間想象能力有了明顯的提升，而且學(xué)生的測(cè)試時(shí)間也有所減少。

（三）興趣使然，水到渠成

興趣是最好的老師，有了學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生的積極性和主動(dòng)性就能充分發(fā)揮出來(lái)，同時(shí)可以營(yíng)造寬松、和諧的學(xué)習(xí)氛圍。所以，教師在教學(xué)時(shí)，應(yīng)該從學(xué)生興趣入手，例如構(gòu)建有藝術(shù)氣息的花瓶模型，酷炫的車輛、船舶模型，別致的建筑模型等主題作為引導(dǎo)，這些主題往往可以極大地吸引學(xué)生的興趣，讓學(xué)生在復(fù)雜的空間構(gòu)圖中，在極具個(gè)性化的創(chuàng)作中，潛移默化地完成空間想象能力的提升。

（四）學(xué)科典型空間模型的素材應(yīng)用

中學(xué)學(xué)科課程中有許多空間結(jié)構(gòu)相關(guān)的知識(shí)，例如，數(shù)學(xué)學(xué)科中三角函數(shù)和幾何部分的知識(shí)，物理學(xué)科中場(chǎng)的理論、微觀粒子、宏觀天體，化學(xué)學(xué)科中分子結(jié)構(gòu)、化學(xué)反應(yīng)的微觀本質(zhì)，生物學(xué)科中生物的組織結(jié)構(gòu)，地理學(xué)科中空間方位和范圍的識(shí)別，等等。教師在講解這些知識(shí)點(diǎn)時(shí)頗費(fèi)口舌，但有的學(xué)生仍聽(tīng)不明白。分析原因，這與學(xué)生的空間想象能力欠缺有關(guān)系?；诖?，在3D建模教學(xué)中，引進(jìn)其他學(xué)科的典型空間概念模型作為素材，讓學(xué)生在3D建模軟件上構(gòu)建出來(lái)，學(xué)生能將所學(xué)學(xué)科的定理、公式、概念與3D模型進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，幫助學(xué)生加強(qiáng)對(duì)學(xué)科要點(diǎn)的理解與應(yīng)用，提高學(xué)科教師的課堂教學(xué)效率。應(yīng)用過(guò)程也能培養(yǎng)學(xué)生的靈活應(yīng)變能力，激發(fā)學(xué)生的空間想象能力，落實(shí)對(duì)學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)。

三、賽事補(bǔ)充，在實(shí)際應(yīng)用中鍛煉

指導(dǎo)學(xué)生參加各種賽事，充分體現(xiàn)了STEM的教育理念。STEM教育理念是科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)的有機(jī)融合而不是簡(jiǎn)單組合，是要學(xué)生把碎片化的知識(shí)與技能進(jìn)行整合，達(dá)到解決實(shí)際問(wèn)題的目的?？茖W(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)在交互中相互補(bǔ)充，在碰撞中相互支撐，學(xué)生才能在學(xué)習(xí)活動(dòng)中真正培養(yǎng)起各方面的認(rèn)識(shí)和能力。通過(guò)指導(dǎo)學(xué)生參加各種賽事，在實(shí)踐中鍛煉了學(xué)生的空間想象能力、物化能力、創(chuàng)新能力。特別有幾個(gè)項(xiàng)目如“3D復(fù)原校園標(biāo)志建筑物眾籌項(xiàng)目”“一種學(xué)生專用的新型電子口罩研究”“一款STEAM類課程的學(xué)具——個(gè)性鋼琴”，都利用了3D建模方式，構(gòu)造了創(chuàng)新項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)配件。3D建模讓學(xué)生學(xué)會(huì)把頭腦想象的結(jié)構(gòu)在電腦軟件中體現(xiàn)出來(lái)，這無(wú)疑是空間想象能力的正向表現(xiàn)，同時(shí)也是電腦3D結(jié)構(gòu)對(duì)空間想象能力的反向促進(jìn)，使得學(xué)生創(chuàng)造性地進(jìn)行學(xué)習(xí)活動(dòng)的能力大大增強(qiáng)?？梢钥闯觯囵B(yǎng)空間想象能力能在一定程度上培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)造力。

總之，在STEM理念下，不論是從落實(shí)學(xué)科素養(yǎng)的需要，還是從促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)造力提升的角度來(lái)說(shuō)，加強(qiáng)對(duì)學(xué)生空間想象能力的培養(yǎng)都是至關(guān)重要的。一線教師要發(fā)揮自己的主導(dǎo)作用，強(qiáng)化學(xué)生的主體作用，立足學(xué)科教學(xué)特點(diǎn)，通過(guò)多樣的教學(xué)形式、教學(xué)情境來(lái)激發(fā)學(xué)生思維，讓學(xué)生在日常學(xué)習(xí)中得到能力的鍛煉。強(qiáng)大的空間想象能力一旦形成，對(duì)學(xué)生后期的學(xué)習(xí)及至今后走上工作崗位都是很有幫助的。