3D CAD支持中學生創造力和空間能力發展的實證研究 *

孫江山，林立甲，任友群

(1.華東師范大學 教育信息技術學系，上海 200062；2.華東師范大學 心理與認知科學學院，上海 200062；3.華東師范大學 課程與教學研究所，上海 200062)

3D CAD支持中學生創造力和空間能力發展的實證研究 *

孫江山1，林立甲2，任友群3①

(1.華東師范大學 教育信息技術學系，上海 200062；2.華東師范大學 心理與認知科學學院，上海 200062；3.華東師范大學 課程與教學研究所，上海 200062)

空間能力是個體能力發展的重要部分，創造力被認為是從事STEAM領域工作應具備的重要能力。3D CAD已廣泛應用于概念原型和創意設計的三維特性的可視化表征。該文結合當前中學的3D打印與創意設計課程學習，探索性實證分析3D CAD學習與中學生空間能力和創造力發展的關系。研究結果表明：3D CAD學習能增強空間能力，特別是空間想象力，3D CAD學習中空間能力與創造力之間有正相關關系。3D CAD學習對創造力表現有積極影響，并且3D CAD學習對空間能力和創造力表現的影響存在性別差異。在當前跨學科、項目引領的3D CAD支持的STEAM創新能力教育項目建設與實踐中，除考慮科學、工程與技術核心概念與準則的教育外，要重點關注培養學生的空間能力，提升學生的創造力表現；可以將3D CAD融入到學校課程體系實現普及和常態化，在新一代信息技術支持的跨學科、項目學習引導的創新學習環境中，探索STEAM教育的技術應用創新、教學模式創新及教學實踐創新。

3D CAD；空間能力；創造力；STEAM；創新能力教育

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]。空間能力結構中起主要作用的因素是空間想象力(Spatial Visualization)[2]。中學生空間能力結構中主要包含的圖形分解/組合能力、心理旋轉能力、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，在中學生空間能力結構中起著最主要的作用[3]。STEAM領域中包含有許多具有空間能力特性的學科內容，空間能力被認為是技術與工程教育中個體能力發展的重要部分，特別是在早期先修課程中能提升教學效果[4][5]。已有研究認為空間能力與工程、數學和科學等學科教育存在正相關，例如空間能力影響學生的化學學業水平中的問題解決能力和形象化表達能力(Mental Image)[6]。在與空間認知密切相關的機器人教學活動中，中學生取得了基于空間想象能力之上的數學關系形象化表達能力和空間思維能力的提高[7]。有證據表明：在中學教育階段，STEAM相關學科的學業水平存在明顯的性別差異，如數學和科學的學業成績高的男生明顯多于女生[8]，在工程科技、信息與計算機科學等工程技術相關課程取得學業成就的男生明顯多于女生[9]。有研究發現在高中生的空間想象力和幾何學業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學業水平上未發現存在性別差異，但都有明顯的提高[11]。

創造力是認知、社會和情感活動的重要組成部分。它以新穎的獨創性的想法和構思來表征，個性創造力表現具體包括創造性認知行為和創造性情意行為。創造力和理解、運用已有知識產生出某種新穎、獨特和有價值的創意和產品的創造性思考活動緊密相連的。創造力被認為是技術與工程領域的工程師和設計師應具備的重要能力，是整個產品創新設計過程的關鍵，特別是在初期的概念原型設計階段。

當今三維計算機輔助設計(3D CAD，3D Computer-aided Design)已廣泛應用于概念原型和創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化了逼真的空間感知。在3D CAD支持的任務協作情境中，更需要創造性思維和創造性地問題解決能力的表現[12]。這使得工程師和設計師的產品設計效率和品質越來越高，特別是在創意交流和創新制造初期表現突出。

通過有效的學習可以提高空間能力，主修與空間能力密切相關的學科和參加計算機輔助設計課程及培訓的學生空間能力提升尤為明顯[13]。有研究表明3D CAD提高了學生的審美能力，增強了學生的創造性表現[14]。但有研究也認為3D CAD會阻礙新手的創造性思維活動[15]。

隨著信息化教育改革的推進，在面向不同專業教育(科學、工程與技術教育)和不同學段(小學、初中、高中、大學)的制圖課程中3D CAD所占比重越來越高，3D CAD支持的創新教育的影響需要更多的實證研究的支持。本文將在上述已有研究基礎上，結合當下中學的STEAM教育實踐，探索性實證分析3D CAD與中學生創造力和空間認知能力發展的關系，重點關注在中學生空間能力和創造力培養方面，3D CAD學習有無效果，是否存在性別差異，并依據研究考慮如何通過3D CAD支持的創新教育設計來實現科技創新能力的提高。

二、研究設計與實施

(一)研究對象

上海市閔行區一所科技教育示范中學的48名六年級和七年級中學生參與了實驗研究。3D打印與創意興趣班的24名中學生作為實驗組，除5名沒有完成整個測試外，實驗組包括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測試PSVT：R和威廉斯創造力測試(CAP)。

空間能力測驗與其應用研究中多采用心理旋轉測驗(Mental Rotation Test，MRT)來測量個體空間能力差異的表現。心理旋轉指的是人們想象出物體以某種角度旋轉后的形狀表征，是一種持續的空間操控能力認知過程。空間操控測驗的測驗材料種類包括實物照片、人工合成圖形、二維圖形和三維圖形等。心理旋轉測試PSVT：R(the Purdue Spatial Visualization Tests: Visualization of Rotations)是測試個體對空間旋轉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的三維圖形，通過研究物體是如何旋轉的，想象出目標物體按照完全相同的方式旋轉后呈現的位置形狀表征。

威廉斯創造力測試(Creativity Assessment Packet，CAP)用于測量個體的創造性傾向。《創造性思維活動測驗》包含12幅待對已有線條填充的圖畫，通過圖形創意設計測量被試的創造性認知行為的相關指標，包括新穎性、流暢性、變通性、開放性、標題和精致性等。本研究測量被試中學生時選取了三項指標，即新穎性、流暢性、變通性。《創造性思維傾向測驗》是三點自陳量表，有50道題目，可測量創造性情意行為特質的相關指標，包括好奇心、想象力、挑戰性和冒險性四項。

(三)施測程序

對參與實驗研究的中學生進行了心理旋轉測試PSVT：R和威廉斯創造力測試(CAP)，并采用紙筆測驗進行等組前后測試。實驗組的中學生選修了3D打印與創意設計校本拓展課，3D打印與創意設計課程教學設計如表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課時的課程學習。對照組的中學生除沒有參與3D打印與創意課程學習外，其他課程學習與實驗組的中學生完全相同。研究數據使用PASW Statistics 18.0進行統計分析。

表1 3D打印與創意設計課程的教學設計

三、研究結果

(一)3D CAD對空間認知能力培養有積極的影響并存在性別差異

獨立樣本t檢驗結果顯示學習3D CAD課程的實驗組的心理旋轉高于對照組，t=-1.81，p ＜ .10，d = .52。以性別為組間自變量、測試時間為組內自變量、空間認知能力前后測分數為因變量的兩因素混合方差分析結果(如表2所示)顯示，學生在學習3D CAD課程時性別差異對空間認知能力影響分析中，男生和女生存在性別差異的主效應，其他主效應和交互作用不顯著。配對樣本t檢驗結果顯示學習3D CAD課程對男生的空間認知能力培養有統計意義上的顯著影響，心理旋轉有明顯提高，并且在學習3D CAD課程后，男生的空間認知能力有統計意義上的明顯優勢(如表3所示)。

表2 學習3D CAD課程的空間認知能力前后測Univariate結果

表3 學習3D CAD課程的空間認知能力前后測配對t檢驗結果

(二)3D CAD對創造力培養有積極的影響并存在性別差異

配對樣本t檢驗結果顯示學生學習3D CAD課程對創造性思維活動的變通性有統計意義上的顯著變化，變通能力有明顯提高(如表4所示)。以性別為組間自變量、測試時間為組內自變量、創造性思維活動前后測分數為因變量的兩因素混合方差分析結果顯示，學生在學習3D CAD課程時性別差異對創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，學生在學習3D CAD課程時性別差異對創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 學習3D CAD課程的創造性思維活動前后測配對t檢驗結果

表5 學習3D CAD課程的創造性思維活動前后測Univariate結果

表6 學習3D CAD課程的創造性思維活動的流暢性前后測Univariate結果

(三)3D CAD對不同空間認知能力的學生的創造力培養存在差異

通過協方差分析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)的學生在新穎性、流暢性和變通性上是否有差異。統計結果顯示，3D CAD對不同空間認知能力的學生的創造力培養存在差異，創造性思維活動的新穎性明顯存在差異，創造性思維活動的變通性明顯存在差異。事后檢驗的結果表明，在創造性思維活動上高空間認知能力的學生和普通認知空間能力的學生無明顯差異，低空間認識能力的學生的新穎性明顯低于普通的空間認識能力的學生(如表7所示)。

表7 學習3D CAD課程的不同空間認知能力的學生的創造性思維活動ANCOVA檢驗結果

四、討論分析

(一)3D CAD學習中空間能力差異對創造力表現有影響

研究數據結果顯示3D CAD學習能增強空間能力，特別是空間想象力。同時也發現低空間認知能力的學生的創造力表現明顯偏低，這一定程度上驗證了創造力與空間能力之間是正相關關系[16]。神經心理學研究支持空間能力對創造力會產生影響[17]，STEAM領域的相關研究認為空間能力是學生創新能力表現的重要影響因素。3D設計的創造力表現需要具備相當空間能力，由于空間能力高的學生在3D CAD設計中知道如何運用構成對象的不同組件間的空間關系，這讓他們在產品創意設計與制作活動中的創造力表現更突出。

(二)3D CAD學習對創造力表現有積極影響

研究數據結果表明3D CAD對中學生的創造力培養有積極的影響。3D CAD無論是對有經驗還是缺乏經驗的使用者都有積極地影響到創造性思維活動和問題解決能力的可能。3D CAD在增強中學生創造力表現的審美能力方面尤為突出[18][19]。有的研究認為使用3D CAD會有助于激發內在動機和團隊協作，從而提升創造力，在時間有限的情況下實現甚至超越預期的任務要求[20]。

(三)3D CAD學習對空間能力和創造力表現影響有性別差異

研究數據結果表明中學生在學習3D CAD時空間能力和創造力表現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在心理旋轉方面，特別是在低空間能力的學生中[21]。有的研究發現中學生在科技創作過程中創造力表現出顯著的性別差異，男生表現出較高的創造性情意傾向，女生則表現出較高的創造性認知[22]。研究分析認為在空間觀察方面，男生傾向關注整體空間信息，女生傾向分析細節，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，完成測試空間任務所采用的空間策略不同體現了空間能力性別差異，并顯示出了男生的空間能力優勢。但在空間任務復雜的情境下，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、結論與建議

以上研究為基于3D CAD的STEAM創新能力教育實踐探索引入新的視角和思路，即在考慮科學、工程與技術核心概念與準則的教育外，更要重點關注培養學生的空間能力，提升學生的創造力表現。可以將3D CAD融合到學校課程體系實現普及和常態化，但會面臨一系列涉及學習空間、師資、課程資源以及實踐活動的問題和挑戰。結合中小學開設的選修課，甚至是興趣班或社團，可以將3D CAD融入新一代信息技術支持的跨學科、項目學習引導的創新學習環境中，探索STEAM教育的技術應用創新、教學模式創新及教學實踐創新。

(一)3D CAD支持性別差異化空間能力培養

科學、工程與技術教育中的圖學教育目標之一是提高學生的空間能力。實物制作、傳統手繪制和3D CAD都能增強空間能力[25-27]。可以在教學設計實踐中搭建一系列基于3D CAD的圖形和非語言形式的學習支架，促進學生的主動學習，通過圖形化表達和知識建構協助差異化空間能力培養[28]。特別值得一提的是，人們普遍認為在科學、工程與技術專業領域男生會比女生有更好的表現，這導致女生不太喜歡科學、工程與技術甚至于妨礙了她們在這些領域中的表現，社會角色職能的分工使得男生和女生經歷了不同空間特性的活動，男生和女生所經歷的不同空間活動經歷是產生空間能力差異性的重要原因之一[29]。為了更好地實現性別差異化空間能力培養，需要在基于3D CAD的知識建構學習活動設計中，創設體現男女不同空間認知特性的任務情境，比如男生傾向于機械或電子制造的空間結構設計，女生傾向建筑和人形模型的空間結構設計。

(二)3D CAD助力創新能力培養

3D CAD能增強學生空間想象力的提升，也可作為學生創新能力表現的可視化工具。3D CAD的建模特性能強化學生創造性設計表現，比如機械產品的功能性，或工藝品的精致性等。文獻研究和案例分析證實學生的創新能力發展與3D CAD應用之間有關聯，隨著3D CAD引入應用，學生的創新能力有明顯提高[30]。3D CAD支持學生創作并分享產品的互動式教學不會讓學生的學習更輕松，但是會讓創新學習更有效。相關案例研究發現合理利用3D CAD在增強可視化表達與交流、限制性思維與創造性思維互動方面有明顯作用[31]。3D CAD支持的各種“做”中學活動，在“學”與“做”的循環迭代中，讓學生的想法轉化成為三維數據模型，實現真正完整的創造者學習體驗。

(三)3D CAD支持的STEAM創新能力教育設計

作為跨學科、項目引領的STEAM創新能力教育實踐，目前中學主要是開設綜合實踐活動課程或校本拓展課程，引入新興ICT技術進行科技創新能力培養模式探索。當前中學STEAM創新能力教育實踐項目的主要形式包容了不同社會文化背景個體DIY制造的創客空間，面向正式學習環境的科學探究與工程教育項目的創新實驗室，以及融合技術與工程到各個學科的STEAM課程，這些STEAM創新教育實踐項目的最大共通點，是在工程教育模式CDIO(構思—設計—實現—運作)中，利用3D打印機、激光切割機等智能數字化設備實現原型創造，而關鍵環節是要能有效利用3D CAD，將學生的創意轉化為3D數據模型。其中代表性項目有美國的項目引路計劃和Fab @ School，配備3D打印機等桌面制造設備以及3D CAD建模工具，以方便學生利用這些技術進行科學探究，相關項目已經擴展到包括中國在內的世界各地[32-34]。據此，將3D CAD融入到學校課程體系實現普及和常態化，可以有三種形式:一是在信息技術、勞動與技術等綜合實踐活動課程中開設3D CAD模塊，支持3D打印、虛擬現實等新一代信息技術作為學習內容引入以及作為工具應用；二是開發基于3D CAD的校本拓展課程，探索可行的教學策略以普及和提高學生對創意與設計的興趣，在科學、工程與技術教育實踐中做到有效的應用3D CAD，支持學生創新能力培養；三是結合STEAM教育項目實踐，利用3D CAD創設一個任務驅動的互動創新學習環境，讓學生在解決實際問題中體驗“設計思維”，經歷構思、設計、建造、探究和協作的設計過程，掌握工程教育的核心概念和準則，促進學生創新能力等高階思維的發展。

[1][3]李洪玉, 林崇德. 中學生空間認知能力結構的研究[J].心理科學,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.國中生創意認知歷程與科技創作之研究[D].臺灣:臺灣師范大學,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,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.運用GIS培養中學生地理空間能力[J].中國電化教育,2010,(8):96-100.

[28]蔣鳴和.數學和科學教學中的互動課程[J]. 信息技術教育,2004,(9):4-7.

[29]王鵬,游旭群,劉永芳.心理旋轉研究的新進展[J].心理科學,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打印教育創新:創客空間、創新實驗室和STEAM[J].現代遠程教育研究, 2015,(4):96-103.

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

[34]王同聚.基于“創客空間”的創客教育推進策略與實踐——以“智創空間”開展中小學創客教育為例[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，研究方向為新興技術教育應用、學習科學(jssun@deit.ecnu.edu.cn)。

林立甲：博士，講師，研究方向為技術支持的學習與教學(ljlin@psy.ecnu.edu.cn)。

任友群：教授，博士生導師，研究方向為教育技術、學習科學、課程與教學論(yqren@admin.ecnu.edu.cn)。

2016年8月6日

責任編輯：宋靈青

1006—9860(2016)10—0045—06

* 本文系2013年度上海市教育科學研究重大項目“現代信息技術對教育教學的重大影響研究”(項目編號：D1304)的研究成果。

① 任友群為本文通訊作者。