3D打印技術(shù)在創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的學(xué)習(xí)活動(dòng)設(shè)計(jì)框架研究

白偉偉+方海光+楊志亞+焦寶聰

摘要：3D打印技術(shù)的普及和應(yīng)用，為創(chuàng)新教育提供了新資源、新工具。創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為創(chuàng)新教育的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，引入3D打印技術(shù)，構(gòu)造出虛擬實(shí)驗(yàn)室和實(shí)體實(shí)驗(yàn)室相結(jié)合的教學(xué)平臺，能夠促進(jìn)學(xué)生的設(shè)計(jì)思維和創(chuàng)新能力。本研究首先闡述了創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)的概念，然后，基于學(xué)習(xí)理論、“做中學(xué)”理論及活動(dòng)理論，構(gòu)建出3D打印技術(shù)應(yīng)用在創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)中學(xué)習(xí)活動(dòng)設(shè)計(jì)的框架。最后，設(shè)計(jì)并展示了數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)正多面體學(xué)習(xí)活動(dòng)的教學(xué)案例，以驗(yàn)證其有效性。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù)；設(shè)計(jì)思維；創(chuàng)新能力；創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)；學(xué)習(xí)活動(dòng)

中圖分類號：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 論文編號：1674-2117（2016）23-0066-05

引言

在創(chuàng)客運(yùn)動(dòng)的大浪潮下，以信息技術(shù)為基礎(chǔ)的創(chuàng)新教育，融合了項(xiàng)目學(xué)習(xí)活動(dòng)、體驗(yàn)式教育及DIY理念的思想。3D打印作為創(chuàng)客運(yùn)動(dòng)中的重要的一部分，近年在建筑、材料、醫(yī)學(xué)和教學(xué)科研等領(lǐng)域，逐漸引起廣泛關(guān)注與研究。尤其是中小學(xué)基礎(chǔ)教育領(lǐng)域，3D打印技術(shù)為創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供技術(shù)支持，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程。

創(chuàng)新教育是指設(shè)計(jì)并實(shí)施創(chuàng)新的教學(xué)活動(dòng)來提高學(xué)生的創(chuàng)新思維，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)新的思想和理念、新的發(fā)明、新的方式以及新的學(xué)說與技術(shù)等新事物的教育，是以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和動(dòng)手實(shí)踐能力為價(jià)值導(dǎo)向的教育模式。培養(yǎng)創(chuàng)新型高級人才，關(guān)鍵在于創(chuàng)新教學(xué)，其重要環(huán)節(jié)就是實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新。

創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是指在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生根據(jù)課題規(guī)定的任務(wù)，使用專門的設(shè)備和儀器對研究對象進(jìn)行操作、控制和模擬，在最有利的條件下對其進(jìn)行觀察，將抽象思維和具象思維、接受知識與訓(xùn)練技能相結(jié)合，從而獲得經(jīng)驗(yàn)事實(shí)的一種教學(xué)形式。根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)查法得出的結(jié)論，本研究將創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)類型主要分為基本理論類實(shí)驗(yàn)、問題解決類實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新綜合類實(shí)驗(yàn)。本研究從多個(gè)維度對創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行比較，其異同點(diǎn)如表1所示。

3D打印技術(shù)與設(shè)計(jì)思維

3D打印技術(shù)以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，通過“積層造型法”逐層打印材料層創(chuàng)建實(shí)體模型，主要用于原型設(shè)計(jì)及產(chǎn)品制造。常用的3D設(shè)計(jì)軟件有SketchUp、AutoCAD、Blender等，亦可通過Kinect、goSCAN等專業(yè)的3D掃描設(shè)備，獲得物體的三維數(shù)據(jù)。3D打印常用的材料有：尼龍玻纖、石膏材料、橡膠類，甚至是食物材料等，采用粘合劑為物體上色。

在二維的設(shè)計(jì)思維模式下，經(jīng)常出現(xiàn)平面、立面、剖面數(shù)據(jù)差錯(cuò)的現(xiàn)象，這實(shí)質(zhì)上是二維的設(shè)計(jì)工具限制了設(shè)計(jì)者的思維所致。人腦接收到感官感覺到的直觀形態(tài)的信號，經(jīng)過三維到二維的思維轉(zhuǎn)化過程，極可能出現(xiàn)偏差。如圖1所示，大腦的思維初始狀態(tài)是簡單的、零散的，培養(yǎng)設(shè)計(jì)思維的最終狀態(tài)是達(dá)到系統(tǒng)、創(chuàng)新、全面綜合的水平。

教師在培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)思維的過程中，首先應(yīng)培養(yǎng)學(xué)生用立體思維方式進(jìn)行思考的能力和空間想象能力。3D設(shè)計(jì)軟件是設(shè)計(jì)工具的進(jìn)步，更是對固有思維模式進(jìn)行重建，它能更好地幫助學(xué)生構(gòu)造空間思維。學(xué)生對所設(shè)計(jì)的物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察、體驗(yàn)、修改，從設(shè)計(jì)對象中抽取元素，其與之后進(jìn)行重組的過程是設(shè)計(jì)思維的關(guān)鍵階段，此階段可以幫助學(xué)生在抽象與具象思維之間轉(zhuǎn)換。模型中的所有數(shù)據(jù)相互關(guān)聯(lián)，改變其中某一數(shù)據(jù)值，與其相關(guān)的數(shù)據(jù)會相應(yīng)變化，簡化了繁重的修改過程。

構(gòu)建3D打印技術(shù)在創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的學(xué)習(xí)活動(dòng)設(shè)計(jì)框架

在3D打印技術(shù)支持下的學(xué)習(xí)活動(dòng)中，對學(xué)生和教師的能力要求，以及活動(dòng)對資源和工具的要求與傳統(tǒng)課堂均有異同。本研究設(shè)計(jì)和探索可操作性強(qiáng)的學(xué)習(xí)活動(dòng)，為基于3D打印技術(shù)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供參考和指導(dǎo)。

1.理論基礎(chǔ)

（1）建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論。在基于3D打印技術(shù)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，3D打印機(jī)制作的教具使學(xué)習(xí)情境更接近于真實(shí)情境。學(xué)生利用3D設(shè)計(jì)軟件動(dòng)手操作，自主構(gòu)建知識的意義，認(rèn)知過程更完整。

（2）杜威的“做中學(xué)”理論。學(xué)生利用3D設(shè)計(jì)技術(shù)開展觀察、實(shí)驗(yàn)、探究、設(shè)計(jì)、操作等學(xué)習(xí)活動(dòng)，將抽象的知識打造成實(shí)體模型，獲得直接的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)。

（3）活動(dòng)理論。活動(dòng)理論的關(guān)注單元是一個(gè)超出學(xué)生個(gè)體的“活動(dòng)系統(tǒng)”。上頁圖2為基于3D打印技術(shù)的學(xué)習(xí)活動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，如圖可知活動(dòng)系統(tǒng)包括主體、客體、共同體、工具、勞動(dòng)分工和規(guī)則6個(gè)要素。系統(tǒng)的核心成分為主體、客體和共同體，與另外3個(gè)要素共同組成交流子系統(tǒng)、生產(chǎn)子系統(tǒng)、消耗子系統(tǒng)和分配子系統(tǒng)。

2.3D打印技術(shù)在創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的學(xué)習(xí)活動(dòng)設(shè)計(jì)的框架

本研究根據(jù)學(xué)習(xí)活動(dòng)系統(tǒng)中六要素的關(guān)系，綜合教學(xué)設(shè)計(jì)的ADDIE模式，構(gòu)建了3D打印技術(shù)在創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的學(xué)習(xí)活動(dòng)設(shè)計(jì)的框架，如圖3所示。在創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，每個(gè)階段都離不開結(jié)構(gòu)化、序列化的學(xué)習(xí)活動(dòng)。

（1）學(xué)習(xí)目標(biāo)分析。教師要對學(xué)習(xí)目標(biāo)進(jìn)行分析，確定特定的學(xué)習(xí)任務(wù)，充分利用3D設(shè)計(jì)和3D打印技術(shù)的優(yōu)勢，使用3D打印技術(shù)支持環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)教學(xué)滿足特定的教學(xué)需求。

（2）準(zhǔn)備階段。將學(xué)習(xí)任務(wù)按照知識點(diǎn)設(shè)計(jì)為不同的學(xué)習(xí)子任務(wù)，如理論知識學(xué)習(xí)、實(shí)物考察、3D設(shè)計(jì)軟件的操作學(xué)習(xí)、測試題、課堂練習(xí)等。在學(xué)習(xí)共同體及任務(wù)分工設(shè)計(jì)階段，學(xué)生和教學(xué)組織者師共同組成學(xué)習(xí)共同體，在實(shí)體實(shí)驗(yàn)環(huán)境中或虛擬平臺上，教學(xué)組織者師會制定制訂學(xué)習(xí)計(jì)劃，安排學(xué)習(xí)主體進(jìn)行小組學(xué)習(xí)或個(gè)體學(xué)習(xí)。此時(shí)，教學(xué)組織者師會根據(jù)學(xué)習(xí)個(gè)體的興趣和特點(diǎn)對其進(jìn)行學(xué)習(xí)分工，在學(xué)生原有的認(rèn)知發(fā)展水平基礎(chǔ)上建立教學(xué)活動(dòng)。

（3）實(shí)施階段。教師首先要對學(xué)習(xí)主體的初始技能和原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)進(jìn)行測試，根據(jù)測試情況，設(shè)計(jì)有效的教學(xué)內(nèi)容，選擇合適的媒體工具，以及對媒體工具所具有的技術(shù)約束進(jìn)行調(diào)試，確保技術(shù)因素不會影響教學(xué)效果。制定協(xié)作交流規(guī)則、使用3D打印技術(shù)的操作規(guī)范以及評價(jià)規(guī)則等，然后進(jìn)行教學(xué)過程的設(shè)計(jì)。

（4）評價(jià)階段。教學(xué)組織者師對整個(gè)學(xué)習(xí)活動(dòng)流程進(jìn)行過程性評價(jià)，并依據(jù)反饋結(jié)果對各學(xué)習(xí)階段進(jìn)行修改。

3.3D打印技術(shù)在創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的教學(xué)流程設(shè)計(jì)

如下頁圖4所示，教師首先要?jiǎng)?chuàng)設(shè)問題情境，將具體的活動(dòng)任務(wù)融入到真實(shí)學(xué)習(xí)的生活情境中，從學(xué)生已有知識經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，激發(fā)學(xué)生探索解決方案的動(dòng)機(jī)，使學(xué)生在掌握知識的同時(shí)提高設(shè)計(jì)思維能力。學(xué)生基于原有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，查閱相關(guān)資料，進(jìn)行猜想與假設(shè)，設(shè)計(jì)可行的實(shí)驗(yàn)方案。學(xué)習(xí)共同體進(jìn)行評價(jià)，并及時(shí)反饋與指導(dǎo)。當(dāng)設(shè)計(jì)方案可行時(shí)，教師在虛擬平臺上進(jìn)行學(xué)習(xí)資源的呈現(xiàn)，給學(xué)生提供學(xué)習(xí)支架，對實(shí)驗(yàn)原理進(jìn)行3D動(dòng)畫模擬演示，回顧先決性知識。學(xué)生按照可操作的實(shí)驗(yàn)方案，利用3D軟件設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的工具和材料。實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的不只是讓學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)結(jié)論，更注重學(xué)生探索和解決問題的過程中思維能力的提高。在虛擬平臺上設(shè)置了異步討論功能，學(xué)生要定期匯報(bào)設(shè)計(jì)的進(jìn)度，教師也要及時(shí)答疑解惑。在討論中，學(xué)生要認(rèn)識到自己設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的錯(cuò)誤，并加以改正。教學(xué)組織者師應(yīng)積極創(chuàng)設(shè)支持學(xué)生自主學(xué)習(xí)和協(xié)作學(xué)習(xí)的條件，這是培養(yǎng)設(shè)計(jì)思維的有力保證，讓學(xué)生進(jìn)行自主的意義建構(gòu)。針對不同難易程度的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，合理安排在虛擬平臺上自主學(xué)習(xí)的時(shí)間。

在實(shí)體實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行合作學(xué)習(xí)時(shí)，對于設(shè)計(jì)階段學(xué)生存在的軟件操作功能問題，教師給予技術(shù)指導(dǎo)，并且對設(shè)計(jì)過程進(jìn)行引導(dǎo)，使其更有利于知識的建構(gòu)，這對教師掌握3D設(shè)計(jì)的能力和扎實(shí)的學(xué)科知識有很高的要求。完成設(shè)計(jì)作品時(shí)，使用3D打印機(jī)打印出個(gè)性化的實(shí)驗(yàn)工具和材料，3D打印作品的材料、大小不同，消耗的時(shí)間就不同。在實(shí)驗(yàn)操作階段，教師在實(shí)驗(yàn)前應(yīng)重點(diǎn)講解實(shí)驗(yàn)?zāi)康募白⒁馐马?xiàng)，輔助學(xué)生理解問題。在實(shí)驗(yàn)過程中，教師注重對學(xué)生進(jìn)行點(diǎn)撥和啟迪，讓學(xué)生的思維向解決問題的方向思考。教師組織學(xué)生利用3D打印出的實(shí)驗(yàn)工具和實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，若實(shí)驗(yàn)結(jié)果錯(cuò)誤，反思出現(xiàn)問題的環(huán)節(jié)，進(jìn)行迭代設(shè)計(jì)。若實(shí)驗(yàn)成功，組織小組討論，探索實(shí)驗(yàn)結(jié)論。學(xué)習(xí)共同體圍繞有關(guān)的設(shè)計(jì)內(nèi)容及問題從不同角度進(jìn)行點(diǎn)評，提出修改意見。學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)室中自主學(xué)習(xí)，再次進(jìn)行迭代設(shè)計(jì)，對作品進(jìn)行完善，撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告和實(shí)驗(yàn)報(bào)告。教師整理優(yōu)秀作品，在虛擬平臺上分享教學(xué)案例，在實(shí)體空間中展示3D打印作品，組織參觀與展覽。

3D打印技術(shù)在創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)的案例應(yīng)用

本案例基于高中數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)課程，旨在利用3DOne軟件探究正多面體的種類及特征。3DOne軟件是一款適合于中小學(xué)生創(chuàng)意設(shè)計(jì)的3D建模設(shè)計(jì)軟件，操作簡單，功能豐富。在學(xué)生已掌握了正多面體概念（每個(gè)面都是有相同邊數(shù)的正多邊形，每個(gè)頂點(diǎn)為端點(diǎn)都有相同棱數(shù)的凸多面體。）的前提下順利開展了打印活動(dòng)。歐拉多面體公式為：V（頂點(diǎn)數(shù)）+F（面數(shù)）-E（棱數(shù)）=2。根據(jù)以上學(xué)習(xí)活動(dòng)設(shè)計(jì)框架，探究正多面體的種類及特征的學(xué)習(xí)活動(dòng)設(shè)計(jì)過程，如上頁表2所示。學(xué)生在學(xué)習(xí)活動(dòng)結(jié)束后，對立體幾何的內(nèi)部空間構(gòu)造以及立體圖形的頂點(diǎn)、棱、面等元素的關(guān)系認(rèn)識更清晰，立體空間思維得到提升。

總結(jié)

本研究對3D打印技術(shù)在創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的學(xué)習(xí)活動(dòng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，為創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)中使用3D打印技術(shù)的學(xué)習(xí)活動(dòng)提供了參考模型，在一定程度上提高了學(xué)生的設(shè)計(jì)思維和動(dòng)手操作能力。本研究的后續(xù)研究方向是探討如何建設(shè)特色課程內(nèi)容，需要精準(zhǔn)了解學(xué)生在基于3D打印技術(shù)支持下的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)中的學(xué)習(xí)需求，對3D打印技術(shù)應(yīng)用在創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)中設(shè)計(jì)模型的大數(shù)據(jù)的收集和分析，如學(xué)生個(gè)體及學(xué)生總體的3D設(shè)計(jì)模型、3D打印記錄，以及網(wǎng)上現(xiàn)存的3D模型，掌握學(xué)生設(shè)計(jì)思維學(xué)習(xí)過程中的特征。目的是為了定位困難學(xué)生群體、影響學(xué)生學(xué)習(xí)的因素，設(shè)計(jì)更好的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方法，以期能夠?yàn)榇髷?shù)據(jù)背景下的信息技術(shù)與課程整合提供更多實(shí)踐性參考。