基于新課標(biāo)的高中三維設(shè)計與3D打印校本課程設(shè)計與教學(xué)實踐總結(jié)

張翼飛

摘要：3D打印被納入《17-1847普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》文件中，3D打印技術(shù)即將走進(jìn)學(xué)生們的課堂。本文基于新課標(biāo)的教學(xué)理念，對高中3D打印校本教材進(jìn)行課程設(shè)計，探索通過課程教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維的方法，提升學(xué)生的信息素養(yǎng)。并針對具體的教學(xué)實踐不斷地進(jìn)行反思和修改，挖掘課程開展的有效策略與建議。

關(guān)鍵詞：新課標(biāo);3D打印;校本課程;教學(xué)實踐

中圖分類號：TP399 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）14-0163-04

2017年，教育部印發(fā)了《普通高中課程方案和語文等學(xué)科課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》并將于2018年秋季開始執(zhí)行。在信息技術(shù)課程要求中，學(xué)生將學(xué)習(xí)了解人工智能、3D打印、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)，而且3D打印被納入《17-1847普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》文件中。

2018年2月，根據(jù)新課標(biāo)教育理念，我校著力設(shè)置滿足學(xué)生多元需求的課程結(jié)構(gòu)，促進(jìn)學(xué)生的個性發(fā)展。筆者負(fù)責(zé)開發(fā)了《三維建模與3D打印》校本選修課程。課程開設(shè)一年來，兩個學(xué)期的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式存在較大差異。筆者將2018學(xué)年春季學(xué)期，也就是開設(shè)《三維建模與3D打印》選修課程的第一個階段稱為“探索期”，2018學(xué)年秋季學(xué)期稱為“改進(jìn)期”，即3D打印教學(xué)的第二階段，2019年春季學(xué)期至今則稱為“優(yōu)化期”.即3D打印教學(xué)的第三階段。本文將圍繞三個階段的教學(xué)實踐和教學(xué)反思來進(jìn)行總結(jié)分享。

1第一階段：探索期

1.1三維建模教學(xué)軟件的選取

3D打印是以三維建模為基礎(chǔ)開展的，學(xué)生先利用三維建模軟件將自己設(shè)計的造型畫出來，再通過切片軟件對3D造型分層切割處理，最后通過3D打印機(jī)打出實物，讓創(chuàng)意變成實物，使抽象的概念具體化、形象化。目前國內(nèi)3D建模軟件有多種，包括3ds Max、Rhino、123D Design、3Done等，我們的《三維建模與3D打印》課程選擇3Done設(shè)計軟件開展教學(xué)。3Done是一款專為中小學(xué)生開發(fā)打造的三維設(shè)計軟件。該軟件界面簡潔、功能強(qiáng)大、易于上手，并提供豐富的案例庫包括本地磁盤和網(wǎng)絡(luò)云盤資源，為中小學(xué)生提供一個簡單易用，自由暢想的3D設(shè)計與共享平臺。

1.2教學(xué)內(nèi)容

這一階段的教學(xué)模型主要是結(jié)合生活中現(xiàn)有物體進(jìn)行模仿設(shè)計。一個學(xué)期用于開展校本課程的課時大概是15節(jié)，選修本課程的學(xué)生有30人，筆者設(shè)計了四個綜合項目，具體教學(xué)進(jìn)度如下表。

“花瓶”和“火箭”比較簡單，各安排3課時，“小別墅”和“戰(zhàn)斗機(jī)”相對復(fù)雜，運用的工具和命令較多，各安排4個課時課程。每個制作項目的教學(xué)過程基本是：第一部分（1課時）教師演示，重點講解項目知識點運用，學(xué)生練習(xí)掌握對應(yīng)知識點。第二部分（卜2課時）教師根據(jù)設(shè)計項目難度，把項目分成幾個部分，學(xué)生按老師要求的進(jìn)度完成項目，教師并巡堂答疑。第三部分（1課時）作品展示，讓優(yōu)秀作品的作者上臺展示。

一開始，學(xué)生學(xué)習(xí)熱情高漲，特別是第一、二個項目展示的時候，優(yōu)秀作品得到了同學(xué)們的掌聲，作者收獲了成功的喜悅。但從第三個項目開始，學(xué)生學(xué)習(xí)熱情反而沒那么高漲了，到了作品展示環(huán)節(jié)，展示出來的優(yōu)秀作品幾乎都跟老師提供的實例一模一樣。經(jīng)過教學(xué)反思，花瓶和火箭的模型雖然操作起來相對容易，但是學(xué)生都是剛剛接觸三維建模，對3Done的運用都是從零開始，對新知識的領(lǐng)悟存在著差異，接受能力強(qiáng)的同學(xué)做出來的作品就更加優(yōu)秀，但經(jīng)過兩個作品的學(xué)習(xí)和創(chuàng)作后，大家都熟練了軟件的操作，一開始領(lǐng)先的同學(xué)漸漸的被迫平了，所以提交的作品雖能達(dá)到老師的要求，但作品幾乎一模一樣，缺乏個性化。

經(jīng)過認(rèn)真的反思、總結(jié)和分析，筆者發(fā)現(xiàn)自己陷入三個誤區(qū)：1）過于注重軟件操作的講解，將三維建模課程上成了3Done軟件操作課;2）忽略考慮設(shè)計模型構(gòu)造的科學(xué)性和實用性;3）忽略了對學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

2第二階段：調(diào)整期

發(fā)現(xiàn)問題后，筆者及時進(jìn)行了調(diào)整。在課程設(shè)置及實施方面，進(jìn)行了五個方面的調(diào)整。

2.1組建學(xué)習(xí)小組

根據(jù)學(xué)生的興趣和愛好，第二階段筆者把選修本課程的30個學(xué)生分成三組：用品組（針對喜歡公仔、玩偶、日常用品造型的同學(xué)），機(jī)械組（針對機(jī)械、軍事、模型愛好者），建筑組（對建筑設(shè)計和造型感興趣的同學(xué)）。讓興趣相同的同學(xué)坐在一起，并再根據(jù)自己的創(chuàng)作興趣分為若干個小組，如機(jī)械組又分為飛行器組和槍械組，建筑組又分為傳統(tǒng)建筑組和現(xiàn)代建筑組，用品組又分成飾物組和生活用品組。最終形成6個項目學(xué)習(xí)小組。

2.2改進(jìn)教學(xué)案例

筆者根據(jù)不同的學(xué)習(xí)小組的設(shè)計愛好，設(shè)計與之對應(yīng)的教學(xué)案例，供學(xué)生自主選擇。基于番禺區(qū)研學(xué)后教的教學(xué)理念，適當(dāng)運用翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式。筆者設(shè)計了9個模型，并制作出對應(yīng)的9節(jié)微課，供學(xué)生自主選擇學(xué)習(xí)。引導(dǎo)學(xué)生先模仿后探究，鼓勵他們把自己的創(chuàng)意融人設(shè)計中來。教學(xué)內(nèi)容安排如下。

與第一階段的綜合項目相比，第二階段的設(shè)計主題更豐富，學(xué)生學(xué)習(xí)創(chuàng)作的都是自己感興趣的項目，更有利于提升學(xué)生的學(xué)習(xí)探究動力，更有利于學(xué)生展示其創(chuàng)造性思維和創(chuàng)新能力。在每一個單元中都安排不同小組的學(xué)習(xí)范例，學(xué)生可選擇對應(yīng)范例的微課進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，老師在學(xué)生學(xué)習(xí)過程中穿插多學(xué)科知識融合對一個模型設(shè)計的重要性。例如在設(shè)計建筑模型時，學(xué)生需要查閱對應(yīng)建筑物的資料，詳細(xì)了解建筑物的外觀和結(jié)構(gòu)特點。例如在設(shè)計飛機(jī)模型時，學(xué)生需要查閱對應(yīng)飛機(jī)型號的三視圖，了解在飛機(jī)設(shè)計上需要考慮的流體力學(xué)等問題。從學(xué)生提交作品來看，模型設(shè)計更加科學(xué)性和個性化。

2.3改進(jìn)教學(xué)模式

每一個教學(xué)單元，先通過展示不同類別的創(chuàng)作實例，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動力，并通過演練模式讓學(xué)生掌握實例中用到的3Done操作知識點，在此前提下以微課為載體，引導(dǎo)學(xué)生選擇對應(yīng)的微課自主學(xué)習(xí)，體現(xiàn)出由“老師為中心”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皩W(xué)生為中心”，學(xué)習(xí)過程中通過小組討論解決創(chuàng)作上的問題，如需用到其他學(xué)科知識可隨時上網(wǎng)查詢，例如飛機(jī)的三視圖、建筑物的結(jié)構(gòu)、生活用品的草圖等，老師巡堂對各個小組給予理論知識與設(shè)計操作的支持，教學(xué)目標(biāo)由“為了掌握技術(shù)而完成設(shè)計”到“為了完成設(shè)計而掌握技術(shù)”的轉(zhuǎn)變，作品不再局限單一形式，學(xué)生可以借鑒微課中建模的方法創(chuàng)作出融人個性的作品，由被動地接收知識，逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃咏邮苤R，學(xué)生的學(xué)習(xí)動力和效率都大大提升。完成設(shè)計后，小組內(nèi)評選出代表作品上臺展示，由于每個小組的創(chuàng)作主題都不同，所以展示的作品多樣化并富有個性，使得展示過程更加活躍。

2.4改進(jìn)師生的交流方式

學(xué)生由被動學(xué)習(xí)到自主學(xué)習(xí)的轉(zhuǎn)變，使得課堂多了師生之間交流的時間，很容易營造出思維碰撞的氛圍，例如機(jī)械組的自主設(shè)計“遼寧艦”，引起全班同學(xué)的關(guān)注，對遼寧艦的建模學(xué)生們查閱了大量的資料，從外觀到艦載機(jī)甚至到雷達(dá)型號，都做了詳細(xì)的收集，筆者也是軍事愛好者，也被邀請參與到該小組的設(shè)計，小組分給筆者的任務(wù)是艦載機(jī)的建模，最后師生一起完成遼寧艦的建模并通過3D打印機(jī)打印出來，并陳列于學(xué)校科技教育成果展示廳，引起同學(xué)們的圍觀稱贊。除此之外筆者還通過3Done官方學(xué)習(xí)資源網(wǎng)開通了本課程的網(wǎng)絡(luò)空間，用來展示學(xué)生作品和拓展學(xué)習(xí)資源，搭建師生課下學(xué)習(xí)交流平臺，讓師生互動從課上延續(xù)到線上，從課堂延伸到課外，讓師生關(guān)系更加融洽。

2.5改進(jìn)作品展示方式

第一階段的作品展示方式主要為課堂展示。有了課程網(wǎng)絡(luò)空間后，網(wǎng)絡(luò)空間也成了作品展示的平臺。網(wǎng)絡(luò)空間上的作品展示增加了作品的曝光率，也讓優(yōu)秀的作品接收更多的點贊，美中不足的作品得到更多的修改建議，從而提升學(xué)生的成就感，激勵學(xué)生更深入的研究，設(shè)計出更完美的作品。（學(xué)生部分優(yōu)秀作品：圖9、10、11）

這一階段的教學(xué)改善了學(xué)生的課堂體驗。增進(jìn)了師生交流，學(xué)生的創(chuàng)作熱情大大提升，設(shè)計出來的作品富有個性和創(chuàng)新性。對學(xué)生工程思維和設(shè)計思維的培養(yǎng)都取得較好的成果。然而也發(fā)現(xiàn)了新的問題：單純的打印模型已經(jīng)不能滿足部分同學(xué)的要求，例如航母模型安裝上電動機(jī)，裝上燈光設(shè)備，裝上遙控器和傳感器，做成一艘可下水航行的智能模型，例如在廣州塔模型上裝上彩燈和音樂模塊，還可以通過編程模塊控制彩燈的燈光效果和音樂模塊的音樂效果。所以在下一步的課程改進(jìn)中，筆者將購置簡易電路原件和傳感器，在模型的設(shè)計上引人電子元件嵌入模塊，引導(dǎo)學(xué)生采用拼裝的模型和可活動的模型，設(shè)計安裝電路和傳感器，讓模型變得智能化。

3第三階段：優(yōu)化期

通過對第二階段的總結(jié)反思，筆者在目前進(jìn)行的第三階段增強(qiáng)主題探究、增加課程內(nèi)容的綜合性、組建3D打印社團(tuán)。并且，根據(jù)第二階段部分學(xué)生的要求，筆者在課程設(shè)計中增加了智能模塊的微課，引導(dǎo)學(xué)習(xí)較超前的學(xué)生嘗試融人智能化設(shè)計。第三階段的課程具體實施增加三方面的拓展：

3.1加強(qiáng)主題探究活動

在不同的節(jié)日開展不同的主題學(xué)習(xí)活動，如學(xué)校每年三月份的學(xué)雷鋒義賣活動，同學(xué)們把自己的代表作品打印出來在義賣活動上售賣（已經(jīng)在三月份的義賣活動上嘗試，12個第二階段的優(yōu)秀作品模型在半小時內(nèi)被同學(xué)搶購一空，而且還收到8個訂單）;母親節(jié)為母親設(shè)計愛心飾物（如在“愛心扣“上加上對媽媽說的話）;兒童節(jié)為自己的弟弟妹妹設(shè)計小玩具，用自己設(shè)計的作品傳遞情感，將德育教育融人三維建模課堂教學(xué)之中。

3.2加強(qiáng)課程內(nèi)容的綜合性

第三階段的學(xué)習(xí)內(nèi)容綜合性將更強(qiáng)，體現(xiàn)多學(xué)科的深度融合。如設(shè)計橋梁模型，需要探究橋梁結(jié)構(gòu)與承重的關(guān)系;設(shè)計飛機(jī)模型，需要探究機(jī)身形狀與流體力學(xué)的關(guān)系等。讓學(xué)習(xí)進(jìn)度領(lǐng)先的學(xué)生在模型中加入各類傳感器或電子元件，設(shè)計智能化模型。引導(dǎo)學(xué)生從生活中發(fā)現(xiàn)問題并提出問題，從設(shè)計模型過程中解決問題。

3.3組建3D打印社團(tuán)

部分學(xué)生覺得每周一節(jié)的三維建模與3D打印選修課并不能滿足他們的需求，或者有部分選不到課的同學(xué)又想加入到3D打印的學(xué)習(xí)中來，筆者組織了部分對3D打印很感興趣的學(xué)生，籌建了3D打印社團(tuán)，并吸收在第一、二階段已經(jīng)選修了三維建模課程的學(xué)生還有部分對本課程很感興趣但沒選到課的學(xué)生，同時規(guī)劃了3D打印實驗室，提交學(xué)校審批。相信3D打印社團(tuán)和3D打印實驗室的成立，對三維建模與3D打印課程的實施和推廣又起到升華的作用。在完成本論文時，學(xué)校已經(jīng)批準(zhǔn)了3D實驗室的建設(shè)，并會在本學(xué)期內(nèi)開工建設(shè)。目前每周一次的3D打印社團(tuán)活動只能暫時在電腦室中開展，雖然沒有足夠的3D打印機(jī)，但學(xué)生對3D打印的創(chuàng)作和探究熱情高漲。

4結(jié)語

三維設(shè)計與3D打印作為一種立體化、形象化的新興設(shè)計方法，已經(jīng)成為新一代數(shù)字化、虛擬化、智能化設(shè)計平臺的重要基礎(chǔ)。三維設(shè)計與3D打印的學(xué)習(xí)與運用，既有利于培養(yǎng)學(xué)生的空間想象能力，也有利于學(xué)生科學(xué)、技術(shù)、工程、人文、藝術(shù)、數(shù)學(xué)等學(xué)科綜合性的思維能力。學(xué)生初步了解三維設(shè)計及相關(guān)基礎(chǔ)知識，形成三維設(shè)計及相關(guān)技術(shù)的運用對學(xué)生的生涯規(guī)劃有著積極的作用（信息意識）。掌握三維設(shè)計中關(guān)于建模的知識與技能，可促進(jìn)學(xué)生模塊化信息處理能力的培養(yǎng)，并逐步延伸到系統(tǒng)化的運用計算機(jī)解決實際問題（計算機(jī)思維）。能夠利用數(shù)字化環(huán)境查找學(xué)習(xí)資源，運用三維設(shè)計的思想、方法與技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)作與表達(dá)（數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新）。通過小組協(xié)作學(xué)習(xí)中的交流和相互評價，合理運用三維建模軟件，創(chuàng)作出富有個性與創(chuàng)意的作品，養(yǎng)成仔細(xì)觀察事物的習(xí)慣，培養(yǎng)敢于對現(xiàn)實提出改變的辯證思維，進(jìn)而形成勇于擔(dān)當(dāng)，銳意進(jìn)取的社會責(zé)任感（信息社會責(zé)任）。