以“榫卯结构”为载体的三维设计课程开发与实践

甘霖

【摘 要】三维设计课程的立足点是育人而不是简单的技术学习，因此要选择符合学生情况的课程载体，开发提升学生实践创新素养的课程。“榫卯结构”作为三维设计课程载体，其综合性和扩展性较强，同时体现了中国传统文化与现代技术的结合。本文中列举“燕尾榫结构”和“现代榫卯结构”两个项目案例，以此说明“榫卯结构”作为载体的三维设计课程的开发与实践，以及在此过程中如何提升学生的核心素养。

【关键词】榫卯结构；三维设计；3D打印；课程开发与实践

【中图分类号】G434 【文献标识码】A

【论文编号】1671-7384（2017）12-0068-03

榫卯结构被称作结构之魂，在传统的“大木作”“小木作”都有广泛使用。榫卯结构是相连接的两构件上采用的一种凹凸接合方式，凸出部分叫榫，凹进部分叫卯。传统榫卯结构在木结构建筑、家具、玩具等多方面都有广泛的应用，并且种类多样，形态各异。以中国古代明式家具为例，其常見的榫卯结构就有近百种，如夹头榫、抱肩榫、插肩榫、燕尾榫、龙凤榫等。应用在不同领域且种类多样的榫卯结构为三维设计课程中实际项目提供了充足的选择空间。

榫卯结构具有一定的强度、韧性和变形能力，外形简洁，不仅有外在的工艺合理性，而且显示了中国文化的传统理念。榫卯结构在三维设计课程中作为载体体现了科学、技术、艺术、文化等多学科的综合应用，体现了很好的综合性。

榫卯结构精妙神奇，变化无穷，由简单的几个榫卯结构可以衍生变化出各种复杂的结构。在三维设计课程中，利用榫卯结构从简单到复杂的特点，根据学生实际情况，设置不同难度的任务，在进行实际教学过程中可扩展性强。

榫卯结构本身应用范围广，在不同的应用方面其技术侧重点也不同，建筑上侧重结构稳定，合拢时成为一个高强度完美的整体；家具中的榫卯结构则成就了中国含蓄内敛的审美观，当无数榫卯组合在一起时就会出现极其复杂而微妙的平衡；玩具注重通过实际缩小的结构形式起到益智的作用。在三维设计课程中除可以使用榫卯结构本身作为载体外，还可以扩展到不同的领域，开发出侧重于中国古代建筑、中国古典家具或榫卯益智类玩具等不同课程。

2014年，教育部印发《完善中华优秀传统文化教育指导纲要》，《纲要》指出加强中华优秀传统文化教育“是培育和践行社会主义核心价值观，落实立德树人根本任务的重要基础”。《纲要》同时还指出，“分学段有序推进中华优秀传统文化教育；把中华优秀传统文化教育系统融入课程和教材体系”。在初中阶段“以增强学生对中华传统文化的理解力为重点，提高对中华优秀传统文化的认同度”，在高中阶段“以增强学生对中华优秀传统文化的理性认识为重点”“增强学生对中华优秀传统文化的自信心”。在“中国学生发展核心素养”中也明确提出，学生应“具有文化自信，尊重中华民族的优秀文明成果”。

“传统木结构营造技艺”已经入选联合国教科文组织人类非物质文化遗产名录，榫卯结构是其中不可或缺的重要组成部分。榫卯结构在中华文明的进程中，如同汉字一样源远流长，是悠久的中华文明的物质化符号之一。在三维设计课程中选择榫卯结构作为载体，将传统文化与先进技术相结合，体现传统文化的榫卯结构以适应现代教育的方式表达出来，在现代教育中将传统文化传承并进行创新。

课程开发与实践案例

在以榫卯结构为载体的三维设计课程中，采取项目教学法，每个项目以一种或一类典型的榫卯结构为载体，以项目为主线、教师为引导、学生为主体。下面以燕尾榫以及现代榫卯结构为例进行说明。

案例1 燕尾榫项目

项目目标：了解燕尾榫的文化知识、应用范围、简单力学性能及传统制作规范；掌握燕尾榫的结构特点，能使用三维设计软件完成基本燕尾榫的三维模型设计；能考虑到3D打印机误差，完成燕尾榫的3D模型制作；能根据教师提出的或自行发现的问题，合理使用燕尾榫完成一个简单作品的设计；体验作为传统榫卯结构的燕尾榫的实际应用。

项目初期，教师简单介绍“什么是燕尾榫”，并展示结构的图片和实物，引导学生仔细观察燕尾榫结构，并总结出当两块平板进行直角连接时，经常使用燕尾榫。教师留下问题“燕尾榫在形状上有什么特点”，要求用草图画出燕尾榫的两个组成部分即头榫与尾榫。学生在教师引导下自行观察结构并尝试绘制燕尾榫草图，对于燕尾榫结构有初步认识。

进入深入了解阶段，学生查阅资料了解燕尾榫由来的传说，认识燕尾榫的力学性能和广泛使用。学生认识燕尾榫通过头榫与尾榫的相互锁合，是一种既实用又美观的接合方式。在此阶段，教师一定要引导学生在学习过程中关注燕尾榫的结构在长期使用过程中形成的制作习惯，包括燕尾榫的角度以及头榫与尾榫的比值，认识传统的制作规范。

学生在学习了燕尾榫相关知识后，尝试用三维设计软件进行三维模型的建立。在此环节，教师可以设定具体数据，给出材料厚度、燕尾榫角度、头榫与尾榫比值，例如，“用三维设计软件实现燕尾榫的制作，设定两块板子的厚度均为18毫米，燕尾榫的角度1：6，头榫与尾榫比值为1：3”。也可以给出更多选项供学生选择或学生自主设定符合传统制作习惯的数据。对于从未接触过三维设计软件的学生来说，完成燕尾榫三维模型建立是学习三维设计软件的过程（如图1所示），但是这个过程不能是学生对于教师完成过程的简单模仿，而应是在学习软件基本操作方法的基础上，尝试用不同的方法完成三维模型的建立，教师可以引导给出关键点的提示，鼓励学生在遇到问题的时候寻找解决问题的方法。建议学习了三维设计软件的学生也要完成此环节，在三维设计环境中可以对榫卯结构有进一步的认识。

在完成三维模型的设计后，教师提出3D模型的转化问题——“综合考虑影响因素和误差，调整尺寸大小，完成燕尾榫模型的3D打印”。学生根据不同打印机和材料的打印误差不同，通过不同的实验方式计算误差率，调整三维模型的尺寸。

在该项目的应用转化阶段，教师可以适当提出不同的应用问题或由学生自主发现问题。例如，使用燕尾榫设计相框、礼物盒或者简单家具。这是对于燕尾榫在现代设计中的直接应用。学生在解决问题的过程中使用燕尾榫结构，对于燕尾榫有进一步的学习。同时，笔者认为教师可以转换思路，例如，提出如下任务：“燕尾榫是木工中经常会使用到的一种榫卯结构，但是在木材上绘制燕尾榫有一定的难度，你能不能设计一个方便的工具可以在木材上绘制出1：7角度的燕尾榫呢？”如图2所示，引导学生打破惯性思维方式，创造性地运用技术解决实际问题。

图2

案例2 现代榫卯结构项目

项目目标：认识传统榫卯结构的文化寓意；了解现代榫卯结构；能够使用三维设计软件完成现代榫卯结构的模型建立；能够根据要求设计现代榫卯结构并制作模型。

在项目初期，教师展示现代榫卯家具、建筑图片，学生欣赏并认识到在现代设计中榫卯结构也是被广泛应用的。

在深入了解階段，教师引导学生查阅资料从文化角度认识传统榫卯结构的文化寓意，认识到“榫卯是中国古典家具和古代建筑的灵魂，不用一颗铁钉，单凭其中的榫卯结构，便可以使用上千年，依然坚固美丽”。同时意识到榫卯是中国古代建筑文化的精华，在现代家具中可以模仿使用古代家具中的榫卯结构，也可以自己设计更符合现代人审美的现代榫卯结构。

在三维实现阶段，教师可以提供不同的现代榫卯结构的造型特征，如图3所示。现代榫卯结构造型简洁，三维实现较为简单，适合三维设计软件的初学者。对于已经掌握三维设计软件使用方法的学生，在完成三维建模的过程中，教师应鼓励他们自主探究现代榫卯结构的规律和特点。

在设计应用阶段，给学生提出自己设计现代榫卯结构的任务，教师引导他们找出规律，也可提出具体任务“使用不同的网格线（如图4所示），尝试设计新颖合理的现代榫卯结构”。同时，结合项目初期学生所查找的资料图片，鼓励他们使用现代榫卯结构设计结构巧妙的现代家具。

课程开发与实践的思考

三维设计课程中榫卯结构的载体选择要符合学生认知和实际情况。过于复杂的榫卯结构，学生很难完成其三维模型的建立，容易将过多精力放在软件使用上，得不偿失。

三维设计课程教学中应采用项目学习的方法。利用各种有效资源，以解决问题为导向，学生探究问题的解决方案，进行创意的思考，借助3D打印技术进行解决，主动完成项目实施。在项目后期，教师要注重学生的交流与作品分享。

三维设计课程既不是单纯的技能学习，也不能完全忽视技术的使用，工具的掌握是学生发挥其想象力创造性解决问题的基础。实践中可分阶段进行，在起始阶段，通过实物构建掌握三维设计平台并形成三维空间思维。在熟练掌握后，进入创意构建阶段。通过主题引导，学生运用创新方法构建物体，利用3D打印机完成转化。

三维设计课程开发和实践的根本还是要立足于学生的核心素养，注重文化传承和实践创新，这还有赖于教师对于课程开发及课程实践的不断探索。