试论用3D打印手段培养创造性思维的教学设计

沈业凡

【摘要】在当今时代背景下，教育与技术实现了紧密的结合，应用先进的科学技术对教学内容与方法进行改革，已经成为时代发展的必然趋势。其中，3D打印技术经过长期的摸索与实践，在技术、实用性及应用材料的选择上都逐渐完善。鉴于此，文章针对3D打印手段培养创造性思维的教学设计进行了分析与研究。

【关键词】3D打印;创造性思维;教学设计

一、前言

当前，我国在培养小学生的创造性思维上存在明显的不足，与发达国家相比处于劣势。很多组织早已对3D打印教育进行了探索，比如美国高等教育信息化协会在2013年发布的《地平线报告》中首次将3D打印教育列入了“待普及”的新技术清单中，并进行了非常详细的介绍。笔者认为，该技术会在未来四到五年里在实际教学中普及。本文从培养小学生创造性思维的角度出发，采用3D打印技术，丰富教学手段，以期促进学生对知识的学习与理解，提高其动手能力，逐渐培养其创造性思维，促进小学生整体素养的提高。

二、3D打印与创造性思维概述

（一）3D打印

3D打印也称为增材制造技术，主要是依据制作目标的结构对其材料进行自由组合成型的技术。在这一过程中对原始材料自由组合所使用的仪器称为3D打印机。新材料领域、光学领域以及程序化领域的不断进步与成熟，促进了3D打印技术的产生。3D打印技术的工作原理：首先，利用相关3D设计软件進行设计，根据计算机编程与制图，将制成的立体模型逐层进行切片，并转化成可以用计算机语言控制的程序语言;接下来，打印设备根据薄片上不同的程序语言，通过计算机控制各图层上的材料进行组装，最终得到目标产品。3D打印技术大大简化了制作的工艺流程，而且能够满足客户的多样化需求，针对性地制作产品，比传统模具造型制作成本低，因此广泛应用于各个领域[1]。

3D设计软件市面上有很多，比如Autodesk针对少儿3D设计推出了123D Design。这款软件界面友好，操作便捷，有以下优势：1.可以绘制一些简单的形状，然后编辑、调整，形成更为复杂的设计;2.能将三维模型进行逐层进行切片转为二位图案;3.对象通过智能工具得以实现设计的精准度;4.可为用户免费创建3D模型;5.可在软件内进行材质的预加载，更加直观便捷;6.支持创建、导出和构造的项目。

（二）创造性思维

国内与国外对于创造性思维的定义有很多种。我国对于创造性思维的定义是指有创见的思维，即通过思维不但能揭示事物的本质，而且能由此提出新的、有建设性的意见和设想。笔者认为，创造性思维其实是一种较为高级的思维过程，在这一过程中需要以一定的知识储备和经验为基础，在特定条件下，将以往所储存的各种思维方式重新调取与排序，从而创造出新的方法和新的事物来解决实际问题。

例如现在很火的STEM教育。STEM是科学（Science）、 技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）四门学科的简称，强调多学科的交叉融合。STEM教育并不只是将科学、技术、工程和数学教育进行简单的叠加，而是将四门学科内容组合形成有机整体，着重培养学生的创新精神与实践能力。STEM教育中，四门学科的教学紧密相连，以整合的教学方式促使学生掌握知识和技能，并能灵活迁移知识去解决真实世界中的问题。STEM教育具备新的核心特征：协作性、趣味性、跨学科、体验性、艺术性、情境性、设计性、实证性和技术增强性等。3D打印也是STEM教育的重要手段。

三、利用3D打印在科学课堂中培养小学生创造性思维的教学设计

（一）针对教材内容进行分析

“造一艘小船”是教科版小学科学五年级下册“沉与浮”这一章节的第4课。该课的主要问题包括“物体在水中是沉还是浮”“沉浮与什么因素有关”“橡皮泥在水中的沉浮”，利用所学知识“造一艘小船”。在课堂中亲自制作小船，进一步加深了学生对“沉与浮”这一知识点的理解，并引导学生将这一理论知识应用在实际生活中，从而实现对本章知识的深入应用和延伸。

（二）对学生的实际情况进行分析

教师通过实际调查，了解到学生大多已经掌握了“沉与浮”的概念及影响“沉与浮”的因素，对于船体的沉浮和载重也有了一定的认识与理解。此年龄段的学生正处于从形象思维向抽象思维过渡的时期，有较强的求知欲和好奇心，对于日常生活中的新鲜事物比较感兴趣，而且已经具备一定的动手操作能力。

（三）明确教学目标

要求学生掌握的知识与技能，包括：（1）了解船体的结构;（2）掌握改变小船承载量的方法;（3）可以借助三维设计软件独立设计出简单的小船模型。在课程开展的过程中，要求学生讨论如何利用橡皮泥制作小船以及让小船载重量变大的方法;掌握3D打印机的使用方法，打印出自己设计的小船模型，通过不断地改进设计方案，学会增加小船载重量的多种方法。在这一过程中，学生通过接受挑战、解决问题，体会到科学与技术结合的神奇，在潜移默化中培养了创造性思维，激发了创造与设计的灵感和欲望。并且学生通过合作互助，增强了探索过程的趣味性，提升了团队协作能力[2]。

（四）教学过程的具体分析

为了保证课堂教学的效果，利用两课时将本课讲完，第一课时主要任务是让学生学会用橡皮泥制作小船，第二课时则要求学生使用3D打印来制作小船，并针对其完成的作品进行评估。本文重点对第二课时的教学设计进行分析介绍。

首先，教师借助多媒体播放日常生活中能见到的各种船舶及现代化的海洋舰艇，以导入本节课的内容，调动学生学习的积极性，并展示从古至今小船演变的图片，引导学生识别，进一步确定本节课的学习重点。

其次，教师向学生讲述郑和下西洋的事迹，引出本节课的教学问题，即如何增大船的载重量。教师采用教学挑战的形式开展本节课，与学生共同制订挑战标准，通过讨论商定，结果如下：该挑战需要通过团队协作的形式，要求小船必须能够正常漂浮，侧重创新设计，允许在原有模板上进行调整设计，船体必须有足够的载物空间，在规定时间内完成挑战任务才算成功。具体的挑战步骤如下：

（1）学生根据自己对船舶的了解和研究，借助软件所提供的船舶模型，通过小组讨论研究的形式，制作小船三维图像。

（2）当学生完成了基本的设计图后，教师对其设计方案进行审阅，并给予针对性的指导和意见。

（3）学生小组合作，利用计算机软件对所设计的船体模型进行稳定性测试，以保证方案的合理性、可行性，

（4）如果有个别小组在小船的结构设计上存在缺陷，通过小组讨论，对模板进行修改和完善，再一次进行虚拟实验，直至成功。

（5）在教师的帮助下，学生借助3D打印机来制作小船的各零部件，并进行拼装。在这一过程中，教师需要再一次强调挑战的标准。学生通过互相交流，有效解决了船体存在的结构問题。

（6）教师进行授课指导。根据挑战标准，教师首先对各学生小组的挑战结果进行总结与评价，然后对3D打印小船的外形设计进行评价。各小组可以派代表对其设计理念及设计来源、设计方案的改动和优化过程进行简单的介绍。这一过程能够促进理论与实践的有效融合，实现知识的迁移与深化。

（7）教师帮助学生修改设计小船。教师拿出事先制作好的3D小船，向学生讲授其设计理念和增加小船载重的方法，在此基础上对学生设计的小船模型进行修改，并积极鼓励和引导学生利用课余时间进行深入的研究，从而找到更优质的设计方案[3]。

（五）课堂实施效果的分析

通过对课堂实际效果的总结，教师充分发挥了主导作用，调动学生的积极性与主动性。对于本节课的挑战任务，学生都十分感兴趣，因此课堂气氛较为轻松活跃，学生对于教师所提出的问题能够踊跃回答。从这点可以看出，学生在课前已经自主查阅了相关资料，值得鼓励。在挑战过程中，学生对于使用3D打印技术制作小船充满了好奇与兴趣。为了更好地完成任务，从小船的三围图设计到3D打印机的操作，学生都在不断地思考改进方案。通过以上活动，学生的思维与动手能力得到了发展。此外，在操作三维软件描绘图形的过程中，有的学生跟不上教师的思路，科学兴趣小组成员帮助落后的同学一起完成任务，极大地锻炼了学生的团队协作能力，形成和谐互助的团结集体。应用3D打印技术，将学生具有创造性的想法变为现实，打破了传统科学课程只重视理论知识传授忽视学生实践能力培养的困局，有利于培养学生的创造性思维。

四、结语

综上所述，科学技术的发展为教育领域的改革与创新提供了技术支持。由于当前我国小学课程在培养学生创造性思维方面存在短板，因此本文将3D打印技术应用于小学科学课堂，并以其中具有代表性的一课为例，通过教学挑战的一系列过程，探索3D手段对于培养学生创造性思维的作用。应用结果显示，该方法具有实效性。

【参考文献】

朱花，王大根.艺术设计类专业创造性思维课程教学设计探索与实践[J].艺术教育，2016（12）：188-189，287.

刘鑫，余翔.3D打印技术对专利实施的潜在挑战与对策思考[J].科技进步与对策，2015，32（10）：101-106.

左建华.大学艺术设计课程教学中创造性思维的培养[J].新乡学院学报，2014，31（11）：48-50.