STEM理念下应用3D建模发展学生空间想象能力的实践

福建省泉州第一中学 蔡海波

空间想象能力在科学素养、技术素养、工程素养、数学素养这几个STEM培养目标中都是不可缺少的，STEM理念下的学科融合学习活动离不开空间想象能力的支持，创新能力和创新思维也受益于空间想象能力表现，空间想象能力的重要性不言而喻。虽然人类一切活动都在三维空间世界里，对于空间观念照理应该是驾轻就熟的，然而事实上并非如此，人们在这方面的表现参差不齐。特别是对于正在成长的学生来说，要很好地将具有一定空间结构的物体在头脑中设想出来，并准确表达呈现出来，并不是普遍能做到的。因此，高效地提升学生空间想象能力有着重要的实践意义。

一、3D建模教学的优势

对我校学生“空间想象能力水平测试”的调查问卷进行分析，得出以下结果。第一，随着年龄的增长，学生的整体空间想象能力呈上升趋势；第二，学生在各个水平上的发展不均衡，大部分学生能借助二维空间图形来分析三维空间形状的特征、位置及数量，图形分析能力是被认可的，但将二维空间图形还原成三维空间形状时容易出错，三维空间形状转换成二维空间图形的能力一般；第三，学生对二维空间图形的空间想象操作容易出现错误，例如多次旋转容易出现混乱，折叠与展开也经常错位；第四，对于利用直观想象描述、探究三维空间形状问题、揭示问题本质等水平上，学生表现较为薄弱。

根据学生空间想象能力现状，是有必要进行教学干预的，提升学生空间想象能力可利用实物模型法、规范制图法等教学方法，但是较为科学高效的是3D建模法。在本质意义上，3D建模法能让学生实践空间观察、空间构造、空间变换等空间操作，真正体会和领略空间概念，锻炼空间想象能力。对于技术类学科，熟练地掌握3D建模方法，就能利用软件快速准确地绘出基本立体结构，具体且直观，而且还能帮助学生学会分析复杂立体结构的基本构成，提高学生的空间分析能力。我校利用现有软硬件设施设立了一套应用3D建模促进学生空间想象能力发展的教学实践方案，该方案具有可行性、可操作性、可评价性的优秀特点。通过教学实践研究，构建提升学生空间想象能力的教育培养机制，对于学生的多个学科，如通用技术、数学、物理、信息技术等的学习影响甚大。

二、3D建模教学实践

借鉴我校教师主编的福建省信息技术教材《三维艺术设计》，组织多位教师参与共同开发校本教材《3DOne教程》，并将教材内容添加到初中的综合实践和高中的通用技术学科教学中，不断调整修正实际教学中的教学策略。

（一）循序渐进、由简及繁

教学循序渐进、由简及繁是遵循学生认知发展规律的。从简单基础的三维模型绘制开始，例如正方体、长方体、球体、圆柱体、棱柱体、椎体等，让学生从多角度认真观察所绘制的各种模型结构，一方面体会各种模型的不同几何特点，另一方面感受几何体的立体效果。在加强认知基础后，逐步提高模型结构的复杂性，让学生在复杂的空间构图中，利用作图工具对空间图形进行旋转、翻转、分解、作截面等操作，潜移默化地提升空间想象能力。学生经历此过程后，不但积累了经验、锻炼了能力，也熟练了3D建模软件的操作技巧。另外要补充的是，因教学针对的是中学生，模型结构的复杂程度设置是有一定界限的。

（二）加强二维图形与三维结构的思维切换锻炼

空间想象能力强，其直接的表现是能熟练地通过对二维图形的观察，经过大脑的加工处理，快速准确地感知三维结构的形状、位置等特征。因此，加强二维图形与三维结构的思维切换锻炼，是提升学生空间想象能力的另一个重要手段。

二维图形与三维结构的思维切换，按照方向分类可分为正向切换与逆向切换两种。思维正向切换即把二维图形切换成三维结构的思维想象转变过程，这个过程根据所提供二维图形的不同，又可分为正向直观转变和拼接转变两种方式。正向直观转变是把已表现出立体特征的二维图形转变成三维结构的过程，例如，将设计草图或正等轴测图利用3D建模软件绘制出三维模型结构。因为设计草图、正等轴测图已经展现出一定的立体结构特征，所以学生绘制时有对照，相对来说会容易一些。而拼接转变则是将若干个不同视角的二维图形转变成三维结构的过程，例如，将三视图利用3D建模软件绘制出三维模型结构。多个不同视角的二维图形要转变成三维结构就必须发挥更为强大的想象力，把不同的二维图形在头脑中进行翻转、拼接，组合成符合投影效果的三维结构。这对学生来说，难度上了一个层次。思维逆向切换则相反，是把现成的三维结构切换成二维图形的过程，它也可分为逆向直观转变和拆分转变。逆向直观转变是把现成的三维结构，转变成能表现出立体特征的二维图形的过程。这个过程相当于在画素描，会比较直接，相对较容易。拆分转变是把现成的三维结构，转变成若干个不同视角的二维图形的过程。学生在进行拆分转变时，完全可以通过转动3D建模软件里的模型，直观观察各个视角的形状特征，帮助其完成二维图形的绘制。

通过重复性的二维图形与三维结构的思维切换锻炼，学生在思维切换上更加准确快速。为了评价教学实施效果，对训练前后学生的空间想象能力水平进行测试，结果发现，学生的空间识图和空间想象能力有了明显的提升，而且学生的测试时间也有所减少。

（三）兴趣使然，水到渠成

兴趣是最好的老师，有了学习兴趣，学生的积极性和主动性就能充分发挥出来，同时可以营造宽松、和谐的学习氛围。所以，教师在教学时，应该从学生兴趣入手，例如构建有艺术气息的花瓶模型，酷炫的车辆、船舶模型，别致的建筑模型等主题作为引导，这些主题往往可以极大地吸引学生的兴趣，让学生在复杂的空间构图中，在极具个性化的创作中，潜移默化地完成空间想象能力的提升。

（四）学科典型空间模型的素材应用

中学学科课程中有许多空间结构相关的知识，例如，数学学科中三角函数和几何部分的知识，物理学科中场的理论、微观粒子、宏观天体，化学学科中分子结构、化学反应的微观本质，生物学科中生物的组织结构，地理学科中空间方位和范围的识别，等等。教师在讲解这些知识点时颇费口舌，但有的学生仍听不明白。分析原因，这与学生的空间想象能力欠缺有关系。基于此，在3D建模教学中，引进其他学科的典型空间概念模型作为素材，让学生在3D建模软件上构建出来，学生能将所学学科的定理、公式、概念与3D模型进行有机结合，帮助学生加强对学科要点的理解与应用，提高学科教师的课堂教学效率。应用过程也能培养学生的灵活应变能力，激发学生的空间想象能力，落实对学生综合能力的培养。

三、赛事补充，在实际应用中锻炼

指导学生参加各种赛事，充分体现了STEM的教育理念。STEM教育理念是科学、技术、工程和数学的有机融合而不是简单组合，是要学生把碎片化的知识与技能进行整合，达到解决实际问题的目的。科学、技术、工程、数学在交互中相互补充，在碰撞中相互支撑，学生才能在学习活动中真正培养起各方面的认识和能力。通过指导学生参加各种赛事，在实践中锻炼了学生的空间想象能力、物化能力、创新能力。特别有几个项目如“3D复原校园标志建筑物众筹项目”“一种学生专用的新型电子口罩研究”“一款STEAM类课程的学具——个性钢琴”，都利用了3D建模方式，构造了创新项目的结构配件。3D建模让学生学会把头脑想象的结构在电脑软件中体现出来，这无疑是空间想象能力的正向表现，同时也是电脑3D结构对空间想象能力的反向促进，使得学生创造性地进行学习活动的能力大大增强。可以看出，培养空间想象能力能在一定程度上培养学生的创新意识和创造力。

总之，在STEM理念下，不论是从落实学科素养的需要，还是从促进学生创造力提升的角度来说，加强对学生空间想象能力的培养都是至关重要的。一线教师要发挥自己的主导作用，强化学生的主体作用，立足学科教学特点，通过多样的教学形式、教学情境来激发学生思维，让学生在日常学习中得到能力的锻炼。强大的空间想象能力一旦形成，对学生后期的学习及至今后走上工作岗位都是很有帮助的。