3D打印课程促进高中生创新能力提升的实证研究

肖央红

(重庆市长寿中学校 重庆 401220)

为了验证3D打印课程是否对高中生创新能力有提升作用。笔者结合我校的实际情况，开设了3D打印社团课程，通过采取实验研究法，利用单组前后测的实验数据对比，对实验班学生参与社团课程学习前后创新能力进行测量，前测是为了了解学生创新能力的初始水平，3D打印社团课程实施后进行创新能力的后侧，了解课程实施后创新能力的反馈效果。

一、核心概念

3D打印技术，它以数字化模型为基础，通过3D建模软件设计出一个三维模型，再将该模型用相应的切片软件进行分层切片，然后运用塑料或粉末状金属等可粘合材料，通过逐层打印叠加的方式打印物体的技术

创新能力，是技术和各种实践活动领域中不断提供具有经济价值、社会价值、生态价值的新思想、新理论、新方法和新发明的能力。

二、基于3D打印课程培养学生创新能力的实施步骤

第一阶段：软件培训，为期五周。这五周课程的学习，主要是学生在教师的指导下完成3D作品制作，在该阶段学生基本掌握3D建模软件的使用，为后续开展创新项目奠定坚实的基础。

第二阶段：项目实践，为期五周。对于依托3D打印技术开展创新能力培养来说，学生不能只停留在基本操作技能的层面，更应该在实践中进一步掌握3D打印技术，从而激发创新意识。此阶段通过解决项目问题，分小组协作探究，根据项目所面临的问题设计草图、建模、打印作品，在一次次的尝试中，深化巩固所学知识，在协作学习中加强合作意识和协作能力培养，在自主完成项目的过程中将知识技能内化，激发学生的创新潜质，掌握知识的综合应用，从而保证学生能够完成自己的创意作品。

第三阶段：强化创新素养，为期三周。本阶段在教师的指导下独立开展创客活动，主要对学生的创新思维、创新精神、创新能力进行强化培养。

第四阶段：创新应用，成果交流。通过参加科技创新大赛3D打印赛项，参加3D打印创意设计大赛锻炼学生能力，汇聚成果，作品展示，总结交流成果。

通过四个阶段，学生从初级、中级、高级等多个层次由浅入深、循序渐进地掌握技能，培养创新素养，也符合高中生的认知水平。

三、基于3D打印课程培养学生创新能力的前、后测调查问卷分析

（一）“3D打印社团课程学习前期”问卷调查结果及分析

1.调查背景和目的

通过对刚进入社团的学生发放问卷调查，了解分析学生对3D打印知识的了解，对3D打印社团课程的兴趣，空间想象力情况以及学习的创新意识等方面进行调查分析。然后再与后期测试进行实验对比研究，用数据对比去判定学生在这些方面的能力是否有提高。

2.调查方式和对象

在网络上利用“问卷星”制作调查问卷，发布问卷，通过电子问卷形式，面向参与3D打印社团的学生来完成问卷。

3.调查结果分析

此次参与问卷调查的有42人，有效问卷42份。问卷调查数据如下：

“3D打印社团课程学习前期”问卷调查数据：

1.我知道什么是3D打印技术。

数据统计：完全符合11.9%；部分符合16.67%；完全不合71.43%。

2.我知道什么是快速成型技术。

数据统计：完全符合11.9%；部分符合4.76%；完全不合83.33%。

3.我知道3D打印技术有哪些应用领域。

数据统计：完全符合11.9%；部分符合21.43%；完全不合66.67%。

4.我学过三维设计软件。

数据统计：完全符合11.9%；部分符合7.14%；完全不合80.95%。

5.我知道3D打印机是如何打印物体的。

数据统计：完全符合11.9%；部分符合11.9%；完全不合76.19%。

6.我对空间事物想象很感兴趣。

数据统计：完全符合28.57%；部分符合26.19%；完全不合45.24%。

7.如果一本故事书的最后一页被撕掉了，我就自己编造一个故事把结局补上去。

数据统计：完全符合19.05%；部分符合30.95%；完全不合50%。

8.看到平面图，我基本能在头脑中构想它的几何结构。

数据统计：完全符合14.29%；部分符合40.48%；完全不合45.24%。

9.我对立体几何知识掌握得非常好。

数据统计：完全符合9.52%；部分符合52.38%；完全不合38.1%。

10.我知道怎样把一些抽象的概念变成实际模型。

数据统计：完全符合21.43%；部分符合40.48%；完全不合38.1%。

11.我喜欢利用旧报纸，空矿泉水瓶以及旧罐头等废物来做成各种好玩的东西。

数据统计：完全符合26.19%；部分符合50%；完全不合23.81%。

12.我想利用三维设计软件设计生活中的一些小物品。

数据统计：完全符合57.14%；部分符合33.33%；完全不合9.52%。

13.我希望通过3D打印课程学习之后，自己设计的3D打印作品被打印出来。

数据统计：完全符合71.43%；部分符合16.67%；完全不合11.9%。

14.在您第一次听说3D打印技术时有没有进一步了解的愿望。

数据统计：完全符合59.52%；部分符合30.95%；完全不合9.52%。

15.我认为3D打印技术打印的各种生活用品前景非常好。

数据统计：完全符合71.43%；部分符合19.05%；完全不合9.52%。

16.我认为学习3D打印三维建模软件后会对我帮助。

数据统计：完全符合69.05%；部分符合19.05%；完全不合11.9%。

结果分析如下：

根据第1题、2题、3题、4题、5题的统计数据可以看出学生对3D打印技术的知识了解是非常欠缺的。80.95%的社团学生也没有学习过建模软件。

根据第6题、8题、9题、10题的数据可以看出部分学生对立体几何、几何结构掌握得不是很好，对空间事物的想象力还是比较欠缺的，但是兴趣还是有的。

根据第7题、11题和12题的数据统计可以看出很多学生想通过3D打印技术打印小物品，具有很强的创新兴趣。

根据第13题、14题数据统计可以看出学生对3D打印技术还是很感兴趣的。

根据第15题、16题数据统计，可以分析出学生们对于3D打印技术的应用前景非常看好，大部分学生都认为以后会经常使用3D打印技术，并且学习3D打印技术会对自己有帮助。

（二）“3D打印社团课程实施效果反馈”问卷调查结果及分析

1.调查背景和目的

通过对参加3D打印社团的学生发放问卷调查，了解分析学生经过3D打印课程的学习后对3D打印知识的了解，对3D打印社团课程的兴趣，空间想象力情况以及学习的创新意识等方面进行效果反馈以及调查分析。然后再与前期测试进行实验对比研究，用数据对比去判定学生在这些方面的能力是否有提高。

2.调查方式和对象

在网络上利用“问卷星”制作调查问卷，发布问卷，通过电子问卷形式，面向参与3D打印社团课程学习的学生来完成问卷。

3.调查结果分析

此次参与问卷调查的有42人，有效问卷42份。问卷调查数据如下：

“3D打印社团课程实施效果反馈”问卷调查数据：

1.通过3D打印社团课程的学习，我知道了什么是3D打印技术。

数据统计：完全符合97.62%；部分符合2.38%；完全不合0%。

2.通过3D打印社团课程的学习，我知道了3D打印技术的应用领域。

数据统计：完全符合92.86%；部分符合7.14%；完全不合0%。

3.通过3D打印社团课程的学习，我知道了什么是快速成型技术。

数据统计：完全符合95.24%；部分符合4.76%；完全不合0%。

4.通过3D打印社团课程的学习，我学会了123D数字建模软件。

数据统计：完全符合85.71%；部分符合14.29%；完全不合0%。

5.通过3D打印社团课程学习，我知道了3D打印机是怎么打印物体的。

数据统计：完全符合88.1%；部分符合11.9%；完全不合0%。

6.通过3D打印社团课程的学习，我对三维模型有了更加深刻的认识。

数据统计：完全符合92.86%；部分符合7.14%；完全不合0%。

7.通过3D打印社团课程的学习，我的空间想象力有了明显提升。

数据统计：完全符合90.48%；部分符合7.14%；完全不合2.38%。

8.通过3D打印社团课程的学习，能够帮助我理解几何概念。

数据统计：完全符合92.86%；部分符合7.14%；完全不合0%。

9.通过3D打印社团课程的学习，能够帮助我理解图形的分解与组合。

数据统计：完全符合92.86%；部分符合7.14%；完全不合0%。

10.通过3D打印社团课程的学习，我能轻松描述物体的基本特征，如长方体与圆柱体等。

数据统计：完全符合95.24%；部分符合4.76%；完全不合0%。

11.通过3D打印社团课程的学习，看到平面图形，我能基本在头脑中构想它的几何结构。

数据统计：完全符合90.48%；部分符合9.52%；完全不合0%。

12.通过3D打印社团课程的学习，我觉得立体几何知识更加简单了。

数据统计：完全符合88.1%；部分符合11.9%；完全不合0%。

13.通过3D打印社团课程的学习，我认为非常有必要用3D打印来帮助学习几何知识。

数据统计：完全符合83.33%；部分符合16.67%；完全不合0%。

14.通过3D打印社团课程的学习，我能够用3D打印独立完成一个简易几何结构的设计与制作。

数据统计：完全符合88.1%；部分符合11.9%；完全不合0%。

15.通过3D打印社团课程的学习，我对计算机操作更加熟练了，特别是键盘和鼠标的使用。

数据统计：完全符合92.86%；部分符合7.14%；完全不合0%。

16.通过3D打印社团课程的学习，我想将一些抽象的概念变成直观的实际模型。

数据统计：完全符合83.33%；部分符合16.67%；完全不合0%。

17.通过3D打印社团课程的学习，我想将一些创意小物品通过3D打印技术打印成物品。

数据统计：完全符合95.24%；部分符合4.76%；完全不合0%。

18.通过3D打印社团课程的学习，我想用3D打印技术打印更多小物品。

数据统计：完全符合92.86%；部分符合7.14%；完全不合0%。

19.通过3D打印社团课程的学习，我的创新意识有了提高。

数据统计：完全符合90.48%；部分符合9.52%；完全不合0%。

20.通过3D打印社团课程的学习，大大激发了我的创新思维。

数据统计：完全符合90.48%；部分符合9.52%；完全不合0%。

21.通过3D打印社团课程的学习，我的设计素养有了提高。

数据统计：完全符合88.1%；部分符合11.9%；完全不合0%。

22.通过3D打印社团课程的学习，我的科学素养有了提高。

数据统计：完全符合85.71%；部分符合14.29%；完全不合0%。

23.我非常喜欢3D打印这门选修课。

数据统计：完全符合88.1%；部分符合11.9%；完全不合0%。

24.我非常喜欢3D打印课程的课堂活动形式。

数据统计：完全符合83.33%；部分符合16.67%；完全不合0%。

25.我希望安排更多的3D打印社团活动，学习更多的3D打印相关技能。

数据统计：完全符合92.86%；部分符合4.76%；完全不合2.38%。

结果分析如下：

根据第1题、2题、3题、4题、5题的统计数据可以，通过社团课程的开展，95%以上的学生清楚了3D打印技术的基本概念，100%的学生学会了建模软件的使用。

根据第6题、7题、8题、9题、10题、11题、12题、13题的数据可以看出92.86%的学生对三维模型有了更加深刻的认识，90.48%的学生的空间想象力有了明显提升，92.86%认为学习了3D建模能够帮助他们理解几何概念和图形的分解与组合。90%以上的同学认为对立体图像的特征的描述更加简单了，能够帮助他们学习几何知识，提升空间想象能力。

根据第14题、15题的数据统计可以看出88%的学生能够使用3D打印机独立完成一个简易几何结构的设计与制作，践能力得到提高。

根据第16题、17题、18题的数据统计可以看出83.33%的学生想将一些抽象的概念变成直观的实际模型。95.24%的学生想将一些创意小物品通过3D打印技术打印成物品，并且想打印更多的物品，从数据可以看出，学生的创新意识和创新思维得到了培养。

根据第19题、20题、21题、22题的数据统计，可以看出90%以上的学生认为自己的创新思维得到了激发，创新意识和设计素养得到了提高。

根据24题、25题可以看出学生都很喜欢3D打印课程以及课程的开展形式。

四、结束语

通过实验数据对比可以看出，学生在参加了3D打印课程学习后，学生在实践操作能力、空间想象力、问题解决能力这几个方面的创新能力得到了不同程度的提高。3D打印课程的开设对高中生创新能力是有提升作用的。