大概念视域下的大单元融合课程设计与实施

【摘 要】随着STEM教育的兴起，以机器人、创客为代表的STEM教育得到了蓬勃的发展，3D打印技术成为机器人、创客教育重要的组成部分，为其提供有效的材料支撑。在中小学阶段开展三维设计课程已经成为学生创新能力培养与提升的重要方式，有效促进了学生空间思维的发展。笔者从大概念视角出发以Scratch 3D应用平台为支撑，通过大单元整合设计的方式构建了小学3D建模校本课程，以课程融合的方式促进小学生核心素养的结构化、系统化的深度发展。

【关键词】大概念；大单元；Scratch 3D；三维建模；校本课程；核心素养

【中图分类号】G434 【文献标识码】A

【论文编号】1671-7384（2023）012-041-03

大概念是一种抽象程度较高、适用范围更广的逻辑抽象概念。大概念视域下的课程设计指向学生核心素养发展，必须依托大单元整体设计，才能够构建积极有效的课程实施框架。三维建模可以有效培养学生的空间想象能力，成为机器人、创客实践的重要组成部分。利用三维建模软件设计制作三维实体模型，借助3D打印机打印出所需要的材料结构件，极大地方便了机器人与创客实践过程中辅助器材的制作与加工。

笔者通过多年的教学实践，对比了几种常见的三维建模软件，最终编写出基于Scratch 3D应用平台的校本课程“趣味3D建模”。该校本课程最大的特点是从大概念视角出发，通过大单元的整合设计，实现了课程的融合与创新。“趣味3D建模”校本课程主要是适合小学五、六年级的学生进行学习。这部分学生学习过Scratch程序设计软件，对图形化的程序设计软件比较熟悉，具备了一定的编程基础。教师通过基于Scratch 3D应用平台开展三维建模教学，不仅能够帮助学生学习3D建模的相关知识，而且能够帮助学生进一步提升结构化程序设计能力，促进学生设计思维和计算思维的深度发展。

三维建模校本课程概述

在“趣味3D建模”校本课程设计之初，笔者就已经进行了多年的三维建模教学实践与探索。笔者对几种适合中小学生学习的3D建模软件进行了对比分析，如3Done、123D Design、Blender等三维建模软件。笔者认为每种三维建模软件都各具特色，其中学习3Done的学生较多，但是它包含的概念性的东西较多，在课程实施过程中无法找到科学有效的学习支架，也缺乏与现有课程体系的有效衔接。因此，笔者选择Scratch 3D应用平台，开展三维建模教学，该平台最大的特点就是利用编程的方式进行三维建模。这种通过编程的方式进行三维建模，可以与学生学习过的Scratch图形化编程软件进行有效衔接，实现了学生知识与技能的有效迁移。

因此，笔者从大概念视角出发，利用大单元整合设计的方式，编写出小学生“趣味3D建模”校本课程。该课程从学生已经掌握的Scratch图形化编程入手，比较容易激发学生的学习兴趣，同时也能够促进学生学科核心素养发展，真正实现了课程的融合发展。此外，该校本课程紧紧围绕3D打印技术和三维建模两条主线进行课程设计，Scratch 3D应用平台是通过积木式编程的方式进行三维建模，让学生在课程融合与创新过程中，有效促进了学生核心素养的系统化、结构化的发展。

1.知识技能视角

在校本课程设计的过程中，笔者从大概念视角出发，通过大单元整合设计的方式进行课程设计，帮助学生实现知识与技能的有效迁移与应用，促进学生核心素养的有效迭代。在“趣味3D建模”校本课程中，笔者设计了两条知识与技能主线，即“基本实体的新建”和“实体的分割”。简单来说，就是学生在学习过程中要实现两个项目目标，一个是“常见实体的组合编辑”，另一个是“实体的挖孔”。如新建各种实体，通过调整不同实体的位置，进行有效的组合，就可以形成各种三维实体模型。此外，通过对基本实体进行“挖孔”，可以形成各种新的被抽壳的三维实体模型。

2.学科思维视角

高质量的校本课程设计，需要充分融入学科思维。在编写“趣味3D建模”校本课程的过程中，笔者充分考虑学生思维能力的培养。三维建模最基本的学科思维必定是三维空间想象能力和设计构造能力，这也是开展三维建模课程教学的重要目的。同时，笔者还想通过编程的方式在进行三维建模的过程中，有效促进学生计算思维的发展。此外，三维建模课程实施的目标是要能够切实有效地提升学生实践与创新能力，这不仅需要学生具备较高的程序设计能力，而且要具备一定的生活观察能力和结构分析能力，学生能够多角度思考问题。同时，通过编程的方式进行三维建模，可以将可视化的编程过程与建模过程相结合，以便更好地促进学生学科思维能力的提升与发展，实现学科思维的有效迭代。

课程的设计思路与理念

小学阶段的学生空间想象能力相对来说是比较差的，对物体在三维空间中的位置还不能够建立起较为明确的概念。同时，在小学数学课程当中也并没有空间几何相关的知识，还没有要求学生掌握三维空间坐标系。笔者在充分调研和教学实践的基础上，发现在小学数学的“观察物体”单元中有要求学生掌握“三视图”，即正视图、左视图、俯视图等概念及其画法，这成为帮助学生发展空间想象能力的重要基础。笔者通过几年的教学实践，最终形成了较为完善的小学“趣味3D建模”校本课程。笔者认为，针对小学三维建模教学过程中最为关键的三维空间坐标系的概念，教师要避免让其成为小学生学习三维建模的障碍。笔者利用Scratch 3D应用平台，以编程的方式进行三维建模教学，很好地抓住了学生已经具备的知识与技能，以“三视图”作为学习支架，帮助学生从二维坐标有效迁移到三维坐标的应用和实践。

1.课程设计思路

针对“趣味3D建模”校本课程的设计思路，笔者抓住Scratch 3D应用平台的三维建模特点，以编程的方式进行三维建模的课程设计。笔者从大概念视角出发进行课程目标定位，充分考虑学生发展的实际需要，即实践与创新能力发展的需要，让学生通过编程的方式进行三维建模，帮助学生将所想变为现实，再利用3D打印机打印出三维实物模型。

在“趣味3D建模”校本课程设计思路上，笔者从程序设计视角和三维建模视角出发，在对比分析的基础上，通过大单元整合设计的方式找出两者的结合点，将面向对象这一思想作为整个校本课程设计的思路。如无论是程序设计视角还是三维建模视角都是针对“角色”（对象）的操作。在Scratch中是通过“动作”等控件来控制“角色”创编游戏与动画，而在Scratch 3D中则是通过“变换”等控件来进行实体模型的创建。因此，笔者围绕三维建模中“实体”的创建与分割，设计了系列的融合课程案例，将三维建模中关键的概念和设计思维充分融入其中，构建了学思融通的新课程设计思路。

2.课程设计理念

“趣味3D建模”校本课程设计最为突出的特点是课程的设计理念相对来说比较新颖。笔者完全打破了常见的三维建模软件建模方式，选取了采用编程的方式进行三维建模的Scratch 3D应用平台作为开展三维建模教学的软件。相对来说弱化了对学生空间想象能力的要求，重点突出了学生的设计思维能力的培养。Scratch 3D应用平台是基于Scratch图形化编程这一基础，通过结构化的程序设计过程，能够更有效地促进学生解决问题能力的提升。因此，笔者采用了解决问题模式下的计算思维实践操作过程开展微项目式的教学，让学生能够经历计算思维的抽象、建模、表征等过程，有效促进了学生计算思维的发展。如表1所示，为小学“趣味3D建模”校本课程中的部分课例。

表1中所列出的三个课例是“趣味3D建模”校本课程中三个关键的部分。该校本课程目标是要实现学生从最基础的观察视角的转变，到实体的组合设计来创建三维模型，以及通过“挖孔”的方式，对实体进行“减运算”，去掉实体中的部分，形成新的三维实体模型。笔者从大概念的视角出发，通过大单元的整合设计，试图帮助学生实现两种不同的建模思路，即基本实体的组合法和实体的“挖孔”法，从而帮助学生建立结构化的、系统化的问题解决策略与方法。

校本课程案例设计分析

通过大概念的视角实现大单元课程整合设计，提升了小学“趣味3D建模”校本课程设计框架的结构性和系统性，促进了课程的融合发展，对学生核心素养的深度发展也起到关键性的促进作用。学生的计算思维将在编程与建模的过程中得到进一步的强化，学生的设计思维也将在三维建模的过程中得到不断发展。

1.观察视角的有效转变

三维建模最为重要的基础是学生三维空间想象能力，而学生观察视角的有效转变成为促进学生空间想象能力提升的关键。在“趣味3D建模”校本课程中，“创意汉诺塔”作为初始课中的案例，笔者通过将不同大小的圆柱在同一个位置进行组合，让学生从不同的视角观察三维实体模型，激发学生的学习兴趣，促进学生空间想象能力的发展。笔者通过积极引导学生从不同的视角观察实体模型，让学生在从二维到三维空间的有效转变中，初步掌握三维空间坐标中用来控制实体在三维空间中上下位置的Z轴的含义和用法，学生能够实现不同实体同一个位置的有效重叠，激发学生的空间想象能力和设计思维。

从改变学生观察事物视角的转变出发，通过采用基于问题解决模式下的计算思维实践操作过程，能够有效促进问题的科学高效解决，启发学生的创作思维。在“趣味3D建模”校本课程中，笔者主要采用微项目式的案例设计，将复杂的实体简单化，将简单的实体二维化，通过将复杂的实体分割成几个部分进行制作。让学生在问题解决模式下的计算思维实践操作过程中，促进学生计算思维的发展。同时，在项目实践过程中提升学生的空间想象能力，在可视化的操作过程中提升学生观察能力、多视角分析问题的能力。

2.设计思维的产生过程

在三维建模过程中，笔者从学生的实际生活经验出发，在“趣味3D建模”校本课程中设计了生活案例。如设计了椅子、桌子、沙发，以及小车等三维实体模型，这几种三维实体模型都是通过组合法的方式进行三维实体模型的创建。这些生活化的设计案例，学生主要是通过进行一些简单的造型变换，从而创建出各种不同的三维实体模型。笔者还设计了体现实体模型的对称之美和实体变换之后再对称的案例，如在“创意小车”的课例中，小车的车轮就是通过旋转之后再进行对称定位，从而有效增强了三维建模实体的美观度和设计感。

3.逆向构思促进思维发展

笔者将生活中常见的实物作为三维建模抽象的基础，让学生利用一些基础的简单实体模型进行组合编辑的方式，创建出很多丰富的三维实体模型。如一个简易的书柜，学生主要是通过在一个长方体实体模型上进行“挖孔”操作，建立三棱柱、长方体、正方体、圆柱体等虚像的方式，将其进行有效组合，从而构建了一个书柜三维模型实体。笔者在教学中还采用克隆的方式，丰富三维实体的造型和艺术感。如在“创意笔筒”案例中，笔者使用了一个八棱管作为笔筒的身体，底部也是一个八棱管厚壁，借助一个圆柱的虚像进行旋转与克隆，将八棱管的笔筒进行挖孔操作，最后将其进行模型组合，实现了实体镂空的效果，提升了笔筒设计的立体感和艺术感，激发了学生逆向构思的能力。

综上所述，笔者认为，通过采用编程的方式进行三维建模，可以有效降低三维建模的难度，激发小学生学习三维建模的积极性。同时，在三维建模课程的设计与实施过程中，能够有效培养学生的空间想象能力和设计思维，以及学生计算思维的发展，从而有效促进学生核心素养的深度发展。

编 辑：冯艳艳