以“榫卯結構”為載體的三維設計課程開發(fā)與實踐

甘霖

【摘 要】三維設計課程的立足點是育人而不是簡單的技術學習，因此要選擇符合學生情況的課程載體，開發(fā)提升學生實踐創(chuàng)新素養(yǎng)的課程?！伴久Y構”作為三維設計課程載體，其綜合性和擴展性較強，同時體現了中國傳統(tǒng)文化與現代技術的結合。本文中列舉“燕尾榫結構”和“現代榫卯結構”兩個項目案例，以此說明“榫卯結構”作為載體的三維設計課程的開發(fā)與實踐，以及在此過程中如何提升學生的核心素養(yǎng)。

【關鍵詞】榫卯結構；三維設計；3D打??；課程開發(fā)與實踐

【中圖分類號】G434 【文獻標識碼】A

【論文編號】1671-7384（2017）12-0068-03

榫卯結構被稱作結構之魂，在傳統(tǒng)的“大木作”“小木作”都有廣泛使用。榫卯結構是相連接的兩構件上采用的一種凹凸接合方式，凸出部分叫榫，凹進部分叫卯。傳統(tǒng)榫卯結構在木結構建筑、家具、玩具等多方面都有廣泛的應用，并且種類多樣，形態(tài)各異。以中國古代明式家具為例，其常見的榫卯結構就有近百種，如夾頭榫、抱肩榫、插肩榫、燕尾榫、龍鳳榫等。應用在不同領域且種類多樣的榫卯結構為三維設計課程中實際項目提供了充足的選擇空間。

榫卯結構具有一定的強度、韌性和變形能力，外形簡潔，不僅有外在的工藝合理性，而且顯示了中國文化的傳統(tǒng)理念。榫卯結構在三維設計課程中作為載體體現了科學、技術、藝術、文化等多學科的綜合應用，體現了很好的綜合性。

榫卯結構精妙神奇，變化無窮，由簡單的幾個榫卯結構可以衍生變化出各種復雜的結構。在三維設計課程中，利用榫卯結構從簡單到復雜的特點，根據學生實際情況，設置不同難度的任務，在進行實際教學過程中可擴展性強。

榫卯結構本身應用范圍廣，在不同的應用方面其技術側重點也不同，建筑上側重結構穩(wěn)定，合攏時成為一個高強度完美的整體；家具中的榫卯結構則成就了中國含蓄內斂的審美觀，當無數榫卯組合在一起時就會出現極其復雜而微妙的平衡；玩具注重通過實際縮小的結構形式起到益智的作用。在三維設計課程中除可以使用榫卯結構本身作為載體外，還可以擴展到不同的領域，開發(fā)出側重于中國古代建筑、中國古典家具或榫卯益智類玩具等不同課程。

2014年，教育部印發(fā)《完善中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化教育指導綱要》，《綱要》指出加強中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化教育“是培育和踐行社會主義核心價值觀，落實立德樹人根本任務的重要基礎”?！毒V要》同時還指出，“分學段有序推進中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化教育；把中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化教育系統(tǒng)融入課程和教材體系”。在初中階段“以增強學生對中華傳統(tǒng)文化的理解力為重點，提高對中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化的認同度”，在高中階段“以增強學生對中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化的理性認識為重點”“增強學生對中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化的自信心”。在“中國學生發(fā)展核心素養(yǎng)”中也明確提出，學生應“具有文化自信，尊重中華民族的優(yōu)秀文明成果”。

“傳統(tǒng)木結構營造技藝”已經入選聯合國教科文組織人類非物質文化遺產名錄，榫卯結構是其中不可或缺的重要組成部分。榫卯結構在中華文明的進程中，如同漢字一樣源遠流長，是悠久的中華文明的物質化符號之一。在三維設計課程中選擇榫卯結構作為載體，將傳統(tǒng)文化與先進技術相結合，體現傳統(tǒng)文化的榫卯結構以適應現代教育的方式表達出來，在現代教育中將傳統(tǒng)文化傳承并進行創(chuàng)新。

課程開發(fā)與實踐案例

在以榫卯結構為載體的三維設計課程中，采取項目教學法，每個項目以一種或一類典型的榫卯結構為載體，以項目為主線、教師為引導、學生為主體。下面以燕尾榫以及現代榫卯結構為例進行說明。

案例1 燕尾榫項目

項目目標：了解燕尾榫的文化知識、應用范圍、簡單力學性能及傳統(tǒng)制作規(guī)范；掌握燕尾榫的結構特點，能使用三維設計軟件完成基本燕尾榫的三維模型設計；能考慮到3D打印機誤差，完成燕尾榫的3D模型制作；能根據教師提出的或自行發(fā)現的問題，合理使用燕尾榫完成一個簡單作品的設計；體驗作為傳統(tǒng)榫卯結構的燕尾榫的實際應用。

項目初期，教師簡單介紹“什么是燕尾榫”，并展示結構的圖片和實物，引導學生仔細觀察燕尾榫結構，并總結出當兩塊平板進行直角連接時，經常使用燕尾榫。教師留下問題“燕尾榫在形狀上有什么特點”，要求用草圖畫出燕尾榫的兩個組成部分即頭榫與尾榫。學生在教師引導下自行觀察結構并嘗試繪制燕尾榫草圖，對于燕尾榫結構有初步認識。

進入深入了解階段，學生查閱資料了解燕尾榫由來的傳說，認識燕尾榫的力學性能和廣泛使用。學生認識燕尾榫通過頭榫與尾榫的相互鎖合，是一種既實用又美觀的接合方式。在此階段，教師一定要引導學生在學習過程中關注燕尾榫的結構在長期使用過程中形成的制作習慣，包括燕尾榫的角度以及頭榫與尾榫的比值，認識傳統(tǒng)的制作規(guī)范。

學生在學習了燕尾榫相關知識后，嘗試用三維設計軟件進行三維模型的建立。在此環(huán)節(jié)，教師可以設定具體數據，給出材料厚度、燕尾榫角度、頭榫與尾榫比值，例如，“用三維設計軟件實現燕尾榫的制作，設定兩塊板子的厚度均為18毫米，燕尾榫的角度1：6，頭榫與尾榫比值為1：3”。也可以給出更多選項供學生選擇或學生自主設定符合傳統(tǒng)制作習慣的數據。對于從未接觸過三維設計軟件的學生來說，完成燕尾榫三維模型建立是學習三維設計軟件的過程（如圖1所示），但是這個過程不能是學生對于教師完成過程的簡單模仿，而應是在學習軟件基本操作方法的基礎上，嘗試用不同的方法完成三維模型的建立，教師可以引導給出關鍵點的提示，鼓勵學生在遇到問題的時候尋找解決問題的方法。建議學習了三維設計軟件的學生也要完成此環(huán)節(jié)，在三維設計環(huán)境中可以對榫卯結構有進一步的認識。

在完成三維模型的設計后，教師提出3D模型的轉化問題——“綜合考慮影響因素和誤差，調整尺寸大小，完成燕尾榫模型的3D打印”。學生根據不同打印機和材料的打印誤差不同，通過不同的實驗方式計算誤差率，調整三維模型的尺寸。

在該項目的應用轉化階段，教師可以適當提出不同的應用問題或由學生自主發(fā)現問題。例如，使用燕尾榫設計相框、禮物盒或者簡單家具。這是對于燕尾榫在現代設計中的直接應用。學生在解決問題的過程中使用燕尾榫結構，對于燕尾榫有進一步的學習。同時，筆者認為教師可以轉換思路，例如，提出如下任務：“燕尾榫是木工中經常會使用到的一種榫卯結構，但是在木材上繪制燕尾榫有一定的難度，你能不能設計一個方便的工具可以在木材上繪制出1：7角度的燕尾榫呢？”如圖2所示，引導學生打破慣性思維方式，創(chuàng)造性地運用技術解決實際問題。

圖2

案例2 現代榫卯結構項目

項目目標：認識傳統(tǒng)榫卯結構的文化寓意；了解現代榫卯結構；能夠使用三維設計軟件完成現代榫卯結構的模型建立；能夠根據要求設計現代榫卯結構并制作模型。

在項目初期，教師展示現代榫卯家具、建筑圖片，學生欣賞并認識到在現代設計中榫卯結構也是被廣泛應用的。

在深入了解階段，教師引導學生查閱資料從文化角度認識傳統(tǒng)榫卯結構的文化寓意，認識到“榫卯是中國古典家具和古代建筑的靈魂，不用一顆鐵釘，單憑其中的榫卯結構，便可以使用上千年，依然堅固美麗”。同時意識到榫卯是中國古代建筑文化的精華，在現代家具中可以模仿使用古代家具中的榫卯結構，也可以自己設計更符合現代人審美的現代榫卯結構。

在三維實現階段，教師可以提供不同的現代榫卯結構的造型特征，如圖3所示?，F代榫卯結構造型簡潔，三維實現較為簡單，適合三維設計軟件的初學者。對于已經掌握三維設計軟件使用方法的學生，在完成三維建模的過程中，教師應鼓勵他們自主探究現代榫卯結構的規(guī)律和特點。

在設計應用階段，給學生提出自己設計現代榫卯結構的任務，教師引導他們找出規(guī)律，也可提出具體任務“使用不同的網格線（如圖4所示），嘗試設計新穎合理的現代榫卯結構”。同時，結合項目初期學生所查找的資料圖片，鼓勵他們使用現代榫卯結構設計結構巧妙的現代家具。

課程開發(fā)與實踐的思考

三維設計課程中榫卯結構的載體選擇要符合學生認知和實際情況。過于復雜的榫卯結構，學生很難完成其三維模型的建立，容易將過多精力放在軟件使用上，得不償失。

三維設計課程教學中應采用項目學習的方法。利用各種有效資源，以解決問題為導向，學生探究問題的解決方案，進行創(chuàng)意的思考，借助3D打印技術進行解決，主動完成項目實施。在項目后期，教師要注重學生的交流與作品分享。

三維設計課程既不是單純的技能學習，也不能完全忽視技術的使用，工具的掌握是學生發(fā)揮其想象力創(chuàng)造性解決問題的基礎。實踐中可分階段進行，在起始階段，通過實物構建掌握三維設計平臺并形成三維空間思維。在熟練掌握后，進入創(chuàng)意構建階段。通過主題引導，學生運用創(chuàng)新方法構建物體，利用3D打印機完成轉化。

三維設計課程開發(fā)和實踐的根本還是要立足于學生的核心素養(yǎng)，注重文化傳承和實踐創(chuàng)新，這還有賴于教師對于課程開發(fā)及課程實踐的不斷探索。