基于逆向思維設(shè)計模型的3D打印教學研究

徐欽

目前，適合中小學生學習的3D建模軟件有Google Sketchup、123 Design、Fusion等。為了讓學生快速掌握3D建模方法，筆者選擇3D one軟件在六年級中開設(shè)了3D打印校本課程。筆者在教學中發(fā)現(xiàn)，采取常規(guī)任務(wù)驅(qū)動式教學法，學生在學習3D打印過程中的創(chuàng)新思維受限，創(chuàng)作積極性不高，且較出色的3D模型作品不多。為提高3D打印教學的效果，進一步提升學生的創(chuàng)新實踐能力和信息素養(yǎng)，筆者提出了基于逆向思維模型的3D打印教學模型，期望為3D打印教學提供參考。

● 3D打印引領(lǐng)潮流，教育理論奠定基礎(chǔ)

1.逆向思維的六步半模型

基于設(shè)計的學習是由國外引入的一種新型的學習方式，這種學習方法重在“設(shè)計”，引導(dǎo)學生以小組合作的方式設(shè)計契合主題的實物模型，并對設(shè)計方案加以修改和完善。美國加州理工大學的多林·尼爾森教授提倡在教學過程中融入設(shè)計理念和設(shè)計方法，鼓勵學生創(chuàng)造一個“從未見過”的“挑戰(zhàn)”任務(wù)，在學習過程中，學生學習掌握具體的設(shè)計方法，鍛煉創(chuàng)造性思維和實踐能力。他以基于設(shè)計的學習為理論基礎(chǔ)，搭建了逆向思維模型（簡稱BT模型），將教育過程分解為六步加半步，引導(dǎo)學生用設(shè)計的理念和思想戰(zhàn)勝挑戰(zhàn)，解決問題。

2.逆向思維的教學優(yōu)勢

逆向思維模型是對傳統(tǒng)教學方式的一種改進，該模型在明確學習目標之后，根據(jù)項目主題、評價標準及評價方式等，調(diào)整教學活動設(shè)計，照顧學生差異性，實現(xiàn)個性化學習?；谀嫦蛩季S的教學模型特征可總結(jié)為：①挑戰(zhàn)性學習主題：突出“從未見過”的“挑戰(zhàn)”，明確學習目標。②前置性評價標準：師生共同探討出作品評價標準，有利于學生有目的地構(gòu)建作品，促進有意義學習。③多樣化評估方式：放大評估的維度和深度，對照評價標準反思學習過程。

基于逆向思維模型的教學可以促進學生增強動手設(shè)計能力，鍛煉交流合作能力，培養(yǎng)互幫互助的優(yōu)良品質(zhì)。這一學習理念和3D打印學習非常契合。教師在3D打印教學過程中，鼓勵學生進行思維碰撞，提出多樣化的3D模型設(shè)計方案。學生充分體驗到將想象、創(chuàng)意變?yōu)楝F(xiàn)實的過程，享受到一個特別的作品從無到有的過程，獲得巨大的滿足感和成就感。

● 實踐探索真知，構(gòu)建課堂教學模式

1.教學模型建立

逆向思維模型是以告訴學生將要進行一個嶄新的挑戰(zhàn)或設(shè)計為起點，以學生完成構(gòu)建并在教師的指導(dǎo)下理解和接納知識為終點。根據(jù)這一模型，教師可在教學之初提出學習的主題，再以問題的方式提出一個全新的挑戰(zhàn)任務(wù)，學生圍繞這個挑戰(zhàn)展開合作學習，在組內(nèi)規(guī)劃設(shè)計三維模型，共同挑戰(zhàn)創(chuàng)造一個有形的實物。筆者經(jīng)過實踐探索，設(shè)計了適合3D打印課程教學的逆向思維教學模型，如下頁圖所示。

2.教學案例展示

下面以《3D美味冰淇淋》為例，說明基于逆向思維教學模型的教學實踐。這是校本課程中的一節(jié)課，筆者根據(jù)逆向思維教學模型展開了具體教學。首先為學生設(shè)計一個從未見過的挑戰(zhàn)，讓學生觀察生活中美味冰淇淋的特點，并在教師的指導(dǎo)下學習設(shè)計冰淇淋的基本步驟，鼓勵學生以小組為單位，盡情地發(fā)揮想象力，設(shè)計出更具特色的、個性化的3D冰淇淋模型。

教學過程的主要環(huán)節(jié)如下：

①確定教學主題（教什么）。教師在課堂上播放多媒體視頻，介紹冰淇淋的制作過程，并提出本節(jié)課的設(shè)計主題。

②確定教學問題（提出挑戰(zhàn)）。學生進一步學習了解冰淇淋的發(fā)展歷史和生活中常見的冰淇淋造型。教師展示冰淇淋的圖片以及實物模型，學生進行觀察與思考。在此基礎(chǔ)上教師進一步提出挑戰(zhàn)任務(wù)：小組合作，設(shè)計一款獨特的冰淇淋模型，參加冰淇淋博物館的展覽。此環(huán)節(jié)的設(shè)計激發(fā)了學生的濃厚興趣和動手實踐的欲望，從而使其積極地參與到挑戰(zhàn)任務(wù)中去。

③確定設(shè)計的標準（規(guī)范設(shè)計要求）。師生共同制訂一個基本的作品評價標準，標準的制定需要在學生已有的知識經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，在教師的指導(dǎo)下進行，具體如下表所示。

④學生實踐操作（學生合作設(shè)計模型）。學生分小組討論、交流、研究，掌握冰淇淋最基本的模型構(gòu)造（一般來說，冰淇淋分為蛋筒和奶油兩個部分），并商討出想要設(shè)計的模型創(chuàng)新點，共同制訂冰淇淋三維模型的設(shè)計方案。然后，在學習單上繪制簡單的設(shè)計圖，并確定尺寸以及可能運用到的3D one軟件中的工具或命令等。最后，共同在3D one中進行冰淇淋模型的操作與設(shè)計。

⑤教師巡視指導(dǎo)（幫助指導(dǎo)，展評作品）。教師在學生操作練習的過程中進行巡視，提供指導(dǎo)與幫助。根據(jù)需要為學生提供學習的腳手架，如微課、學習單等。各小組完成模型設(shè)計后進行作品的展示，師生對照之前討論好的評價標準進行作品的評價，提出作品的優(yōu)缺點以及改進的建議。作品呈現(xiàn)環(huán)節(jié)，可分為兩個部分，包括3D one軟件中設(shè)計的模型和通過3D打印機輸出的實物作品。實物作品的展評要根據(jù)學校打印機的實際情況，安排到后續(xù)課時中進行。

⑥修改完善，總結(jié)反思（加深挑戰(zhàn)印象）。小組成員選擇性地采納大家的作品修改意見，在3D one軟件中修改完善冰淇淋模型設(shè)計。教師在班級中遴選出優(yōu)秀作品，并將模型切片放到學校3D打印機中進行打印輸出。展覽打印出的冰淇淋實物，學生在成果作品欣賞中獲得成就感。此外，學生可以將冰淇淋的模型文件上傳到3D one社區(qū)，獲得相應(yīng)的“豌豆”和“創(chuàng)意值”，積極參與到“校園創(chuàng)客”的評選中。

● 攜手創(chuàng)想未來，共筑3D夢想

1.增強有趣的學習體驗

3D打印課程不僅讓學生學習到了先進的3D技術(shù)，而且增強了有趣、新奇的學習體驗。學生通過設(shè)計模型并將其實體化來驗證自己的設(shè)計是否符合要求，并在實踐中不斷地完善作品，激發(fā)創(chuàng)意靈感，從中獲得學習的滿足感。學生們表示非常喜歡3D打印課程，并且十分愿意將作品上傳到3D one社區(qū)分享。教師會根據(jù)學生作品進行推優(yōu)，獎勵“豌豆”，以此激發(fā)學生3D打印學習的積極性和創(chuàng)意性。

2.豐富創(chuàng)新思維和創(chuàng)造力

3D打印技術(shù)是從二維平面思維到三維立體思維的拓展，在設(shè)計過程中，學生的空間想象力得到了進一步延伸和拓展。在3D模型設(shè)計過程中，需要不斷地調(diào)整參數(shù)，計算機生成的圖形也在發(fā)生尺寸、距離、形狀等各種變化，并且學生要從多個角度去觀察，繼而反復(fù)調(diào)試模型。這在無形中鍛煉了學生的觀察力、數(shù)字感知力、空間感和創(chuàng)新思維等。

基于逆向思維教學模型展開3D打印教學只是一種嘗試，還有更多的模式及方法值得探究，以促進3D打印教學效果的提升，充分發(fā)揮3D打印的教育價值。