立足計算思維玩轉(zhuǎn)3D打印

摘 要：計算思維是信息技術(shù)課程教學(xué)中需要培養(yǎng)的核心素養(yǎng)之一，在3D打印課程中培養(yǎng)學(xué)生的計算思維，讓學(xué)生完成一個探索、思考和操作實現(xiàn)的完整過程，可以為學(xué)生開辟一種全新的思維通道。基于以上理念，通過“建模抽象，形成思維；分解問題，理清思維；抓住重點，關(guān)注思維；糾錯歸納，鞏固思維；展示評價，沉淀思維”這五方面將計算思維融入學(xué)生知識學(xué)習(xí)和問題解決過程中，從而達(dá)到在小學(xué)3D打印教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生計算思維的目的。

關(guān)鍵詞：3D打印；計算思維；策略

“中小學(xué)信息技術(shù)課程是信息技術(shù)教育的基本途徑，應(yīng)當(dāng)順應(yīng)時代特征，承擔(dān)起發(fā)展學(xué)生計算思維的重要任務(wù)?！庇嬎闼季S是什么？計算思維是運(yùn)用計算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念去求解問題、設(shè)計系統(tǒng)和理解人類的行為。計算思維就像寫作、閱讀、數(shù)學(xué)一樣，應(yīng)該成為每個人具有的基本技能，讓我們處理生活中的各種事情得心應(yīng)手，受益終身。

為了完善信息技術(shù)的課程體系，培養(yǎng)學(xué)生的計算思維，筆者在學(xué)校開展了3D打印課程的教學(xué)。3D打印課程的教學(xué)中，筆者把知識點滲透到實例中，由一個實例層層遞進(jìn)知識點，讓學(xué)生通過制作實例來學(xué)習(xí)，體驗一個作品完整的開發(fā)過程，知道計算機(jī)解決問題的方法，從而發(fā)展學(xué)生的計算思維。

一、基于計算思維的3D打印課程教學(xué)的策略

在基于計算思維的3D打印課程教學(xué)中，筆者從以下幾個方面來研究。

（一）建模抽象，形成思維

抽象是指通過降低難度，將一個現(xiàn)實問題轉(zhuǎn)變成為計算機(jī)可以處理的問題。學(xué)會抽象可以更容易找到3D打印課程的切入點，更好地理清規(guī)則。

1.模擬情境，化抽象為具體

教師根據(jù)學(xué)習(xí)內(nèi)容，有針對性地設(shè)計任務(wù)情境，并讓學(xué)生模擬情境過程，在情境中感受抽象問題，讓抽象問題具體呈現(xiàn)出來。

例如，在教學(xué)“3D挪車電話號碼牌設(shè)計”這一課中，生活中家家戶戶幾乎都有自己的汽車，外出停車時免不了會阻擋別人的汽車，這個時候在汽車內(nèi)留一個挪車電話是非常有必要的。老師出示3D挪車電話號碼牌，一方面讓學(xué)生實際接觸這個車牌激發(fā)興趣，另一方面讓學(xué)生覺得可以給自己家的車制作一個挪車電話號碼牌也是一件非常有意義的事情。

用模擬情境的方式導(dǎo)入增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生體驗抽象與實際的關(guān)系，從而把抽象變成具體事物。

2.呈現(xiàn)導(dǎo)圖，化思維為直觀

思維導(dǎo)圖能很好地理清思維中的關(guān)系，讓學(xué)生一目了然地了解現(xiàn)實生活和計算機(jī)世界的聯(lián)系，學(xué)會把無形的思維過程轉(zhuǎn)化為直觀有形的導(dǎo)圖。

出示思維導(dǎo)圖，并層層提問，引導(dǎo)學(xué)生思考問題的關(guān)鍵點。以“圖”的方式來整體提問，將現(xiàn)實生活中的對象與計算機(jī)要處理的對象一一對應(yīng)，化無形為有形。

（二）分解問題，理清思維

計算思維可以將問題分解成我們知道怎樣去解決的問題。經(jīng)過分解后，這些問題才能夠被解決，從而降低設(shè)計難度。

如在制作“個性化花盆”這一課教學(xué)中，讓學(xué)生知道首先要制作好一個你喜歡的實體，再利用抽象工具來制作花盆。這個實體可以是利用已有的實體進(jìn)行改造，可以利用先畫平面圖，再進(jìn)行拉伸，也可以把實體結(jié)合在一起，創(chuàng)作有個性的作品。

由此可見，學(xué)生通過理清思路，將問題進(jìn)行分解并一一突破就找到了解決問題的關(guān)鍵點。

（三）抓住重點，關(guān)注思維

放手讓學(xué)生在3D學(xué)習(xí)中進(jìn)行學(xué)習(xí)有時候是很困難的，因為有些內(nèi)容很難表達(dá)清楚，為此可以抓住重點來鞏固思維。

例如，在教學(xué)“自制砝碼”這一課中，正方體的尺寸大小長、寬、高在1厘米左右，重點是在上面的這個連接圓柱上，并且這些砝碼是需要連接在一起的，因此這一課的重點是如何讓上面的圓柱能夠和正方體下面的接口緊密地結(jié)合在一起，那么圓柱的直徑要比正方體下面的接口要小。

讓學(xué)生在討論和不斷擺弄的過程中，抓住學(xué)習(xí)的重點，拓展思路，發(fā)展計算思維，這才是學(xué)生學(xué)習(xí)的目的。通過對比，學(xué)生會非常容易理解，并能合理利用。

（四）糾錯歸納，鞏固思維

學(xué)生已經(jīng)初步形成了計算思維能力，但這種思維能力并不成熟和穩(wěn)定，需要在教師的引導(dǎo)和任務(wù)支配下才能完成，因此，學(xué)生需要借助學(xué)習(xí)過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行糾錯和歸納，深化學(xué)生對知識的理解，鞏固學(xué)習(xí)結(jié)果。

例如，在教學(xué)“自制砝碼”這一課中，如何讓上面的圓柱能夠和正方體下面的接口緊密地結(jié)合在一起，那么圓柱的直徑就要比正方體下面的接口要小，那么要小多少呢？學(xué)生通過多次的糾錯，打印實體進(jìn)行對接，終于發(fā)現(xiàn)小1毫米就可以了。

通過糾錯思維，可以很好地解決問題。而學(xué)生通過糾錯歸納，不僅能鍛煉自己的計算思維能力，而且可以對知識進(jìn)行鞏固，為拓展打下基礎(chǔ)。

（五）展示評價，沉淀思維

作品展示是對學(xué)生的肯定，也是學(xué)生互相學(xué)習(xí)的一種方式。目的是更好地提高學(xué)生的計算思維能力、審美能力和創(chuàng)新能力，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)3D打印的興趣。

學(xué)生展示介紹作品，不僅是展示自己，也是對知識的梳理，學(xué)生在分享和交流中不僅可以鍛煉語言表達(dá)能力，而且可以理清思路，沉淀思維。

例如，在“制作個性化花盆”中，有學(xué)生展示了這樣一個作品。她把花盆和手機(jī)支架結(jié)合在一起，它既可以養(yǎng)多肉植物，也可以作為手機(jī)支架，同時也提醒“手機(jī)一族”應(yīng)注意科學(xué)用眼，多看看綠色植物，因此設(shè)計了這個創(chuàng)意花盆。通過她的講解，同學(xué)們對個性化花盆有了更深的理解，同時也明白了學(xué)習(xí)是為了更好地生活。

可見，展示評價可以激發(fā)學(xué)生對3D打印課程學(xué)習(xí)創(chuàng)作的興趣，并且對學(xué)生的計算思維提出了更高的要求：在創(chuàng)作作品的過程中，學(xué)生對設(shè)計的數(shù)據(jù)要進(jìn)行深入的分析和靈活的運(yùn)用。

二、基于計算思維的3D打印課程教學(xué)的成效

通過基于計算思維的小學(xué)3D打印課程的實踐與研究，不論是教師的教學(xué)，還是學(xué)生在3D打印課程的學(xué)習(xí)中，都有了或多或少的成效。

很多時候，教師非常希望通過拓展性課程，讓每一位孩子都得到成長，基于計算思維的小學(xué)3D打印課程的教學(xué)，很好地解決了教師在3D打印教學(xué)中遇到的問題，改進(jìn)教師的教學(xué)方法，提升課堂教學(xué)效率。抓住了計算思維這條線，拓展了教師的研究平臺，提高了教師教育科研能力，帶動并促進(jìn)教師個人教學(xué)風(fēng)格的形成，引領(lǐng)教師的專業(yè)化發(fā)展。

關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)，發(fā)展學(xué)生立體空間思維，激發(fā)學(xué)生充分發(fā)揮想象力、創(chuàng)造力，培養(yǎng)學(xué)生的計算思維。很多時候，學(xué)生是不知道怎么去做，或者說怎么做才能做得更好，通過教師一系列的學(xué)習(xí)安排和引導(dǎo)，他們對計算思維的理解有了一定的提高，并且知道了計算思維與生活是息息相關(guān)的，可以運(yùn)用計算思維幫助我們更好地生活。

學(xué)生知道了計算思維不僅是計算那么簡單，學(xué)習(xí)計算思維是為了更好地處理生活中碰到的問題。在學(xué)習(xí)過程中，筆者讓每位學(xué)生選擇自己最滿意的作品，然后把它打印出來，分享給自己的家人和朋友，學(xué)生很有成就感，覺得這可是自己親手設(shè)計出來的作品，非同一般。

三、基于計算思維的3D打印課程教學(xué)的反思

3D打印課程是信息技術(shù)課程的拓展，在不斷的摸索學(xué)習(xí)過程中，既給了學(xué)生新的體驗，也讓筆者看出了在教學(xué)過程中環(huán)節(jié)也有設(shè)計不當(dāng)?shù)牡胤?，下面從以下幾點談?wù)劷虒W(xué)的反思。

（一）打好基礎(chǔ)，必不可少

接觸3D打印也已經(jīng)有兩年的時間，通過不斷實踐練習(xí)，掌握了3D課程的教學(xué)。特別是三維軟件的設(shè)計物品，每個工具的功能都已經(jīng)知道，但是對于工具的靈活運(yùn)用還是不夠的，通過這次做的幾個作品可以看出，工具的靈活運(yùn)用能力還有待提高，在平時的教學(xué)中，也不能單獨通過一個作品學(xué)習(xí)工具的作用，要把工具的作用擴(kuò)展開，引導(dǎo)孩子靈活運(yùn)用，這樣孩子在設(shè)計新作品的時候，操作起來就靈活有余了。

（二）開闊視野，迫在眉睫

在教學(xué)中，確實也借鑒了不少其他的作品，讓學(xué)生在課下之余可以通過網(wǎng)絡(luò)平臺來開闊自己的視野，多和擁有一樣興趣愛好的朋友交流成長，這是一件很快樂的事情，不要把自己，把課程教學(xué)鎖定在課堂，鎖定在單單的幾個作品之上，要注意走出去，多學(xué)習(xí)，多交流，在這個過程中一定會有很多收獲。

在教學(xué)前，筆者經(jīng)常將幾個3D打印的實物呈現(xiàn)在學(xué)生面前時，看到的是他們一個個好奇的小眼神，使他們有信心去學(xué)習(xí)接下來的知識，一定程度上激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，成就了學(xué)習(xí)動機(jī)，但是在一定程度上也束縛了他們的創(chuàng)新思維。

（三）培養(yǎng)思維，由點帶面

計算機(jī)解決問題的過程和人類解決問題的過程最大的區(qū)別在于，人類有大量的包含個人禁言在內(nèi)的隱形知識，而計算機(jī)解決問題時，要求有清晰的問題定義和描述，通過對問題的層層抽象，將學(xué)生的隱形知識顯性化，思維過程可視化，不斷對計算機(jī)思維能力進(jìn)行強(qiáng)化和訓(xùn)練，思維能力才能得到提升。

（四）獎勵評價，勢在必行

獎勵是特殊的評價，這對學(xué)生學(xué)習(xí)動機(jī)更具有不一般的鼓勵作用，恰當(dāng)使用獎勵，讓獎勵被看做是提供有關(guān)成功或自我效能感的信息時，提高內(nèi)部動機(jī)。筆者認(rèn)為課堂中可以打印一些3D小徽章，對表現(xiàn)優(yōu)秀的學(xué)生進(jìn)行表揚(yáng)和獎勵，這在很大程度上可以培養(yǎng)優(yōu)秀學(xué)生的成就動機(jī)，對表現(xiàn)一般的學(xué)生的成就動機(jī)的培養(yǎng)和激發(fā)也有一定的提高和改善。

（五）思維評價，因勢利導(dǎo)

通過學(xué)生自創(chuàng)的或者程序作品草圖設(shè)計來評價學(xué)生對于抽象、有條件限制的邏輯、算法思維以及其他用來解決問題的計算思維概念的理解和使用，闡述了學(xué)生在學(xué)習(xí)算法、信息技術(shù)等概念時的基本路徑，通過現(xiàn)實生活中的問題以及一些熱點問題來反映學(xué)生的計算思維能力。

當(dāng)前關(guān)于計算思維教育的評價，主要是通過對學(xué)生學(xué)習(xí)的過程進(jìn)行分析，但是計算思維評價不是單一的考查，需要綜合多種評價工具進(jìn)行計算思維系統(tǒng)性評價。

學(xué)生計算思維的培養(yǎng)是一項需要長期堅持的工作，特別要關(guān)注問題解決方案的形成過程。我們要將計算思維融入學(xué)生知識學(xué)習(xí)和問題解決的過程，不斷地改善3D打印課程教學(xué)策略，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情和積極性，讓學(xué)生在自主、協(xié)作、交流、分享的過程中促進(jìn)思維的發(fā)展，進(jìn)而讓“計算思維”在教學(xué)中落地生根，讓每一位學(xué)生學(xué)會創(chuàng)造性地思考，從而達(dá)到更好地培養(yǎng)學(xué)生計算思維的目的。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙輝.讓“計算思維”在Scratch實例教學(xué)中落地生根[J].中國信息技術(shù)教育，2016（10）.

[2]周瑩.3D打印技術(shù)提升計算機(jī)建模教學(xué)的探究[J].當(dāng)代教育實踐與教學(xué)研究，2017（5）.

作者簡介：嚴(yán)明崗（1981—），男，漢族，蕭山，本科，二級教師，研究方向：Arduino機(jī)器人和3D打印課程的實踐研究。