3D打印課程促進(jìn)高中生創(chuàng)新能力提升的實(shí)證研究

肖央紅

(重慶市長(zhǎng)壽中學(xué)校 重慶 401220)

為了驗(yàn)證3D打印課程是否對(duì)高中生創(chuàng)新能力有提升作用。筆者結(jié)合我校的實(shí)際情況，開設(shè)了3D打印社團(tuán)課程，通過采取實(shí)驗(yàn)研究法，利用單組前后測(cè)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，對(duì)實(shí)驗(yàn)班學(xué)生參與社團(tuán)課程學(xué)習(xí)前后創(chuàng)新能力進(jìn)行測(cè)量，前測(cè)是為了了解學(xué)生創(chuàng)新能力的初始水平，3D打印社團(tuán)課程實(shí)施后進(jìn)行創(chuàng)新能力的后側(cè)，了解課程實(shí)施后創(chuàng)新能力的反饋效果。

一、核心概念

3D打印技術(shù)，它以數(shù)字化模型為基礎(chǔ)，通過3D建模軟件設(shè)計(jì)出一個(gè)三維模型，再將該模型用相應(yīng)的切片軟件進(jìn)行分層切片，然后運(yùn)用塑料或粉末狀金屬等可粘合材料，通過逐層打印疊加的方式打印物體的技術(shù)

創(chuàng)新能力，是技術(shù)和各種實(shí)踐活動(dòng)領(lǐng)域中不斷提供具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值、社會(huì)價(jià)值、生態(tài)價(jià)值的新思想、新理論、新方法和新發(fā)明的能力。

二、基于3D打印課程培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的實(shí)施步驟

第一階段：軟件培訓(xùn)，為期五周。這五周課程的學(xué)習(xí)，主要是學(xué)生在教師的指導(dǎo)下完成3D作品制作，在該階段學(xué)生基本掌握3D建模軟件的使用，為后續(xù)開展創(chuàng)新項(xiàng)目奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

第二階段：項(xiàng)目實(shí)踐，為期五周。對(duì)于依托3D打印技術(shù)開展創(chuàng)新能力培養(yǎng)來說，學(xué)生不能只停留在基本操作技能的層面，更應(yīng)該在實(shí)踐中進(jìn)一步掌握3D打印技術(shù)，從而激發(fā)創(chuàng)新意識(shí)。此階段通過解決項(xiàng)目問題，分小組協(xié)作探究，根據(jù)項(xiàng)目所面臨的問題設(shè)計(jì)草圖、建模、打印作品，在一次次的嘗試中，深化鞏固所學(xué)知識(shí)，在協(xié)作學(xué)習(xí)中加強(qiáng)合作意識(shí)和協(xié)作能力培養(yǎng)，在自主完成項(xiàng)目的過程中將知識(shí)技能內(nèi)化，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新潛質(zhì)，掌握知識(shí)的綜合應(yīng)用，從而保證學(xué)生能夠完成自己的創(chuàng)意作品。

第三階段：強(qiáng)化創(chuàng)新素養(yǎng)，為期三周。本階段在教師的指導(dǎo)下獨(dú)立開展創(chuàng)客活動(dòng)，主要對(duì)學(xué)生的創(chuàng)新思維、創(chuàng)新精神、創(chuàng)新能力進(jìn)行強(qiáng)化培養(yǎng)。

第四階段：創(chuàng)新應(yīng)用，成果交流。通過參加科技創(chuàng)新大賽3D打印賽項(xiàng)，參加3D打印創(chuàng)意設(shè)計(jì)大賽鍛煉學(xué)生能力，匯聚成果，作品展示，總結(jié)交流成果。

通過四個(gè)階段，學(xué)生從初級(jí)、中級(jí)、高級(jí)等多個(gè)層次由淺入深、循序漸進(jìn)地掌握技能，培養(yǎng)創(chuàng)新素養(yǎng)，也符合高中生的認(rèn)知水平。

三、基于3D打印課程培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的前、后測(cè)調(diào)查問卷分析

（一）“3D打印社團(tuán)課程學(xué)習(xí)前期”問卷調(diào)查結(jié)果及分析

1.調(diào)查背景和目的

通過對(duì)剛進(jìn)入社團(tuán)的學(xué)生發(fā)放問卷調(diào)查，了解分析學(xué)生對(duì)3D打印知識(shí)的了解，對(duì)3D打印社團(tuán)課程的興趣，空間想象力情況以及學(xué)習(xí)的創(chuàng)新意識(shí)等方面進(jìn)行調(diào)查分析。然后再與后期測(cè)試進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究，用數(shù)據(jù)對(duì)比去判定學(xué)生在這些方面的能力是否有提高。

2.調(diào)查方式和對(duì)象

在網(wǎng)絡(luò)上利用“問卷星”制作調(diào)查問卷，發(fā)布問卷，通過電子問卷形式，面向參與3D打印社團(tuán)的學(xué)生來完成問卷。

3.調(diào)查結(jié)果分析

此次參與問卷調(diào)查的有42人，有效問卷42份。問卷調(diào)查數(shù)據(jù)如下：

“3D打印社團(tuán)課程學(xué)習(xí)前期”問卷調(diào)查數(shù)據(jù)：

1.我知道什么是3D打印技術(shù)。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：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術(shù)。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：完全符合11.9%；部分符合4.76%；完全不合83.33%。

3.我知道3D打印技術(shù)有哪些應(yīng)用領(lǐng)域。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：完全符合11.9%；部分符合21.43%；完全不合66.67%。

4.我學(xué)過三維設(shè)計(jì)軟件。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：完全符合11.9%；部分符合7.14%；完全不合80.95%。

5.我知道3D打印機(jī)是如何打印物體的。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：完全符合11.9%；部分符合11.9%；完全不合76.19%。

6.我對(duì)空間事物想象很感興趣。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：完全符合28.57%；部分符合26.19%；完全不合45.24%。

7.如果一本故事書的最后一頁被撕掉了，我就自己編造一個(gè)故事把結(jié)局補(bǔ)上去。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：完全符合19.05%；部分符合30.95%；完全不合50%。

8.看到平面圖，我基本能在頭腦中構(gòu)想它的幾何結(jié)構(gòu)。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：完全符合14.29%；部分符合40.48%；完全不合45.24%。

9.我對(duì)立體幾何知識(shí)掌握得非常好。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：完全符合9.52%；部分符合52.38%；完全不合38.1%。

10.我知道怎樣把一些抽象的概念變成實(shí)際模型。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：完全符合21.43%；部分符合40.48%；完全不合38.1%。

11.我喜歡利用舊報(bào)紙，空礦泉水瓶以及舊罐頭等廢物來做成各種好玩的東西。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：完全符合26.19%；部分符合50%；完全不合23.81%。

12.我想利用三維設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)生活中的一些小物品。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：完全符合57.14%；部分符合33.33%；完全不合9.52%。

13.我希望通過3D打印課程學(xué)習(xí)之后，自己設(shè)計(jì)的3D打印作品被打印出來。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：完全符合71.43%；部分符合16.67%；完全不合11.9%。

14.在您第一次聽說3D打印技術(shù)時(shí)有沒有進(jìn)一步了解的愿望。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：完全符合59.52%；部分符合30.95%；完全不合9.52%。

15.我認(rèn)為3D打印技術(shù)打印的各種生活用品前景非常好。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：完全符合71.43%；部分符合19.05%；完全不合9.52%。

16.我認(rèn)為學(xué)習(xí)3D打印三維建模軟件后會(huì)對(duì)我?guī)椭?/p>

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：完全符合69.05%；部分符合19.05%；完全不合11.9%。

結(jié)果分析如下：

根據(jù)第1題、2題、3題、4題、5題的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出學(xué)生對(duì)3D打印技術(shù)的知識(shí)了解是非常欠缺的。80.95%的社團(tuán)學(xué)生也沒有學(xué)習(xí)過建模軟件。

根據(jù)第6題、8題、9題、10題的數(shù)據(jù)可以看出部分學(xué)生對(duì)立體幾何、幾何結(jié)構(gòu)掌握得不是很好，對(duì)空間事物的想象力還是比較欠缺的，但是興趣還是有的。

根據(jù)第7題、11題和12題的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可以看出很多學(xué)生想通過3D打印技術(shù)打印小物品，具有很強(qiáng)的創(chuàng)新興趣。

根據(jù)第13題、14題數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可以看出學(xué)生對(duì)3D打印技術(shù)還是很感興趣的。

根據(jù)第15題、16題數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，可以分析出學(xué)生們對(duì)于3D打印技術(shù)的應(yīng)用前景非?？春茫蟛糠謱W(xué)生都認(rèn)為以后會(huì)經(jīng)常使用3D打印技術(shù)，并且學(xué)習(xí)3D打印技術(shù)會(huì)對(duì)自己有幫助。

（二）“3D打印社團(tuán)課程實(shí)施效果反饋”問卷調(diào)查結(jié)果及分析

1.調(diào)查背景和目的

通過對(duì)參加3D打印社團(tuán)的學(xué)生發(fā)放問卷調(diào)查，了解分析學(xué)生經(jīng)過3D打印課程的學(xué)習(xí)后對(duì)3D打印知識(shí)的了解，對(duì)3D打印社團(tuán)課程的興趣，空間想象力情況以及學(xué)習(xí)的創(chuàng)新意識(shí)等方面進(jìn)行效果反饋以及調(diào)查分析。然后再與前期測(cè)試進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究，用數(shù)據(jù)對(duì)比去判定學(xué)生在這些方面的能力是否有提高。

2.調(diào)查方式和對(duì)象

在網(wǎng)絡(luò)上利用“問卷星”制作調(diào)查問卷，發(fā)布問卷，通過電子問卷形式，面向參與3D打印社團(tuán)課程學(xué)習(xí)的學(xué)生來完成問卷。

3.調(diào)查結(jié)果分析

此次參與問卷調(diào)查的有42人，有效問卷42份。問卷調(diào)查數(shù)據(jù)如下：

“3D打印社團(tuán)課程實(shí)施效果反饋”問卷調(diào)查數(shù)據(jù)：

1.通過3D打印社團(tuán)課程的學(xué)習(xí)，我知道了什么是3D打印技術(shù)。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：完全符合97.62%；部分符合2.38%；完全不合0%。

2.通過3D打印社團(tuán)課程的學(xué)習(xí)，我知道了3D打印技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：完全符合92.86%；部分符合7.14%；完全不合0%。

3.通過3D打印社團(tuán)課程的學(xué)習(xí)，我知道了什么是快速成型技術(shù)。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：完全符合95.24%；部分符合4.76%；完全不合0%。

4.通過3D打印社團(tuán)課程的學(xué)習(xí)，我學(xué)會(huì)了123D數(shù)字建模軟件。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：完全符合85.71%；部分符合14.29%；完全不合0%。

5.通過3D打印社團(tuán)課程學(xué)習(xí)，我知道了3D打印機(jī)是怎么打印物體的。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：完全符合88.1%；部分符合11.9%；完全不合0%。

6.通過3D打印社團(tuán)課程的學(xué)習(xí)，我對(duì)三維模型有了更加深刻的認(rèn)識(shí)。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：完全符合92.86%；部分符合7.14%；完全不合0%。

7.通過3D打印社團(tuán)課程的學(xué)習(xí)，我的空間想象力有了明顯提升。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：完全符合90.48%；部分符合7.14%；完全不合2.38%。

8.通過3D打印社團(tuán)課程的學(xué)習(xí)，能夠幫助我理解幾何概念。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：完全符合92.86%；部分符合7.14%；完全不合0%。

9.通過3D打印社團(tuán)課程的學(xué)習(xí)，能夠幫助我理解圖形的分解與組合。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：完全符合92.86%；部分符合7.14%；完全不合0%。

10.通過3D打印社團(tuán)課程的學(xué)習(xí)，我能輕松描述物體的基本特征，如長(zhǎng)方體與圓柱體等。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：完全符合95.24%；部分符合4.76%；完全不合0%。

11.通過3D打印社團(tuán)課程的學(xué)習(xí)，看到平面圖形，我能基本在頭腦中構(gòu)想它的幾何結(jié)構(gòu)。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：完全符合90.48%；部分符合9.52%；完全不合0%。

12.通過3D打印社團(tuán)課程的學(xué)習(xí)，我覺得立體幾何知識(shí)更加簡(jiǎn)單了。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：完全符合88.1%；部分符合11.9%；完全不合0%。

13.通過3D打印社團(tuán)課程的學(xué)習(xí)，我認(rèn)為非常有必要用3D打印來幫助學(xué)習(xí)幾何知識(shí)。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：完全符合83.33%；部分符合16.67%；完全不合0%。

14.通過3D打印社團(tuán)課程的學(xué)習(xí)，我能夠用3D打印獨(dú)立完成一個(gè)簡(jiǎn)易幾何結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制作。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：完全符合88.1%；部分符合11.9%；完全不合0%。

15.通過3D打印社團(tuán)課程的學(xué)習(xí)，我對(duì)計(jì)算機(jī)操作更加熟練了，特別是鍵盤和鼠標(biāo)的使用。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：完全符合92.86%；部分符合7.14%；完全不合0%。

16.通過3D打印社團(tuán)課程的學(xué)習(xí)，我想將一些抽象的概念變成直觀的實(shí)際模型。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：完全符合83.33%；部分符合16.67%；完全不合0%。

17.通過3D打印社團(tuán)課程的學(xué)習(xí)，我想將一些創(chuàng)意小物品通過3D打印技術(shù)打印成物品。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：完全符合95.24%；部分符合4.76%；完全不合0%。

18.通過3D打印社團(tuán)課程的學(xué)習(xí)，我想用3D打印技術(shù)打印更多小物品。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：完全符合92.86%；部分符合7.14%；完全不合0%。

19.通過3D打印社團(tuán)課程的學(xué)習(xí)，我的創(chuàng)新意識(shí)有了提高。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：完全符合90.48%；部分符合9.52%；完全不合0%。

20.通過3D打印社團(tuán)課程的學(xué)習(xí)，大大激發(fā)了我的創(chuàng)新思維。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：完全符合90.48%；部分符合9.52%；完全不合0%。

21.通過3D打印社團(tuán)課程的學(xué)習(xí)，我的設(shè)計(jì)素養(yǎng)有了提高。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：完全符合88.1%；部分符合11.9%；完全不合0%。

22.通過3D打印社團(tuán)課程的學(xué)習(xí)，我的科學(xué)素養(yǎng)有了提高。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：完全符合85.71%；部分符合14.29%；完全不合0%。

23.我非常喜歡3D打印這門選修課。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：完全符合88.1%；部分符合11.9%；完全不合0%。

24.我非常喜歡3D打印課程的課堂活動(dòng)形式。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：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打印社團(tuán)活動(dòng)，學(xué)習(xí)更多的3D打印相關(guān)技能。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：完全符合92.86%；部分符合4.76%；完全不合2.38%。

結(jié)果分析如下：

根據(jù)第1題、2題、3題、4題、5題的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以，通過社團(tuán)課程的開展，95%以上的學(xué)生清楚了3D打印技術(shù)的基本概念，100%的學(xué)生學(xué)會(huì)了建模軟件的使用。

根據(jù)第6題、7題、8題、9題、10題、11題、12題、13題的數(shù)據(jù)可以看出92.86%的學(xué)生對(duì)三維模型有了更加深刻的認(rèn)識(shí)，90.48%的學(xué)生的空間想象力有了明顯提升，92.86%認(rèn)為學(xué)習(xí)了3D建模能夠幫助他們理解幾何概念和圖形的分解與組合。90%以上的同學(xué)認(rèn)為對(duì)立體圖像的特征的描述更加簡(jiǎn)單了，能夠幫助他們學(xué)習(xí)幾何知識(shí)，提升空間想象能力。

根據(jù)第14題、15題的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可以看出88%的學(xué)生能夠使用3D打印機(jī)獨(dú)立完成一個(gè)簡(jiǎn)易幾何結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制作，踐能力得到提高。

根據(jù)第16題、17題、18題的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可以看出83.33%的學(xué)生想將一些抽象的概念變成直觀的實(shí)際模型。95.24%的學(xué)生想將一些創(chuàng)意小物品通過3D打印技術(shù)打印成物品，并且想打印更多的物品，從數(shù)據(jù)可以看出，學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新思維得到了培養(yǎng)。

根據(jù)第19題、20題、21題、22題的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，可以看出90%以上的學(xué)生認(rèn)為自己的創(chuàng)新思維得到了激發(fā)，創(chuàng)新意識(shí)和設(shè)計(jì)素養(yǎng)得到了提高。

根據(jù)24題、25題可以看出學(xué)生都很喜歡3D打印課程以及課程的開展形式。

四、結(jié)束語

通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，學(xué)生在參加了3D打印課程學(xué)習(xí)后，學(xué)生在實(shí)踐操作能力、空間想象力、問題解決能力這幾個(gè)方面的創(chuàng)新能力得到了不同程度的提高。3D打印課程的開設(shè)對(duì)高中生創(chuàng)新能力是有提升作用的。