基于创造性思维培养的3D打印教学设计与研究

本文是一篇教学论文，在教学设计之前，笔者首先对 3D 打印教学的主要内容进行模块划分，使教学内容的安排更符合学生的认知规律。然后基于相关理论，从教学设计原则、教学方法选择、教学基本环节设置以及教学中的注意事项四个方面制定出本研究 3D 打印教学设计的策略。接着再以本研究的教学策略为依据，针对相应的教学模块，形成具体的教学设计案例。最后，将本研究的 3D 打印教学设计应用于实践教学中，并通过学生的阶段性作品分析、参赛成果分析以及课堂表现分析检验出本研究 3D 打印教学设计在学生创造性思维培养方面的有效性。

1 绪论

1.1 研究背景与问题提出
1.1.1 研究背景
现如今，是一个科技飞速发展的时代，在这个时代里，创新成为了被强烈呼唤的主题。创新对每个国家而言，都是核心竞争力，是未来决定其国际地位的关键要素。谁更创新，谁就更能在国际竞争中突显出来，处于领先地位，就像当今的美国。而提高国际竞争力的关键就在于培养具有创造性思维的创新人才。2012 年教育部发行的《教育信息化十年发展规划（2011—2020 年）》中提出要注重信息技术与教育的全面深度融合，推动教育理念变革和培养具有国际竞争力的创新人才。2016 年教育部颁布的《教育信息化“十三五”规划》中提出“要积极探索信息技术在“众创空间”、跨学科学习（STEAM 教育）、创客教育等新的教育模式中的应用，着力提升学生的信息素养、创新意识和创造性思维”。我国 2010-2020 年的中长期人才发展规划纲要中指出：只有努力培养出大批具有国际水平的各领域人才以构成我国的创新团队；科技创新培养以年轻人和直接参与创造性工作的人群为重要力量，才能为我国转型为创新大国提供一支强有力的人才队伍。
融合了三维设计与实物模型打印制作的 3D 打印技术，在经历了长期的实践探索和不断的优化改良后，各方面基本都趋于完善。该项技术的优点对于学生创造性思维的培养本身就具有非常积极的促进作用 [4]。新媒体联盟《地平线报告》(2015 基础教育版)将 3D 打印列为未来 2-3 年技术驱动 K12 这类教育的关键方向所在[5]。在教学中开设 3D 打印课程，可以有效促进学生积极的参与学习已被英国的教育组织用实验所证实[6]。3D 打印在我国基础教育、高等教育、职业教育等领域迅速兴起，为我国培养创新人才，开展创新教育事业奠定了基础，点燃了熊熊之火，带来了未来之光。国家颁布的相关文件中明确指出，为了促进学生愿意创新并爱上创新，国家将支持有能力学校尽快铺开 3D 打印课程[7]。3D 打印在教育领域创新方面的重要影响和长远意义曾在《3D 打印:打印未来》这本书中讲到：学校引进 3D 打印技术，不但可以使学生们了解新型快速造物技术优于传统造物技术的特点所在，还可以通过应用这项技术，促进学生更好的学习三维建模软件[8]。
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1.2 相关研究现状
1.2.1 国外关于创造性思维的研究现状
由于美国心理学会主席吉尔福特发表了一篇报告，其中指出创造性思维是创造力的关键所在。所以，自 1950 年后就有很多的学者开始对创造性思维进行研究和讨论 [9]。在智力三维结构论中，吉尔福特指出，创造性思维是能够在教学中被训练的[10]。Syh-Jong Jang 曾借助科学课程，针对初中阶段学生的创新能力展开研究 [11]。Jafar Hoseinifar 针对学生个体的性格与其创新能力之间的关系展开了研究，并得出了具体结论 [12]。基于数学课程，Mahnaz Fatemi Aqda对不同教学方式与学生创新能力之间的关系展开了研究[13]。
1.2.2 国内关于创造性思维的研究现状
在国内，对中小学生创新能力培养的研究主要集中在阻碍因素、发展对策、评价等方面[14]。针对如何在中小学实际教学去培养学生的创造性思维，何克抗教授曾给出相关结论，教师可以将各类学科进行融合教学 [15]。何克抗教授研究出 DC 模型理论，并指明创造性思维是一个思维系统，由六种思维形式构成。同时，李文光，何志龙，何克抗基于创新能力研究出教学设计的理论框架，并依此开发出专题网站。魏丽英、路科从供应链管理视角出发，基于现代教育技术研究创新思维培养机制。童秀英、沃建中通过实验研究出创造性思维与年龄、性别、学科成绩之间的相关性。
1.2.3 国外关于 3D 打印在教育领域的研究现状
在培养学生的创新精神和实际应用能力的宏观目标下，3D 打印得到了美国总统奥巴的极度重视和大力支持，基本在美国各个教学阶段中都铺开了 3D 打印课程[16]。在美国，学生可以利用 3D System 公司开发的系统化资源进行 3D 打印的相关学习 [18]。
在英国的新课程标准下，3D 打印课程在中学普及开设，学生获益良多[19]。英国相关部门基于 3D 打印技术与学科融合进行创新教学展开了实践探究，其研究成果对于 3D 打印在教育领域的发展推广起到了促进作用，并给出了教学模式的新思路 [20]。
在欧洲，很多国家不仅在教学中开展 3D 打印课程，还针对其教学效果与传统教学进行了比较分析 [21]。在希腊，为了更好的开展教学，某些高等院校将 3D打印融合在常规课程中进行教学 。
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2 研究基础

2.1 基本概念界定
2.1.1 创造性思维
关于创造性思维的概念至今没有统一界定，可谓众说纷纭[28]。 其中，有几种典型的界定：第一种认为创造性思维是一种心智活动，它特别表现在寻求新颖和探索未知。 [29]。第二种认为创造性思维各种各样的思维状态，比如突然而来的灵感和直觉 [30]。第三种认为创造性思维就是一种可以生成新奇想法的思维 [31]。
我们可以看出，创造性思维的定义百家争鸣，百花齐放，但始终没有一个统一的标准定义。笔者鉴于本研究对象为高中学生，故依据高中生的所处环境、实际学习情况，在前人定义的基础上将创造性思维简单归纳为：学生有意识的利用已有知识经验，多角度的思考问题、多方式的解决问题、追求结果与他人的不同，同时能够阐述结果中的创新点及其价值。
2.1.2 3D 打印
3D 打印又称三维打印，它是使用粉末状的可粘合材料，通过逐层打印的方式将数字模型文件打印成实物的一种快速成形技术[32]。 2.1.3 3D（三维设计） 3D（三维）设计，是指通过计算机辅助设计（CAD）或计算机动画建模软件建立立体的、有光的、有色的生动画面，虚拟逼真地表达大脑中的产品设计效果[33]。
2.1.4 模型切片
模型切片，是指将建模软件中设计出的 stl 文件导入切片软件进行分层处理，形成可被 3D 打印机识别的 gcode 文件。
2.1.5 3D 打印教学
本研究中所提到的 3D 打印教学，是指针对 3D（三维）设计、模型切片以及 3D 打印这三方面内容展开的教学。
2.1.6 思维导图
最初是一种笔记方法，后来变成了一种借用图形表达思维的工具[34]。人们通过画图的方式将大脑中的思维脉络和层次呈现出来。
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2.2 相关理论
建构主义理论以“情境、协作、会话和意义建构”为核心要素，认为知识是学习者在一定的情境即社会文化背景下，借助其他人 (包括教师和学习伙伴 )的帮助，利用必要的学习资料，通过意义建构的方式而获得[41]。
该理论对于本研究中教学策略的制定、教学设计的形成提供了重要的理论指导。
3Done 软件是一款主要面向中小学生的 3D（三维）建模软件，由我国中望公司开发，其操作界面非常干净、简洁，功能基本满足中小学对三维建模、创新设计的需求。目前已开发出的最高版本是 3D One2.4 教育版。
Cura 是一款配合 3D 打印使用的切片软件，其作用是将从三维软件中导出的已设计好的三维模型（stl 文件），进行分层切片处理，生成可以被打印机识别并打印的 gcode 文件。
MostFun Slim 是属于 FDM 成型技术的一款桌面级 3D 打印机，FDM 型的 3D打印机主要是利用高温将热塑料（PLA，TPU 以及其他材料）融化并挤压成为半熔融状态的细丝，再将细丝层层堆积成立体实物。
目前，在教学实际应用中 3D 打印以校本课程、选修课、或社团等形式开设为具体的课程最为常见，通常每周有 2 课时的教学时间，学生自愿参加。例如：由黎加厚教授团队研发的 3D 打印课程《虚拟创造》，就是以校本课程形式在小学开展实施，该课程获得了很好的反馈评价。[42]。江苏省南通的海安高级中学以社团形式开展 3D 打印课程，学生的学习兴趣浓厚，随着社团活动的不断深入开展，学生的优秀 3D 建模设计作品不断呈现；宁波的泰河中学开设了基于3D 打印的“设计大师”课程，入选第三批宁波市普通高中精品选修课程。
在这样的 3D 打印课程中，通常对建模软件，3D 打印机等硬件没有统一的要求标准，不同学校根据自身情况进行选择。课程开设环境一般为学校的机房或 3D 打印实验室（也称 3D 打印创客空间等）。学生通过学习三维建模软件的基本命令、3D 实物打印的操作流程，从而掌握 3D 打印的核心知识技能，形成一定的创新能力。其中，在 3D 实物打印环节，学校通常因资源配备不同而有所差异。一般来说，没有 3D 打印机的学校会借助外界社会力量打印个别作品；3D打印机有限的学校，会选择出学生中较好的模型作品进行打印；而 3D 打印机比较充实的学校，则会对学生开放 3D 打印工作室，明确打印的规范和制度，让学生自由的进行作品打印。
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3 创造性思维与 3D 打印教学 .................... 14
3.1 创造性思维的内涵分析 ...................... 14
3.2 基于创造型思维培养的 3D 打印教学设计的可行性分析 .............. 15
3.3 创造性思维与 3D 打印教学的关联性分析 .......................... 15
4 基于创造性思维培养的 3D 打印教学设计 ............................. 25
4.1 教学设计前期分析 ....................... 25
4.1.1 教学环境分析 ...................... 27
4.1.2 学习资源介绍 ................ 27
5 基于创造性思维培养的 3D 打印教学设计实践效果分析 ................. 51
5.1 实验对象 ..................... 51
5.2 实验目的 ................ 51
5.3 实验过程 ................ 51

5 基于创造性思维培养的 3D 打印教学设计实践效果分析

5.1 实验对象
四川省双流中学“3D 打印与创意设计班”，班级人数共 30 人。为了方便描述，以下简称为“3D 创意班”。该班是以校本课程形式的组建的，学生通过自愿报名的方式参加，该班授课时间共 18 课时。笔者通过问卷调查了解到该班学生在选择这门课程之前，均未学习过 3D 打印的相关知识。
笔者将完全按照本研究的 3D 打印教学设计在我校的 3D 创意班展开实际教学。具体教学内容及教学时间安排见表 5.1。

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6 总结与展望

6.1 本文总结
本文通过对创造性思维及 3D 打印教学本身进行深入分析，建立了创造性思维与 3D 打印教学之间的关联。并针对 3D 打印主要教学内容，结合学生的认知规律，划分出了具体的教学模块。同时，基于相关理论的学习研究，制定了本研究的 3D 打印教学策略。然后根据 3D 打印教学策略，针对相应模块形成了具体的教学设计案例，最后，将本研究的教学设计应用于实践教学中，并通过学生阶段性作品、参赛成果、课堂表现三方面的分析检验出本研究 3D 打印教学设计的有效性，得出研究结论。
值得尤其提出的是，本研究的 3D 打印教学设计是有一定课时局限的，给每个模块安排的教学时间不够充裕，教学内容也有待丰富。笔者建议在课时充裕的情况下，可以延长每个模块的教学时间，并进一步丰富每个模块的教学内容，以加强教学实践的效果。
参考文献(略)