基于新课标的高中三维设计与3D打印校本课程设计与教学实践总结
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作者:张翼飞
摘要：3D打印被纳入《17-1847普通高中信息技术课程标准》文件中，3D打印技术即将走进学生们的课堂。本文基于新课标的教学理念，对高中3D打印校本教材进行课程设计，探索通过课程教学培养学生创新思维的方法，提升学生的信息素养。并针对具体的教学实践不断地进行反思和修改，挖掘课程开展的有效策略与建议。
关键词：新课标;3D打印;校本课程;教学实践
中图分类号：TP399 文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2020）14-0163-04
2017年，教育部印发了《普通高中课程方案和语文等学科课程标准（2017年版）》并将于2018年秋季开始执行。在信息技术课程要求中，学生将学习了解人工智能、3D打印、物联网等新技术，而且3D打印被纳入《17-1847普通高中信息技术课程标准》文件中。
2018年2月，根据新课标教育理念，我校着力设置满足学生多元需求的课程结构，促进学生的个性发展。笔者负责开发了《三维建模与3D打印》校本选修课程。课程开设一年来，两个学期的教学内容、教学方式存在较大差异。笔者将2018学年春季学期，也就是开设《三维建模与3D打印》选修课程的第一个阶段称为“探索期”，2018学年秋季学期称为“改进期”，即3D打印教学的第二阶段，2019年春季学期至今则称为“优化期”.即3D打印教学的第三阶段。本文将围绕三个阶段的教学实践和教学反思来进行总结分享。
1第一阶段：探索期
1.1三维建模教学软件的选取
3D打印是以三维建模为基础开展的，学生先利用三维建模软件将自己设计的造型画出来，再通过切片软件对3D造型分层切割处理，最后通過3D打印机打出实物，让创意变成实物，使抽象的概念具体化、形象化。目前国内3D建模软件有多种，包括3ds Max、Rhino、123D Design、3Done等，我们的《三维建模与3D打印》课程选择3Done设计软件开展教学。3Done是一款专为中小学生开发打造的三维设计软件。该软件界面简洁、功能强大、易于上手，并提供丰富的案例库包括本地磁盘和网络云盘资源，为中小学生提供一个简单易用，自由畅想的3D设计与共享平台。
1.2教学内容
这一阶段的教学模型主要是结合生活中现有物体进行模仿设计。一个学期用于开展校本课程的课时大概是15节，选修本课程的学生有30人，笔者设计了四个综合项目，具体教学进度如下表。
“花瓶”和“火箭”比较简单，各安排3课时，“小别墅”和“战斗机”相对复杂，运用的工具和命令较多，各安排4个课时课程。每个制作项目的教学过程基本是：第一部分（1课时）教师演示，重点讲解项目知识点运用，学生练习掌握对应知识点。第二部分（卜2课时）教师根据设计项目难度，把项目分成几个部分，学生按老师要求的进度完成项目，教师并巡堂答疑。第三部分（1课时）作品展示，让优秀作品的作者上台展示。
一开始，学生学习热情高涨，特别是第一、二个项目展示的时候，优秀作品得到了同学们的掌声，作者收获了成功的喜悦。但从第三个项目开始，学生学习热情反而没那么高涨了，到了作品展示环节，展示出来的优秀作品几乎都跟老师提供的实例一模一样。经过教学反思，花瓶和火箭的模型虽然操作起来相对容易，但是学生都是刚刚接触三维建模，对3Done的运用都是从零开始，对新知识的领悟存在着差异，接受能力强的同学做出来的作品就更加优秀，但经过两个作品的学习和创作后，大家都熟练了软件的操作，一开始领先的同学渐渐的被迫平了，所以提交的作品虽能达到老师的要求，但作品几乎一模一样，缺乏个性化。
经过认真的反思、总结和分析，笔者发现自己陷入三个误区：1）过于注重软件操作的讲解，将三维建模课程上成了3Done软件操作课;2）忽略考虑设计模型构造的科学性和实用性;3）忽略了对学生创新能力的培养。
2第二阶段：调整期
发现问题后，笔者及时进行了调整。在课程设置及实施方面，进行了五个方面的调整。
2.1组建学习小组
根据学生的兴趣和爱好，第二阶段笔者把选修本课程的30个学生分成三组：用品组（针对喜欢公仔、玩偶、日常用品造型的同学），机械组（针对机械、军事、模型爱好者），建筑组（对建筑设计和造型感兴趣的同学）。让兴趣相同的同学坐在一起，并再根据自己的创作兴趣分为若干个小组，如机械组又分为飞行器组和枪械组，建筑组又分为传统建筑组和现代建筑组，用品组又分成饰物组和生活用品组。最终形成6个项目学习小组。
2.2改进教学案例
笔者根据不同的学习小组的设计爱好，设计与之对应的教学案例，供学生自主选择。基于番禺区研学后教的教学理念，适当运用翻转课堂的教学模式。笔者设计了9个模型，并制作出对应的9节微课，供学生自主选择学习。引导学生先模仿后探究，鼓励他们把自己的创意融人设计中来。教学内容安排如下。
与第一阶段的综合项目相比，第二阶段的设计主题更丰富，学生学习创作的都是自己感兴趣的项目，更有利于提升学生的学习探究动力，更有利于学生展示其创造性思维和创新能力。在每一个单元中都安排不同小组的学习范例，学生可选择对应范例的微课进行自主学习，老师在学生学习过程中穿插多学科知识融合对一个模型设计的重要性。例如在设计建筑模型时，学生需要查阅对应建筑物的资料，详细了解建筑物的外观和结构特点。例如在设计飞机模型时，学生需要查阅对应飞机型号的三视图，了解在飞机设计上需要考虑的流体力学等问题。从学生提交作品来看，模型设计更加科学性和个性化。
2.3改进教学模式
每一个教学单元，先通过展示不同类别的创作实例，激发学生的学习动力，并通过演练模式让学生掌握实例中用到的3Done操作知识点，在此前提下以微课为载体，引导学生选择对应的微课自主学习，体现出由“老师为中心”转变为“学生为中心”，学习过程中通过小组讨论解决创作上的问题，如需用到其他学科知识可随时上网查询，例如飞机的三视图、建筑物的结构、生活用品的草图等，老师巡堂对各个小组给予理论知识与设计操作的支持，教学目标由“为了掌握技术而完成设计”到“为了完成设计而掌握技术”的转变，作品不再局限单一形式，学生可以借鉴微课中建模的方法创作出融人个性的作品，由被动地接收知识，逐步转变为主动接受知识，学生的学习动力和效率都大大提升。完成设计后，小组内评选出代表作品上台展示，由于每个小组的创作主题都不同，所以展示的作品多样化并富有个性，使得展示过程更加活跃。 2.4改进师生的交流方式
学生由被动学习到自主学习的转变，使得课堂多了师生之间交流的时间，很容易营造出思维碰撞的氛围，例如机械组的自主设计“辽宁舰”，引起全班同学的关注，对辽宁舰的建模学生们查阅了大量的资料，从外观到舰载机甚至到雷达型号，都做了详细的收集，笔者也是军事爱好者，也被邀请参与到该小组的设计，小组分给笔者的任务是舰载机的建模，最后师生一起完成辽宁舰的建模并通过3D打印机打印出来，并陈列于学校科技教育成果展示厅，引起同学们的围观称赞。除此之外笔者还通过3Done官方学习资源网开通了本课程的网络空间，用来展示学生作品和拓展学习资源，搭建师生课下学习交流平台，让师生互动从课上延续到线上，从课堂延伸到课外，让师生关系更加融洽。
2.5改进作品展示方式
第一阶段的作品展示方式主要为课堂展示。有了课程网络空间后，网络空间也成了作品展示的平台。网络空间上的作品展示增加了作品的曝光率，也让优秀的作品接收更多的点赞，美中不足的作品得到更多的修改建议，从而提升学生的成就感，激励学生更深入的研究，设计出更完美的作品。（学生部分优秀作品：图9、10、11）
这一阶段的教学改善了学生的课堂体验。增进了师生交流，学生的创作热情大大提升，设计出来的作品富有個性和创新性。对学生工程思维和设计思维的培养都取得较好的成果。然而也发现了新的问题：单纯的打印模型已经不能满足部分同学的要求，例如航母模型安装上电动机，装上灯光设备，装上遥控器和传感器，做成一艘可下水航行的智能模型，例如在广州塔模型上装上彩灯和音乐模块，还可以通过编程模块控制彩灯的灯光效果和音乐模块的音乐效果。所以在下一步的课程改进中，笔者将购置简易电路原件和传感器，在模型的设计上引人电子元件嵌入模块，引导学生采用拼装的模型和可活动的模型，设计安装电路和传感器，让模型变得智能化。
3第三阶段：优化期
通过对第二阶段的总结反思，笔者在目前进行的第三阶段增强主题探究、增加课程内容的综合性、组建3D打印社团。并且，根据第二阶段部分学生的要求，笔者在课程设计中增加了智能模块的微课，引导学习较超前的学生尝试融人智能化设计。第三阶段的课程具体实施增加三方面的拓展：
3.1加强主题探究活动
在不同的节日开展不同的主题学习活动，如学校每年三月份的学雷锋义卖活动，同学们把自己的代表作品打印出来在义卖活动上售卖（已经在三月份的义卖活动上尝试，12个第二阶段的优秀作品模型在半小时内被同学抢购一空，而且还收到8个订单）;母亲节为母亲设计爱心饰物（如在“爱心扣“上加上对妈妈说的话）;儿童节为自己的弟弟妹妹设计小玩具，用自己设计的作品传递情感，将德育教育融人三维建模课堂教学之中。
3.2加强课程内容的综合性
第三阶段的学习内容综合性将更强，体现多学科的深度融合。如设计桥梁模型，需要探究桥梁结构与承重的关系;设计飞机模型，需要探究机身形状与流体力学的关系等。让学习进度领先的学生在模型中加入各类传感器或电子元件，设计智能化模型。引导学生从生活中发现问题并提出问题，从设计模型过程中解决问题。
3.3组建3D打印社团
部分学生觉得每周一节的三维建模与3D打印选修课并不能满足他们的需求，或者有部分选不到课的同学又想加入到3D打印的学习中来，笔者组织了部分对3D打印很感兴趣的学生，筹建了3D打印社团，并吸收在第一、二阶段已经选修了三维建模课程的学生还有部分对本课程很感兴趣但没选到课的学生，同时规划了3D打印实验室，提交学校审批。相信3D打印社团和3D打印实验室的成立，对三维建模与3D打印课程的实施和推广又起到升华的作用。在完成本论文时，学校已经批准了3D实验室的建设，并会在本学期内开工建设。目前每周一次的3D打印社团活动只能暂时在电脑室中开展，虽然没有足够的3D打印机，但学生对3D打印的创作和探究热情高涨。
4结语
三维设计与3D打印作为一种立体化、形象化的新兴设计方法，已经成为新一代数字化、虚拟化、智能化设计平台的重要基础。三维设计与3D打印的学习与运用，既有利于培养学生的空间想象能力，也有利于学生科学、技术、工程、人文、艺术、数学等学科综合性的思维能力。学生初步了解三维设计及相关基础知识，形成三维设计及相关技术的运用对学生的生涯规划有着积极的作用（信息意识）。掌握三维设计中关于建模的知识与技能，可促进学生模块化信息处理能力的培养，并逐步延伸到系统化的运用计算机解决实际问题（计算机思维）。能够利用数字化环境查找学习资源，运用三维设计的思想、方法与技术进行创作与表达（数字化学习与创新）。通过小组协作学习中的交流和相互评价，合理运用三维建模软件，创作出富有个性与创意的作品，养成仔细观察事物的习惯，培养敢于对现实提出改变的辩证思维，进而形成勇于担当，锐意进取的社会责任感（信息社会责任）。
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