基于逆向思维设计模型的3D打印教学研究

徐钦

目前，适合中小学生学习的3D建模软件有Google Sketchup、123 Design、Fusion等。为了让学生快速掌握3D建模方法，笔者选择3D one软件在六年级中开设了3D打印校本课程。笔者在教学中发现，采取常规任务驱动式教学法，学生在学习3D打印过程中的创新思维受限，创作积极性不高，且较出色的3D模型作品不多。为提高3D打印教学的效果，进一步提升学生的创新实践能力和信息素养，笔者提出了基于逆向思维模型的3D打印教学模型，期望为3D打印教学提供参考。

● 3D打印引领潮流，教育理论奠定基础

1.逆向思维的六步半模型

基于设计的学习是由国外引入的一种新型的学习方式，这种学习方法重在“设计”，引导学生以小组合作的方式设计契合主题的实物模型，并对设计方案加以修改和完善。美国加州理工大学的多林·尼尔森教授提倡在教学过程中融入设计理念和设计方法，鼓励学生创造一个“从未见过”的“挑战”任务，在学习过程中，学生学习掌握具体的设计方法，锻炼创造性思维和实践能力。他以基于设计的学习为理论基础，搭建了逆向思维模型（简称BT模型），将教育过程分解为六步加半步，引导学生用设计的理念和思想战胜挑战，解决问题。

2.逆向思维的教学优势

逆向思維模型是对传统教学方式的一种改进，该模型在明确学习目标之后，根据项目主题、评价标准及评价方式等，调整教学活动设计，照顾学生差异性，实现个性化学习。基于逆向思维的教学模型特征可总结为：①挑战性学习主题：突出“从未见过”的“挑战”，明确学习目标。②前置性评价标准：师生共同探讨出作品评价标准，有利于学生有目的地构建作品，促进有意义学习。③多样化评估方式：放大评估的维度和深度，对照评价标准反思学习过程。

基于逆向思维模型的教学可以促进学生增强动手设计能力，锻炼交流合作能力，培养互帮互助的优良品质。这一学习理念和3D打印学习非常契合。教师在3D打印教学过程中，鼓励学生进行思维碰撞，提出多样化的3D模型设计方案。学生充分体验到将想象、创意变为现实的过程，享受到一个特别的作品从无到有的过程，获得巨大的满足感和成就感。

● 实践探索真知，构建课堂教学模式

1.教学模型建立

逆向思维模型是以告诉学生将要进行一个崭新的挑战或设计为起点，以学生完成构建并在教师的指导下理解和接纳知识为终点。根据这一模型，教师可在教学之初提出学习的主题，再以问题的方式提出一个全新的挑战任务，学生围绕这个挑战展开合作学习，在组内规划设计三维模型，共同挑战创造一个有形的实物。笔者经过实践探索，设计了适合3D打印课程教学的逆向思维教学模型，如下页图所示。

2.教学案例展示

下面以《3D美味冰淇淋》为例，说明基于逆向思维教学模型的教学实践。这是校本课程中的一节课，笔者根据逆向思维教学模型展开了具体教学。首先为学生设计一个从未见过的挑战，让学生观察生活中美味冰淇淋的特点，并在教师的指导下学习设计冰淇淋的基本步骤，鼓励学生以小组为单位，尽情地发挥想象力，设计出更具特色的、个性化的3D冰淇淋模型。

教学过程的主要环节如下：

①确定教学主题（教什么）。教师在课堂上播放多媒体视频，介绍冰淇淋的制作过程，并提出本节课的设计主题。

②确定教学问题（提出挑战）。学生进一步学习了解冰淇淋的发展历史和生活中常见的冰淇淋造型。教师展示冰淇淋的图片以及实物模型，学生进行观察与思考。在此基础上教师进一步提出挑战任务：小组合作，设计一款独特的冰淇淋模型，参加冰淇淋博物馆的展览。此环节的设计激发了学生的浓厚兴趣和动手实践的欲望，从而使其积极地参与到挑战任务中去。

③确定设计的标准（规范设计要求）。师生共同制订一个基本的作品评价标准，标准的制定需要在学生已有的知识经验的基础上，在教师的指导下进行，具体如下表所示。

④学生实践操作（学生合作设计模型）。学生分小组讨论、交流、研究，掌握冰淇淋最基本的模型构造（一般来说，冰淇淋分为蛋筒和奶油两个部分），并商讨出想要设计的模型创新点，共同制订冰淇淋三维模型的设计方案。然后，在学习单上绘制简单的设计图，并确定尺寸以及可能运用到的3D one软件中的工具或命令等。最后，共同在3D one中进行冰淇淋模型的操作与设计。

⑤教师巡视指导（帮助指导，展评作品）。教师在学生操作练习的过程中进行巡视，提供指导与帮助。根据需要为学生提供学习的脚手架，如微课、学习单等。各小组完成模型设计后进行作品的展示，师生对照之前讨论好的评价标准进行作品的评价，提出作品的优缺点以及改进的建议。作品呈现环节，可分为两个部分，包括3D one软件中设计的模型和通过3D打印机输出的实物作品。实物作品的展评要根据学校打印机的实际情况，安排到后续课时中进行。

⑥修改完善，总结反思（加深挑战印象）。小组成员选择性地采纳大家的作品修改意见，在3D one软件中修改完善冰淇淋模型设计。教师在班级中遴选出优秀作品，并将模型切片放到学校3D打印机中进行打印输出。展览打印出的冰淇淋实物，学生在成果作品欣赏中获得成就感。此外，学生可以将冰淇淋的模型文件上传到3D one社区，获得相应的“豌豆”和“创意值”，积极参与到“校园创客”的评选中。

● 携手创想未来，共筑3D梦想

1.增强有趣的学习体验

3D打印课程不仅让学生学习到了先进的3D技术，而且增强了有趣、新奇的学习体验。学生通过设计模型并将其实体化来验证自己的设计是否符合要求，并在实践中不断地完善作品，激发创意灵感，从中获得学习的满足感。学生们表示非常喜欢3D打印课程，并且十分愿意将作品上传到3D one社区分享。教师会根据学生作品进行推优，奖励“豌豆”，以此激发学生3D打印学习的积极性和创意性。

2.丰富创新思维和创造力

3D打印技术是从二维平面思维到三维立体思维的拓展，在设计过程中，学生的空间想象力得到了进一步延伸和拓展。在3D模型设计过程中，需要不断地调整参数，计算机生成的图形也在发生尺寸、距离、形状等各种变化，并且学生要从多个角度去观察，继而反复调试模型。这在无形中锻炼了学生的观察力、数字感知力、空间感和创新思维等。

基于逆向思维教学模型展开3D打印教学只是一种尝试，还有更多的模式及方法值得探究，以促进3D打印教学效果的提升，充分发挥3D打印的教育价值。