讓創(chuàng)意由“虛”到“實”

王歡

【摘 要】 基于inventor的3D創(chuàng)意課程可以使學(xué)生不拘于泥傳統(tǒng)的加工方式，更加高效地進行創(chuàng)意設(shè)計和制作，并不斷進行改進，最終實現(xiàn)作品。在此課程中，使學(xué)生創(chuàng)新素養(yǎng)各個方面得到一定的鍛煉，促進其全面發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】 inventor；3D打??；創(chuàng)新素養(yǎng)；課程設(shè)計；教學(xué)實踐

【中圖分類號】 G632.4 【文獻標識碼】 A 【文章編號】 2095-3089（2016）36-00-02

引言：

請問喬布斯是創(chuàng)新人才么？答案肯定是！馬云建造了龐大阿里巴巴帝國，市值上千億，請問他是創(chuàng)新人才么？無疑也是！那問題出來了，他們的創(chuàng)新素養(yǎng)是培養(yǎng)的結(jié)果么？肯定不是！人本身生來就具有創(chuàng)新素養(yǎng)，就像一片沃土需要開發(fā)出來。

高中生的創(chuàng)新素養(yǎng)包括創(chuàng)新人格與創(chuàng)新能力。創(chuàng)新人格由創(chuàng)新意識、創(chuàng)新情感、創(chuàng)新意志組成。創(chuàng)新能力則由創(chuàng)新思維、創(chuàng)新技能、創(chuàng)新知識組成。圍繞著這眾多的成分， 能否設(shè)計一門課程， 讓學(xué)生在參與這門課程的學(xué)習(xí)過程中， 創(chuàng)新素養(yǎng)的諸多方面都得到較為全面的開發(fā)？[1]而當(dāng)下越來越成熟的3D打印技術(shù)和相關(guān)的三維設(shè)計軟件為此提供了一個契機。

3D創(chuàng)意設(shè)計課程是以三維設(shè)計軟件和3D打印機應(yīng)用為主的課程。此課程以專業(yè)三維設(shè)計軟件的學(xué)習(xí)為基礎(chǔ)，學(xué)生根據(jù)設(shè)計要求進行探究式設(shè)計，并應(yīng)用3D打印機將設(shè)計模型實體化的學(xué)習(xí)過程。3D打印技術(shù)以及相關(guān)設(shè)計軟件應(yīng)用于教學(xué)活動可以為師生提供充足的互動空間，通過設(shè)計任務(wù)調(diào)動學(xué)習(xí)者的參與積極性，利用軟件進行設(shè)計測試，最終利用3D打印機制作模型進行驗證，實現(xiàn)對整個設(shè)計過程的深刻反思。教師從知識權(quán)威轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)的促進者，引導(dǎo)學(xué)習(xí)者應(yīng)用習(xí)得的知識來解決“現(xiàn)實”問題。[2]讓虛幻的知識、想象和設(shè)計，轉(zhuǎn)化為實實在在的、可見的三維模型和實物。

一、inventor軟件和3D打印概述

1、Inventor 簡介

現(xiàn)在的3D設(shè)計軟件很多，一些軟件上手容易但是功能簡單，一些軟件雖然能完成較復(fù)雜的設(shè)計但是學(xué)習(xí)困難，結(jié)合以上一些考慮我校使用inventor軟件進行教學(xué)。

inventor是美國AutoDesk 公司于 1999年底推出的三維參數(shù)化實體模擬軟件。Inventor 軟件被廣泛應(yīng)用在機械設(shè)計、工業(yè)設(shè)計、輔助制造等領(lǐng)域。inventor的草圖技術(shù)、直接建模、零件造型、扳金技術(shù)、工程圖和表達視圖動畫等。該軟件界面簡單、人機交互功能好，具有很強的實踐性，已經(jīng)在社會上的許多領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。而中學(xué)生本身的特點是沒有相關(guān)學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，由于是選修課缺少學(xué)習(xí)的耐心，Inventor功能強大，容易上手，所以很適合學(xué)生學(xué)習(xí)。[3]

2、3D打印技術(shù)簡介

“3D打印技術(shù) （3D Printing） ” 起初僅是縱多 “快速成形技術(shù)（Rapid Manufacturing） ” 分類中的一種。隨著快速成形技術(shù)在全球各行業(yè)中的持續(xù)升溫， 為了便于理解和推廣，傳媒界及民用領(lǐng)域普遍將快速成形技術(shù)形象的統(tǒng)稱為“3D打印技術(shù)”。其技術(shù)原理是，先在計算機中生成零件的三維實體模型，然后將模型按一定厚度分層切片，即將零件的三維形狀信息轉(zhuǎn)換成一系列的二維輪廓信息，最后在數(shù)控系統(tǒng)的控制下，通過噴頭的精確運動可逐層成形目標零件。這種基于“增材制造 （Additive Manufacturing）”的原理是制造技術(shù)發(fā)展史上革命性的進步，該方法與傳統(tǒng)的材料去除加工法截然相反，通過增加材料即可直接制造與相應(yīng)數(shù)學(xué)模型完全一致的三維物理實體模型。[4]

二、基于inventor的3D創(chuàng)意課程開發(fā)學(xué)生創(chuàng)新素養(yǎng)的科學(xué)性

1、體驗學(xué)習(xí)理論

體驗學(xué)習(xí)理論認為教育的目標是在知識獲得的過程中激勵質(zhì)疑和鍛煉技能，而不是去記憶知識本身，學(xué)習(xí)是體驗的轉(zhuǎn)換并創(chuàng)造知識的過程。杜威曾經(jīng)說過，社會知識是先前人類文化經(jīng)驗的客觀積累，而個體知識是個人主觀生命經(jīng)驗的積累，知識就是在被稱為學(xué)習(xí)的過程中實現(xiàn)客觀經(jīng)驗與主觀經(jīng)驗之間的轉(zhuǎn)換，即“做中學(xué)”。[6]

inventor設(shè)計軟件可以快速呈現(xiàn)設(shè)計者的創(chuàng)意，并模擬現(xiàn)實的應(yīng)力分析和運動，生成的文件可直接用于3D打印生成實物。這種學(xué)習(xí)過程，使學(xué)生以項目為引導(dǎo)，應(yīng)用inventor設(shè)計軟件和3D打印機為媒介，與已有的知識經(jīng)驗建立聯(lián)系，在團隊協(xié)作中完成學(xué)習(xí)過程。

2、經(jīng)驗之理論塔

“經(jīng)驗之塔”是由美國視聽教育家戴爾在《教學(xué)中的視聽方法》中提出的，該理論把學(xué)習(xí)內(nèi)容劃分為三個大類的經(jīng)驗：做的經(jīng)驗、觀察的經(jīng)驗和抽象的經(jīng)驗。 [2]

Inventor和3D打印機可以讓學(xué)生的抽象設(shè)計轉(zhuǎn)變?yōu)榫唧w實物，獲得“做的經(jīng)驗”；學(xué)生要設(shè)計必須仔細觀察生活環(huán)境，得到啟發(fā)進而進行創(chuàng)意，并將創(chuàng)意立體化為三維實物，獲得“觀察的經(jīng)驗”；同時學(xué)生還需要將自己的作品展現(xiàn)在他人面前，做語言類的解釋和交流，并對相關(guān)領(lǐng)域進行進一步的探究學(xué)習(xí)，獲得啟發(fā)完善作品，提高思維能力，獲得“抽象的經(jīng)驗”。

三、基于inventor的3D創(chuàng)意課程教學(xué)實踐研究

1、教學(xué)對象的改變

“all men are created equal”，人生而平等，卻生而不同，我們不得不承認學(xué)生個體的差異化。而教育的一個主要功能是確立學(xué)生學(xué)習(xí)態(tài)度和學(xué)習(xí)目標，使學(xué)生樹立正確的學(xué)習(xí)態(tài)度，激發(fā)他們的求知欲，提高他們有效的學(xué)習(xí)技巧（體驗學(xué)習(xí)）。基礎(chǔ)教育針對所有學(xué)生，但是由于個體的差異，所有學(xué)生使用相同的教學(xué)內(nèi)容和方式顯然是不妥當(dāng)?shù)摹?/p>

我校開設(shè)了多門不同的科藝專項課供學(xué)生進行自由選擇，學(xué)生首先根據(jù)自己的興趣和愛好選擇專項課程。每門課選課人數(shù)在20人左右，小班化教學(xué)保證了教學(xué)質(zhì)量，同時通過選課制作將學(xué)生進行了劃分，這部分學(xué)生在興趣、特長趨于同質(zhì)，利于具體專項課的展開，教師研究這一小部分學(xué)生的需求即可。

2、開放的課堂環(huán)境，引導(dǎo)學(xué)生進行自主創(chuàng)意。

創(chuàng)意源于發(fā)現(xiàn)問題，問題源于自己的本能，但隨著年齡的增長，生理和心理特征因素，特別是受后天的環(huán)境影響，將這種本能逐漸隱性化。我們發(fā)現(xiàn)，三年級以前的孩子，每天都有問不完的問題?？蛇M入高中的課堂基本上沒有學(xué)生問題的存在。所以首先要讓學(xué)生處于一個相對輕松開放的課堂環(huán)境，讓他們“發(fā)現(xiàn)問題”的本能顯性化。

頭腦風(fēng)暴的方式是比較有效的方法。頭腦風(fēng)暴何以能有效激發(fā)創(chuàng)新思維？1、聯(lián)想是產(chǎn)生新觀念的基本過程，每提出一個新的觀念，都能引發(fā)他人的聯(lián)想。2、在不受任何限制的情況下，集體討論問題能激發(fā)人的熱情。3、人類有爭強好勝心理，在有競爭意識的情況下，人的心理活動效率可增加50%或更多。4、頭腦風(fēng)暴法有一條原則，不得批評倉促的發(fā)言，甚至不許有任何懷疑的表情、動作、神色。這就能使每個人暢所欲言，提出大量的新觀念。

案例一：課堂片段——創(chuàng)意的重要性

師：我們今天的課就是從問題開始的，首先看第一個問題?。╬pt播放問題一：什么可以讓一個人的一次性盈利超過14億？）

（學(xué)生七嘴八舌地討論起來）

生A：做生意！

生B：炒股票！

生C：搶銀行?。ㄆ渌瑢W(xué)紛紛大笑）

……

師：下一個問題?。ɡ蠋煵]有指責(zé)答“搶銀行”的學(xué)生，而是繼續(xù)提問：什么可以讓一家公司的一次性盈利超過100億？）

生：（學(xué)生依舊熱烈討論著，略）

師：下一個問題！現(xiàn)在國外企業(yè)主要通過什么掠奪我國財富？

（學(xué)生的表情開始凝重起來，認真思考）

生：科學(xué)技術(shù)

生：專利?。◣孜粚W(xué)生不約而同地回答，其他同學(xué)恍然大悟）

3、項目引導(dǎo)，任務(wù)驅(qū)動

項目學(xué)習(xí)（Project-baseD Learning，簡稱PBL）指的是一套能使教師指導(dǎo)學(xué)生對真實世界主題進行深入研究的課程活動，具體表現(xiàn)為構(gòu)想、驗證、完善、制造出某種東西。在inventor 3D創(chuàng)意課程中，學(xué)生主動學(xué)習(xí)研究完成項目所需的多個學(xué)科領(lǐng)域的概念和原理，并在一定時間內(nèi)解決一系列相互關(guān)聯(lián)著的問題的一種新型的探究性學(xué)習(xí)模式。

1）學(xué)期項目制

A、自由項目制

學(xué)期伊始每位學(xué)生確立自己的課題項目，搜集相關(guān)資料，并學(xué)習(xí)掌握完成項目所需要的技能。第一學(xué)期由于學(xué)生剛剛接觸這門課程，沒有技能基礎(chǔ)，所以我們給學(xué)生的課題范圍是開放式的，學(xué)生自由選題，并最終根據(jù)自己的技能水平制作出相應(yīng)的作品，可以復(fù)雜也可以簡單，只要能體現(xiàn)自己的設(shè)計創(chuàng)意即可。[5]

創(chuàng)意是沒有約束的，但是創(chuàng)造實踐很快就會把學(xué)生拉回現(xiàn)實，這個創(chuàng)意我能做的出來么？做出來有實用價值么？學(xué)生在不斷制作的過程中修正自己的設(shè)計，否定那些不切合實際的想法，最終的設(shè)計既要新穎，同時還要經(jīng)得起推敲，而且這個實用價值不是學(xué)生自己說的算的，期末每位學(xué)生會展示并介紹自己的作品，其他學(xué)生會根據(jù)新穎和實用性等方面進行提問，不通過問答環(huán)節(jié)還要繼續(xù)完善作品。

案例二：學(xué)生第一學(xué)期的創(chuàng)意作品舉例

B、命題項目制

由于學(xué)生已經(jīng)掌握一定的設(shè)計技巧和技能，第二學(xué)期會結(jié)合相關(guān)競賽進行命題項目制。命題項目相對自由項目會提高難度，由于要參加比賽，項目的新穎性、科學(xué)性、實用性都要考慮得更加全面，同時根據(jù)比賽設(shè)置短期課堂和長期課題。

例如，在歷屆上海未來工程師大賽中都有一項“計算機三維設(shè)計”，每屆都有一個設(shè)計主題。學(xué)生根據(jù)設(shè)計主題確立一個短期課題，設(shè)計一個相關(guān)作品參加比賽。

案例三：2014年“上海市未來工程師”一等獎獲獎作品

例如，在全國中小學(xué)電腦制作活動中有高中組3D創(chuàng)意設(shè)計項目，每屆都有一個設(shè)計主題。學(xué)生根據(jù)設(shè)計主題確立一個長期課題，如果學(xué)生進入市賽和國賽，長期課題往往要持續(xù)半年甚至更長時間，不拘泥課堂，學(xué)生需要投入更多的精力和時間，學(xué)校也會給學(xué)生提供相關(guān)指導(dǎo)。

案例四：2014年全國中小學(xué)電腦制作活動高中組3D創(chuàng)意設(shè)計項目全國二等獎作品

作品名稱：Smartwave

設(shè)計要點：設(shè)計結(jié)構(gòu)、霧霾吸收技術(shù)、駕駛技術(shù)、多種傳感系統(tǒng)、汽車云技術(shù)、汽車能源技術(shù)、汽車娛樂技術(shù)、汽車商務(wù)辦公。

2）課課項目化

設(shè)計中創(chuàng)意固然重要，但是也無法脫離具體的軟件操作。軟件學(xué)習(xí)過并不是簡單快樂，而是枯燥艱難的，例如inventor軟件雖然入手比較容易，但是真正運用得心應(yīng)手還是需要付出一定的努力。

目前Inventor教材大都是基礎(chǔ)教程，單獨講命令使用，范例較少，不利于學(xué)生興趣的培養(yǎng)。根據(jù)這一情況根據(jù)每節(jié)課所要講解的命令要點，設(shè)計相應(yīng)的教學(xué)案例。案例基本都是學(xué)生熟悉的生活常見用品，既熟悉又親切。同時下節(jié)課的案例再在此基礎(chǔ)上繼續(xù)深入學(xué)習(xí)，這樣循序漸進，幫助學(xué)生建立自信心。

在軟件教學(xué)過程中，多數(shù)以教師演示學(xué)生操作練習(xí)的方式為主，而這樣學(xué)生的自主性較差，由于學(xué)生之間的接受程度不同，一些學(xué)生感覺教師講解太繁瑣，另外一些學(xué)生則吃不透，影響課程進度?；诖朔N情況，教師在明確一節(jié)課的項目任務(wù)后，下發(fā)學(xué)習(xí)資料，包括文本和視頻，以視頻教程為主，給予學(xué)生更多的空間和時間自主學(xué)習(xí)，根據(jù)自己的實際情況學(xué)習(xí)，有疑問尋求同學(xué)和教師的幫助，群體性問題、重難點教師集中講解的方式以達到教學(xué)目標。

案例五：課堂練習(xí)作品舉例

4、使用inventor的應(yīng)力分析功能進行大數(shù)據(jù)分析探究

學(xué)生項目以模型設(shè)計居多，但要將設(shè)計真正應(yīng)用不可避免地要進行具體測試，也就是應(yīng)力分析。在inventor中集成了著名的ANSYS公司的有限元分析模塊（Stress Analysis）的子集，它的應(yīng)力分析功能是在Inventor零件環(huán)境（普通零件、鈑金零件）的模型上使用添加工況后，計算應(yīng)力應(yīng)變、估算安全系數(shù)和頻率特性…

應(yīng)用此模塊以可在設(shè)計過程隨時對零件進行靜力學(xué)基本分析和動力學(xué)的模態(tài)分析。軟件模擬可以快速取得大數(shù)據(jù)信息，學(xué)生通過對數(shù)據(jù)的分析取得相對較優(yōu)的設(shè)計模型，在這樣一個信息爆炸的時代，讓學(xué)生接觸數(shù)據(jù)分析，掌握基本技能和思維方式非常必要，實現(xiàn)從數(shù)據(jù)到信息，到知識，最終到智慧的轉(zhuǎn)化。

不僅如此，使用這個方法還可以指導(dǎo)其他加工模型方式，例如每屆未來工程師大賽都有橋梁稱重項目，通過此軟件設(shè)計橋梁結(jié)構(gòu)，并使用應(yīng)力分析方法進行測試，極大地提高了效率。

四、結(jié)束語

愈來愈多的國家和地區(qū)開始重視3D打印在教育領(lǐng)域的應(yīng)用，并開始探索著這方面的研究，例如美國英國早已經(jīng)做過相關(guān)嘗試。不過由于3D打印技術(shù)成本、材料等問題，走進課堂還需一段時間，但是三維設(shè)計軟件卻不存在這些問題，快速占領(lǐng)課堂，在開發(fā)學(xué)生創(chuàng)新素養(yǎng)、提高學(xué)生動手能力方面發(fā)揮重要作用。隨著3D打印技術(shù)的愈加成熟，兩者結(jié)合在教學(xué)中會發(fā)揮越來越重要的作用。

參考文獻：

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[2]高勇，劉娜. 3D打印與三維創(chuàng)意設(shè)計課程牽引下的創(chuàng)新課程體系研究[J]. 中小學(xué)信息技術(shù)教育，2016，04：20-22.

[3]王穎. 對Inventor教學(xué)的探索與研究[J]. 學(xué)園（教育科研），2012，06：104-105.

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[5]陳綱. 從“思”到“造”——3D打印教育助力小學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[J]. 中小學(xué)信息技術(shù)教育，2016，04：13-15.

[6]庫伯. 體驗學(xué)習(xí)——讓體驗成為學(xué)習(xí)和發(fā)展的源泉[J]. 2008.