淺談3D打印對學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)獲獎科研報告

淺談3D打印對學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)獲獎科研報告進入21世紀，教育的本質(zhì)已經(jīng)由知識的積累轉(zhuǎn)向創(chuàng)新創(chuàng)造，以智能制造為方向的創(chuàng)新能力培養(yǎng)已經(jīng)成為教育的共識。目前，創(chuàng)客教育在我國中小學正在逐步普及，其中3D打印已經(jīng)走進中小學課堂，成為培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力的重要課程。在開展3D打印教學活動中，需要考慮如何培養(yǎng)學生掌握基本的3D建模技能，靈活運用形體相融法構(gòu)建復雜實體，同時搭建多種學習平臺，多方位推進實施，培養(yǎng)適應時代發(fā)展要求的創(chuàng)新型人才。

一、掌握基本建模技能，夯實創(chuàng)新的基礎(chǔ)

熟練掌握基本的3D實體建模技能，是信息化時代培養(yǎng)學生創(chuàng)新制造能力的基礎(chǔ)。世間萬物都是由基本的形體組合而成，點組成線、線組成面、面組成實體。培養(yǎng)學生對基本形體的概括能力，要通過恰當?shù)囊龑?、正確的訓練，才能夯實學生創(chuàng)新的基礎(chǔ)。

1.基本形體建模提高形體概括能力

常用的3D打印建模軟件123D、3DONE等都提供了多種基本建模的幾何形體，如立方體、球體、圓柱體、圓錐體、圓環(huán)體、楔形體、棱柱體、錐體、半球體等。每種基本形體的特點都很分明，在現(xiàn)實生活中很容易就能找到對應的實體，如盒子、房子、箱子是立方體，各種球類是球體，金字塔是棱錐體，筆尖、冰淇凌筒是圓錐體等。在教學中，教師要善于引導學生對形體進行概括，培養(yǎng)學生對基本形體的概括和運用能力。

2.拉伸生成建模促進平面立體關(guān)系的理解

拉伸生成建模方式是利用空間的延伸性對繪制的平面圖形進行立體擴展，可培養(yǎng)學生由平面向立體的形體轉(zhuǎn)換能力。這種建模方式的技巧取決于繪制平面后形體拉伸的高度及方向，拉伸的形態(tài)決定了成型的效果。如創(chuàng)建一個截面不規(guī)則的杯子，可先繪制出杯子的截面后再進行拉伸，由平面向立體轉(zhuǎn)變，完成形體創(chuàng)建。這種方式可幫助學生更好地理解平面與立體的關(guān)系，培養(yǎng)學生的空間想象力。

3.旋轉(zhuǎn)生成建模提高對稱形體的理解能力

旋轉(zhuǎn)生成建模方式是用平面圖形圍繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)一定角度創(chuàng)建立體，能培養(yǎng)學生對中心對稱形體的理解和創(chuàng)建能力。生活中有很多美妙的中心對稱物體，如花瓶、酒杯、圓形器皿等。這些物體用基本形體的造型方式難以完成設(shè)計需求，卻適合用旋轉(zhuǎn)建模的方式生成。在建模時，可以先繪制出要設(shè)計形體的半截面封閉圖形，再繪制中心對稱線，通過旋轉(zhuǎn)法可以快速生成對稱形體。這種方式能很好地培養(yǎng)學生對空間形體的生成能力，實現(xiàn)由二維平面圖形向三維立體的轉(zhuǎn)化。

二、掌握形體相融法，促進創(chuàng)新能力形成

單純的建模方式適合創(chuàng)建簡單的基本形體，當面對復雜的組合形體時，就需要用到形體相融法。形體相融法是對復雜形體進行分解，運用基本形體之間的“加法”“減法”或“混合運算”等組合方法，通過多種組合完成復雜形體的創(chuàng)建。這一過程能有效培養(yǎng)學生的形體概括能力，促進學生綜合形體構(gòu)建能力的提升。

1.運用形體相融的“加法”完成組合形體的生成

形體相融的“加法”是用多種基本形體進行組合，創(chuàng)造出設(shè)計者所需要的形體。生活中可見到多種組合形體，要引導學生熟練地運用形體設(shè)計的“加法”生成所需要的組合形體。如一串球體能組合出一個手鏈，長的圓柱體和圓錐體能組合出一支鉛筆，掏空的圓柱體加上半圓環(huán)能組成一個杯子。形體相融的“加法”在3D打印建模中應用較多，通過形體組合能創(chuàng)造出各種復雜的物體。

2.運用形體相融的“減法”促進相融形體的生成

形體相融的“減法”，是由兩個或兩個以上的形體在相融過程中產(chǎn)生的相減形體，是形體設(shè)計能力的進一步提升。如大圓柱體減去小圓柱體生成空心的容器，大半球減小半球得到空心的碗等，還可以有多個形體的相融。形體相融的“減法”能很好地開拓建模的思路，它是3D打印建模的另一個精彩的世界，能實現(xiàn)造型奇特的創(chuàng)意，豐富設(shè)計思路。

3.運用形體相融的“混合運算”實現(xiàn)復雜形體的生成

生活中的形體，往往很難簡單地拆分成標準的基本形體，也不是以簡單的加或減的方式組合而成的。很多形體以一種基本型的方式呈現(xiàn)出來，但是在細節(jié)方面的結(jié)構(gòu)卻非常復雜，這時就需要用綜合的方法去分析概括形體的組成，運用形體相融的“混合運算”去交織、融合、分解、組合，以達成建模需求。因此，3D建模造型中形體相融“混合運算”能力才是最需要掌握的能力，是建模能力的綜合體現(xiàn)。形體相融的“混合運算”是形體設(shè)計創(chuàng)新的靈魂，是3D打印建模能力的精髓。

三、搭建多種平臺，助推創(chuàng)新能力飛躍

為全方位地促進學生創(chuàng)新能力的飛躍，需要培養(yǎng)學生基礎(chǔ)建模、靈活分析形體的構(gòu)造、用基本形體去概括復雜形體的能力。而這需要搭建平臺，并進行系統(tǒng)訓練，其中也包括組織競賽活動、建設(shè)充滿創(chuàng)新氛圍的校園文化。

1.開設(shè)3D打印社團活動課程，以平臺促發(fā)展

3D打印社團活動課程，可為學生提供學習交流的平臺，能夠有計劃、有目標地組織學生實施訓練，以平臺促發(fā)展。如筆者所在學校開設(shè)了內(nèi)容豐富的3D打印活動課，由教師指導學生接受系統(tǒng)的學習，并且?guī)熒脤W習平臺進行思維的碰撞與交流，在實踐中協(xié)作與互助。良好的學習平臺和系統(tǒng)的課程，為學生創(chuàng)新制造能力的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

2.組織參與相關(guān)的創(chuàng)客競賽活動，以競賽促提高

以智能制造為方向的3D打印，已經(jīng)深深地融入了各類青少年創(chuàng)客競賽活動。學生創(chuàng)新能力的發(fā)展，除了掌握相應的知識技能外，更重要的是在活動中提升，在競賽中鍛煉。參與創(chuàng)客類的3D打印賽事，能有效助推學生創(chuàng)新應用能力的提升，而且各類競賽活動對學生的綜合能力也提出了更高的要求，能夠鍛煉學生的心理素質(zhì)，培養(yǎng)學生良好的集體協(xié)作能力，使其積累比賽經(jīng)驗，在享受比賽的過程中更好地成長。

3.營造良好的科技創(chuàng)新校園文化，以文化促熏陶

良好的育人環(huán)境對培養(yǎng)學生興趣愛好、促進學生能力提高發(fā)揮著重要作用。為此，學校可營造良好的科技創(chuàng)新校園文化，讓每一面墻、每一扇窗、每一個櫥窗、每一級臺階都能“說話”，讓學生在科技