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(jìn)行創(chuàng)意設(shè)計(jì)和制作，并不斷進(jìn)行改進(jìn)，最終實(shí)現(xiàn)作品。在此課程中，使學(xué)生創(chuàng)新素養(yǎng)各個(gè)方面得到一定的鍛煉，促進(jìn)其全面發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】 inventor；3D打印；創(chuàng)新素養(yǎng)；課程設(shè)計(jì)；教學(xué)實(shí)踐

【中圖分類(lèi)號(hào)】 G632.4 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A 【文章編號(hào)】 2095-3089（2016）36-00-02

引言：

請(qǐng)問(wèn)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(guó)，市值上千億，請(qǐng)問(wèn)他是創(chuàng)新人才么？無(wú)疑也是！那問(wèn)題出來(lái)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(lái)就具有創(chuàng)新素養(yǎng)，就像一片沃土需要開(kāi)發(fā)出來(lái)。

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(shí)、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(shí)組成。圍繞著這眾多的成分， 能否設(shè)計(jì)一門(mén)課程， 讓學(xué)生在參與這門(mén)課程的學(xué)習(xí)過(guò)程中， 創(chuàng)新素養(yǎng)的諸多方面都得到較為全面的開(kāi)發(fā)？[1]而當(dāng)下越來(lái)越成熟的3D打印技術(shù)和相關(guān)的三維設(shè)計(jì)軟件為此提供了一個(gè)契機(jī)。

3D創(chuàng)意設(shè)計(jì)課程是以三維設(shè)計(jì)軟件和3D打印機(jī)應(yīng)用為主的課程。此課程以專(zhuān)業(yè)三維設(shè)計(jì)軟件的學(xué)習(xí)為基礎(chǔ)，學(xué)生根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行探究式設(shè)計(jì)，并應(yīng)用3D打印機(jī)將設(shè)計(jì)模型實(shí)體化的學(xué)習(xí)過(guò)程。3D打印技術(shù)以及相關(guān)設(shè)計(jì)軟件應(yīng)用于教學(xué)活動(dòng)可以為師生提供充足的互動(dòng)空間，通過(guò)設(shè)計(jì)任務(wù)調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)者的參與積極性，利用軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)測(cè)試，最終利用3D打印機(jī)制作模型進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程的深刻反思。教師從知識(shí)權(quán)威轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)的促進(jìn)者，引導(dǎo)學(xué)習(xí)者應(yīng)用習(xí)得的知識(shí)來(lái)解決“現(xiàn)實(shí)”問(wèn)題。[2]讓虛幻的知識(shí)、想象和設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)化為實(shí)實(shí)在在的、可見(jiàn)的三維模型和實(shí)物。

一、inventor軟件和3D打印概述

1、Inventor 簡(jiǎn)介

現(xiàn)在的3D設(shè)計(jì)軟件很多，一些軟件上手容易但是功能簡(jiǎn)單，一些軟件雖然能完成較復(fù)雜的設(shè)計(jì)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(jìn)行教學(xué)。

inventor是美國(guó)AutoDesk 公司于 1999年底推出的三維參數(shù)化實(shí)體模擬軟件。Inventor 軟件被廣泛應(yīng)用在機(jī)械設(shè)計(jì)、工業(yè)設(shè)計(jì)、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(dá)視圖動(dòng)畫(huà)等。該軟件界面簡(jiǎn)單、人機(jī)交互功能好，具有很強(qiáng)的實(shí)踐性，已經(jīng)在社會(huì)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(diǎn)是沒(méi)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(qiáng)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(jiǎn)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(lèi)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(chēng)為“3D打印技術(shù)”。其技術(shù)原理是，先在計(jì)算機(jī)中生成零件的三維實(shí)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(guò)噴頭的精確運(yùn)動(dòng)可逐層成形目標(biāo)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(jìn)步，該方法與傳統(tǒng)的材料去除加工法截然相反，通過(guò)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(shí)體模型。[4]

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

1、體驗(yàn)學(xué)習(xí)理論

體驗(yàn)學(xué)習(xí)理論認(rèn)為教育的目標(biāo)是在知識(shí)獲得的過(guò)程中激勵(lì)質(zhì)疑和鍛煉技能，而不是去記憶知識(shí)本身，學(xué)習(xí)是體驗(yàn)的轉(zhuǎn)換并創(chuàng)造知識(shí)的過(guò)程。杜威曾經(jīng)說(shuō)過(guò)，社會(huì)知識(shí)是先前人類(lèi)文化經(jīng)驗(yàn)的客觀積累，而個(gè)體知識(shí)是個(gè)人主觀生命經(jīng)驗(yàn)的積累，知識(shí)就是在被稱(chēng)為學(xué)習(xí)的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)客觀經(jīng)驗(yàn)與主觀經(jīng)驗(yàn)之間的轉(zhuǎn)換，即“做中學(xué)”。[6]

inventor設(shè)計(jì)軟件可以快速呈現(xiàn)設(shè)計(jì)者的創(chuàng)意，并模擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)力分析和運(yùn)動(dòng)，生成的文件可直接用于3D打印生成實(shí)物。這種學(xué)習(xí)過(guò)程，使學(xué)生以項(xiàng)目為引導(dǎo)，應(yīng)用inventor設(shè)計(jì)軟件和3D打印機(jī)為媒介，與已有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)建立聯(lián)系，在團(tuán)隊(duì)協(xié)作中完成學(xué)習(xí)過(guò)程。

2、經(jīng)驗(yàn)之理論塔

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

Inventor和3D打印機(jī)可以讓學(xué)生的抽象設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)榫唧w實(shí)物，獲得“做的經(jīng)驗(yàn)”；學(xué)生要設(shè)計(jì)必須仔細(xì)觀察生活環(huán)境，得到啟發(fā)進(jìn)而進(jìn)行創(chuàng)意，并將創(chuàng)意立體化為三維實(shí)物，獲得“觀察的經(jīng)驗(yàn)”；同時(shí)學(xué)生還需要將自己的作品展現(xiàn)在他人面前，做語(yǔ)言類(lèi)的解釋和交流，并對(duì)相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行進(jìn)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(yàn)”。

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

1、教學(xué)對(duì)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(rèn)學(xué)生個(gè)體的差異化。而教育的一個(gè)主要功能是確立學(xué)生學(xué)習(xí)態(tài)度和學(xué)習(xí)目標(biāo)，使學(xué)生樹(shù)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(yàn)學(xué)習(xí)）。基礎(chǔ)教育針對(duì)所有學(xué)生，但是由于個(gè)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(kāi)設(shè)了多門(mén)不同的科藝專(zhuān)項(xiàng)課供學(xué)生進(jìn)行自由選擇，學(xué)生首先根據(jù)自己的興趣和愛(ài)好選擇專(zhuān)項(xiàng)課程。每門(mén)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(shí)通過(guò)選課制作將學(xué)生進(jìn)行了劃分，這部分學(xué)生在興趣、特長(zhǎng)趨于同質(zhì)，利于具體專(zhuān)項(xiàng)課的展開(kāi)，教師研究這一小部分學(xué)生的需求即可。

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

創(chuàng)意源于發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，問(wèn)題源于自己的本能，但隨著年齡的增長(zhǎng)，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(jí)以前的孩子，每天都有問(wèn)不完的問(wèn)題?？蛇M(jìn)入高中的課堂基本上沒(méi)有學(xué)生問(wèn)題的存在。所以首先要讓學(xué)生處于一個(gè)相對(duì)輕松開(kāi)放的課堂環(huán)境，讓他們“發(fā)現(xiàn)問(wèn)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(guò)程，每提出一個(gè)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(wèn)題能激發(fā)人的熱情。3、人類(lèi)有爭(zhēng)強(qiáng)好勝心理，在有競(jìng)爭(zhēng)意識(shí)的情況下，人的心理活動(dòng)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(píng)倉(cāng)促的發(fā)言，甚至不許有任何懷疑的表情、動(dòng)作、神色。這就能使每個(gè)人暢所欲言，提出大量的新觀念。

案例一：課堂片段——?jiǎng)?chuàng)意的重要性

師：我們今天的課就是從問(wèn)題開(kāi)始的，首先看第一個(gè)問(wèn)題?。╬pt播放問(wèn)題一：什么可以讓一個(gè)人的一次性盈利超過(guò)14億？）

（學(xué)生七嘴八舌地討論起來(lái)）

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(gè)問(wèn)題！（老師并沒(méi)有指責(zé)答“搶銀行”的學(xué)生，而是繼續(xù)提問(wèn)：什么可以讓一家公司的一次性盈利超過(guò)100億？）

生：（學(xué)生依舊熱烈討論著，略）

師：下一個(gè)問(wèn)題！現(xiàn)在國(guó)外企業(yè)主要通過(guò)什么掠奪我國(guó)財(cái)富？

（學(xué)生的表情開(kāi)始凝重起來(lái)，認(rèn)真思考）

生：科學(xué)技術(shù)

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

3、項(xiàng)目引導(dǎo)，任務(wù)驅(qū)動(dòng)

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

1）學(xué)期項(xiàng)目制

A、自由項(xiàng)目制

學(xué)期伊始每位學(xué)生確立自己的課題項(xiàng)目，搜集相關(guān)資料，并學(xué)習(xí)掌握完成項(xiàng)目所需要的技能。第一學(xué)期由于學(xué)生剛剛接觸這門(mén)課程，沒(méi)有技能基礎(chǔ)，所以我們給學(xué)生的課題范圍是開(kāi)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(jiǎn)單，只要能體現(xiàn)自己的設(shè)計(jì)創(chuàng)意即可。[5]

創(chuàng)意是沒(méi)有約束的，但是創(chuàng)造實(shí)踐很快就會(huì)把學(xué)生拉回現(xiàn)實(shí)，這個(gè)創(chuàng)意我能做的出來(lái)么？做出來(lái)有實(shí)用價(jià)值么？學(xué)生在不斷制作的過(guò)程中修正自己的設(shè)計(jì)，否定那些不切合實(shí)際的想法，最終的設(shè)計(jì)既要新穎，同時(shí)還要經(jīng)得起推敲，而且這個(gè)實(shí)用價(jià)值不是學(xué)生自己說(shuō)的算的，期末每位學(xué)生會(huì)展示并介紹自己的作品，其他學(xué)生會(huì)根據(jù)新穎和實(shí)用性等方面進(jìn)行提問(wèn)，不通過(guò)問(wèn)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(xiàng)目制

由于學(xué)生已經(jīng)掌握一定的設(shè)計(jì)技巧和技能，第二學(xué)期會(huì)結(jié)合相關(guān)競(jìng)賽進(jìn)行命題項(xiàng)目制。命題項(xiàng)目相對(duì)自由項(xiàng)目會(huì)提高難度，由于要參加比賽，項(xiàng)目的新穎性、科學(xué)性、實(shí)用性都要考慮得更加全面，同時(shí)根據(jù)比賽設(shè)置短期課堂和長(zhǎng)期課題。

例如，在歷屆上海未來(lái)工程師大賽中都有一項(xiàng)“計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)”，每屆都有一個(gè)設(shè)計(jì)主題。學(xué)生根據(jù)設(shè)計(jì)主題確立一個(gè)短期課題，設(shè)計(jì)一個(gè)相關(guān)作品參加比賽。

案例三：2014年“上海市未來(lái)工程師”一等獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)作品

例如，在全國(guó)中小學(xué)電腦制作活動(dòng)中有高中組3D創(chuàng)意設(shè)計(jì)項(xiàng)目，每屆都有一個(gè)設(shè)計(jì)主題。學(xué)生根據(jù)設(shè)計(jì)主題確立一個(gè)長(zhǎng)期課題，如果學(xué)生進(jìn)入市賽和國(guó)賽，長(zhǎng)期課題往往要持續(xù)半年甚至更長(zhǎng)時(shí)間，不拘泥課堂，學(xué)生需要投入更多的精力和時(shí)間，學(xué)校也會(huì)給學(xué)生提供相關(guān)指導(dǎo)。

案例四：2014年全國(guó)中小學(xué)電腦制作活動(dòng)高中組3D創(chuàng)意設(shè)計(jì)項(xiàng)目全國(guó)二等獎(jiǎng)作品

作品名稱(chēng)：Smartwave

設(shè)計(jì)要點(diǎn)：設(shè)計(jì)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(chē)云技術(shù)、汽車(chē)能源技術(shù)、汽車(chē)娛樂(lè)技術(shù)、汽車(chē)商務(wù)辦公。

2）課課項(xiàng)目化

設(shè)計(jì)中創(chuàng)意固然重要，但是也無(wú)法脫離具體的軟件操作。軟件學(xué)習(xí)過(guò)并不是簡(jiǎn)單快樂(lè)，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(yùn)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(dú)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(diǎn)，設(shè)計(jì)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(jiàn)用品，既熟悉又親切。同時(shí)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(jìn)，幫助學(xué)生建立自信心。

在軟件教學(xué)過(guò)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(jué)教師講解太繁瑣，另外一些學(xué)生則吃不透，影響課程進(jìn)度?；诖朔N情況，教師在明確一節(jié)課的項(xiàng)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(shí)間自主學(xué)習(xí)，根據(jù)自己的實(shí)際情況學(xué)習(xí)，有疑問(wèn)尋求同學(xué)和教師的幫助，群體性問(wèn)題、重難點(diǎn)教師集中講解的方式以達(dá)到教學(xué)目標(biāo)。

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(jìn)行大數(shù)據(jù)分析探究

學(xué)生項(xiàng)目以模型設(shè)計(jì)居多，但要將設(shè)計(jì)真正應(yīng)用不可避免地要進(jìn)行具體測(cè)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(jì)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(jì)過(guò)程隨時(shí)對(duì)零件進(jìn)行靜力學(xué)基本分析和動(dòng)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(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析取得相對(duì)較優(yōu)的設(shè)計(jì)模型，在這樣一個(gè)信息爆炸的時(shí)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(shí)現(xiàn)從數(shù)據(jù)到信息，到知識(shí)，最終到智慧的轉(zhuǎn)化。

不僅如此，使用這個(gè)方法還可以指導(dǎo)其他加工模型方式，例如每屆未來(lái)工程師大賽都有橋梁稱(chēng)重項(xiàng)目，通過(guò)此軟件設(shè)計(jì)橋梁結(jié)構(gòu)，并使用應(yīng)力分析方法進(jìn)行測(cè)試，極大地提高了效率。

四、結(jié)束語(yǔ)

愈來(lái)愈多的國(guó)家和地區(qū)開(kāi)始重視3D打印在教育領(lǐng)域的應(yīng)用，并開(kāi)始探索著這方面的研究，例如美國(guó)英國(guó)早已經(jīng)做過(guò)相關(guān)嘗試。不過(guò)由于3D打印技術(shù)成本、材料等問(wèn)題，走進(jìn)課堂還需一段時(shí)間，但是三維設(shè)計(jì)軟件卻不存在這些問(wèn)題，快速占領(lǐng)課堂，在開(kāi)發(fā)學(xué)生創(chuàng)新素養(yǎng)、提高學(xué)生動(dòng)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(huì)發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

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