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STEM理念下應(yīng)用3D建模發(fā)展學(xué)生空間想象能力的實踐

2021-12-03 06:32福建省泉州第一中學(xué)蔡海波
亞太教育 2021年17期
關(guān)鍵詞:建模想象圖形

福建省泉州第一中學(xué) 蔡海波

空間想象能力在科學(xué)素養(yǎng)、技術(shù)素養(yǎng)、工程素養(yǎng)、數(shù)學(xué)素養(yǎng)這幾個STEM培養(yǎng)目標(biāo)中都是不可缺少的,STEM理念下的學(xué)科融合學(xué)習(xí)活動離不開空間想象能力的支持,創(chuàng)新能力和創(chuàng)新思維也受益于空間想象能力表現(xiàn),空間想象能力的重要性不言而喻。雖然人類一切活動都在三維空間世界里,對于空間觀念照理應(yīng)該是駕輕就熟的,然而事實上并非如此,人們在這方面的表現(xiàn)參差不齊。特別是對于正在成長的學(xué)生來說,要很好地將具有一定空間結(jié)構(gòu)的物體在頭腦中設(shè)想出來,并準(zhǔn)確表達呈現(xiàn)出來,并不是普遍能做到的。因此,高效地提升學(xué)生空間想象能力有著重要的實踐意義。

一、3D建模教學(xué)的優(yōu)勢

對我校學(xué)生“空間想象能力水平測試”的調(diào)查問卷進行分析,得出以下結(jié)果。第一,隨著年齡的增長,學(xué)生的整體空間想象能力呈上升趨勢;第二,學(xué)生在各個水平上的發(fā)展不均衡,大部分學(xué)生能借助二維空間圖形來分析三維空間形狀的特征、位置及數(shù)量,圖形分析能力是被認可的,但將二維空間圖形還原成三維空間形狀時容易出錯,三維空間形狀轉(zhuǎn)換成二維空間圖形的能力一般;第三,學(xué)生對二維空間圖形的空間想象操作容易出現(xiàn)錯誤,例如多次旋轉(zhuǎn)容易出現(xiàn)混亂,折疊與展開也經(jīng)常錯位;第四,對于利用直觀想象描述、探究三維空間形狀問題、揭示問題本質(zhì)等水平上,學(xué)生表現(xiàn)較為薄弱。

根據(jù)學(xué)生空間想象能力現(xiàn)狀,是有必要進行教學(xué)干預(yù)的,提升學(xué)生空間想象能力可利用實物模型法、規(guī)范制圖法等教學(xué)方法,但是較為科學(xué)高效的是3D建模法。在本質(zhì)意義上,3D建模法能讓學(xué)生實踐空間觀察、空間構(gòu)造、空間變換等空間操作,真正體會和領(lǐng)略空間概念,鍛煉空間想象能力。對于技術(shù)類學(xué)科,熟練地掌握3D建模方法,就能利用軟件快速準(zhǔn)確地繪出基本立體結(jié)構(gòu),具體且直觀,而且還能幫助學(xué)生學(xué)會分析復(fù)雜立體結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)成,提高學(xué)生的空間分析能力。我校利用現(xiàn)有軟硬件設(shè)施設(shè)立了一套應(yīng)用3D建模促進學(xué)生空間想象能力發(fā)展的教學(xué)實踐方案,該方案具有可行性、可操作性、可評價性的優(yōu)秀特點。通過教學(xué)實踐研究,構(gòu)建提升學(xué)生空間想象能力的教育培養(yǎng)機制,對于學(xué)生的多個學(xué)科,如通用技術(shù)、數(shù)學(xué)、物理、信息技術(shù)等的學(xué)習(xí)影響甚大。

二、3D建模教學(xué)實踐

借鑒我校教師主編的福建省信息技術(shù)教材《三維藝術(shù)設(shè)計》,組織多位教師參與共同開發(fā)校本教材《3DOne教程》,并將教材內(nèi)容添加到初中的綜合實踐和高中的通用技術(shù)學(xué)科教學(xué)中,不斷調(diào)整修正實際教學(xué)中的教學(xué)策略。

(一)循序漸進、由簡及繁

教學(xué)循序漸進、由簡及繁是遵循學(xué)生認知發(fā)展規(guī)律的。從簡單基礎(chǔ)的三維模型繪制開始,例如正方體、長方體、球體、圓柱體、棱柱體、椎體等,讓學(xué)生從多角度認真觀察所繪制的各種模型結(jié)構(gòu),一方面體會各種模型的不同幾何特點,另一方面感受幾何體的立體效果。在加強認知基礎(chǔ)后,逐步提高模型結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,讓學(xué)生在復(fù)雜的空間構(gòu)圖中,利用作圖工具對空間圖形進行旋轉(zhuǎn)、翻轉(zhuǎn)、分解、作截面等操作,潛移默化地提升空間想象能力。學(xué)生經(jīng)歷此過程后,不但積累了經(jīng)驗、鍛煉了能力,也熟練了3D建模軟件的操作技巧。另外要補充的是,因教學(xué)針對的是中學(xué)生,模型結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度設(shè)置是有一定界限的。

(二)加強二維圖形與三維結(jié)構(gòu)的思維切換鍛煉

空間想象能力強,其直接的表現(xiàn)是能熟練地通過對二維圖形的觀察,經(jīng)過大腦的加工處理,快速準(zhǔn)確地感知三維結(jié)構(gòu)的形狀、位置等特征。因此,加強二維圖形與三維結(jié)構(gòu)的思維切換鍛煉,是提升學(xué)生空間想象能力的另一個重要手段。

二維圖形與三維結(jié)構(gòu)的思維切換,按照方向分類可分為正向切換與逆向切換兩種。思維正向切換即把二維圖形切換成三維結(jié)構(gòu)的思維想象轉(zhuǎn)變過程,這個過程根據(jù)所提供二維圖形的不同,又可分為正向直觀轉(zhuǎn)變和拼接轉(zhuǎn)變兩種方式。正向直觀轉(zhuǎn)變是把已表現(xiàn)出立體特征的二維圖形轉(zhuǎn)變成三維結(jié)構(gòu)的過程,例如,將設(shè)計草圖或正等軸測圖利用3D建模軟件繪制出三維模型結(jié)構(gòu)。因為設(shè)計草圖、正等軸測圖已經(jīng)展現(xiàn)出一定的立體結(jié)構(gòu)特征,所以學(xué)生繪制時有對照,相對來說會容易一些。而拼接轉(zhuǎn)變則是將若干個不同視角的二維圖形轉(zhuǎn)變成三維結(jié)構(gòu)的過程,例如,將三視圖利用3D建模軟件繪制出三維模型結(jié)構(gòu)。多個不同視角的二維圖形要轉(zhuǎn)變成三維結(jié)構(gòu)就必須發(fā)揮更為強大的想象力,把不同的二維圖形在頭腦中進行翻轉(zhuǎn)、拼接,組合成符合投影效果的三維結(jié)構(gòu)。這對學(xué)生來說,難度上了一個層次。思維逆向切換則相反,是把現(xiàn)成的三維結(jié)構(gòu)切換成二維圖形的過程,它也可分為逆向直觀轉(zhuǎn)變和拆分轉(zhuǎn)變。逆向直觀轉(zhuǎn)變是把現(xiàn)成的三維結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)變成能表現(xiàn)出立體特征的二維圖形的過程。這個過程相當(dāng)于在畫素描,會比較直接,相對較容易。拆分轉(zhuǎn)變是把現(xiàn)成的三維結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)變成若干個不同視角的二維圖形的過程。學(xué)生在進行拆分轉(zhuǎn)變時,完全可以通過轉(zhuǎn)動3D建模軟件里的模型,直觀觀察各個視角的形狀特征,幫助其完成二維圖形的繪制。

通過重復(fù)性的二維圖形與三維結(jié)構(gòu)的思維切換鍛煉,學(xué)生在思維切換上更加準(zhǔn)確快速。為了評價教學(xué)實施效果,對訓(xùn)練前后學(xué)生的空間想象能力水平進行測試,結(jié)果發(fā)現(xiàn),學(xué)生的空間識圖和空間想象能力有了明顯的提升,而且學(xué)生的測試時間也有所減少。

(三)興趣使然,水到渠成

興趣是最好的老師,有了學(xué)習(xí)興趣,學(xué)生的積極性和主動性就能充分發(fā)揮出來,同時可以營造寬松、和諧的學(xué)習(xí)氛圍。所以,教師在教學(xué)時,應(yīng)該從學(xué)生興趣入手,例如構(gòu)建有藝術(shù)氣息的花瓶模型,酷炫的車輛、船舶模型,別致的建筑模型等主題作為引導(dǎo),這些主題往往可以極大地吸引學(xué)生的興趣,讓學(xué)生在復(fù)雜的空間構(gòu)圖中,在極具個性化的創(chuàng)作中,潛移默化地完成空間想象能力的提升。

(四)學(xué)科典型空間模型的素材應(yīng)用

中學(xué)學(xué)科課程中有許多空間結(jié)構(gòu)相關(guān)的知識,例如,數(shù)學(xué)學(xué)科中三角函數(shù)和幾何部分的知識,物理學(xué)科中場的理論、微觀粒子、宏觀天體,化學(xué)學(xué)科中分子結(jié)構(gòu)、化學(xué)反應(yīng)的微觀本質(zhì),生物學(xué)科中生物的組織結(jié)構(gòu),地理學(xué)科中空間方位和范圍的識別,等等。教師在講解這些知識點時頗費口舌,但有的學(xué)生仍聽不明白。分析原因,這與學(xué)生的空間想象能力欠缺有關(guān)系?;诖?,在3D建模教學(xué)中,引進其他學(xué)科的典型空間概念模型作為素材,讓學(xué)生在3D建模軟件上構(gòu)建出來,學(xué)生能將所學(xué)學(xué)科的定理、公式、概念與3D模型進行有機結(jié)合,幫助學(xué)生加強對學(xué)科要點的理解與應(yīng)用,提高學(xué)科教師的課堂教學(xué)效率。應(yīng)用過程也能培養(yǎng)學(xué)生的靈活應(yīng)變能力,激發(fā)學(xué)生的空間想象能力,落實對學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)。

三、賽事補充,在實際應(yīng)用中鍛煉

指導(dǎo)學(xué)生參加各種賽事,充分體現(xiàn)了STEM的教育理念。STEM教育理念是科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)的有機融合而不是簡單組合,是要學(xué)生把碎片化的知識與技能進行整合,達到解決實際問題的目的??茖W(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)在交互中相互補充,在碰撞中相互支撐,學(xué)生才能在學(xué)習(xí)活動中真正培養(yǎng)起各方面的認識和能力。通過指導(dǎo)學(xué)生參加各種賽事,在實踐中鍛煉了學(xué)生的空間想象能力、物化能力、創(chuàng)新能力。特別有幾個項目如“3D復(fù)原校園標(biāo)志建筑物眾籌項目”“一種學(xué)生專用的新型電子口罩研究”“一款STEAM類課程的學(xué)具——個性鋼琴”,都利用了3D建模方式,構(gòu)造了創(chuàng)新項目的結(jié)構(gòu)配件。3D建模讓學(xué)生學(xué)會把頭腦想象的結(jié)構(gòu)在電腦軟件中體現(xiàn)出來,這無疑是空間想象能力的正向表現(xiàn),同時也是電腦3D結(jié)構(gòu)對空間想象能力的反向促進,使得學(xué)生創(chuàng)造性地進行學(xué)習(xí)活動的能力大大增強??梢钥闯?,培養(yǎng)空間想象能力能在一定程度上培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)造力。

總之,在STEM理念下,不論是從落實學(xué)科素養(yǎng)的需要,還是從促進學(xué)生創(chuàng)造力提升的角度來說,加強對學(xué)生空間想象能力的培養(yǎng)都是至關(guān)重要的。一線教師要發(fā)揮自己的主導(dǎo)作用,強化學(xué)生的主體作用,立足學(xué)科教學(xué)特點,通過多樣的教學(xué)形式、教學(xué)情境來激發(fā)學(xué)生思維,讓學(xué)生在日常學(xué)習(xí)中得到能力的鍛煉。強大的空間想象能力一旦形成,對學(xué)生后期的學(xué)習(xí)及至今后走上工作崗位都是很有幫助的。

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