3D CAD支持中学生创造力和空间能力发展的实证研究 *

孙江山，林立甲，任友群

(1.华东师范大学 教育信息技术学系，上海 200062；2.华东师范大学 心理与认知科学学院，上海 200062；3.华东师范大学 课程与教学研究所，上海 200062)

3D CAD支持中学生创造力和空间能力发展的实证研究 *

孙江山1，林立甲2，任友群3①

(1.华东师范大学 教育信息技术学系，上海 200062；2.华东师范大学 心理与认知科学学院，上海 200062；3.华东师范大学 课程与教学研究所，上海 200062)

空间能力是个体能力发展的重要部分，创造力被认为是从事STEAM领域工作应具备的重要能力。3D CAD已广泛应用于概念原型和创意设计的三维特性的可视化表征。该文结合当前中学的3D打印与创意设计课程学习，探索性实证分析3D CAD学习与中学生空间能力和创造力发展的关系。研究结果表明：3D CAD学习能增强空间能力，特别是空间想象力，3D CAD学习中空间能力与创造力之间有正相关关系。3D CAD学习对创造力表现有积极影响，并且3D CAD学习对空间能力和创造力表现的影响存在性别差异。在当前跨学科、项目引领的3D CAD支持的STEAM创新能力教育项目建设与实践中，除考虑科学、工程与技术核心概念与准则的教育外，要重点关注培养学生的空间能力，提升学生的创造力表现；可以将3D CAD融入到学校课程体系实现普及和常态化，在新一代信息技术支持的跨学科、项目学习引导的创新学习环境中，探索STEAM教育的技术应用创新、教学模式创新及教学实践创新。

3D CAD；空间能力；创造力；STEAM；创新能力教育

一、引言

空间能力是指个体对客体或空间图形在头脑中进行识别、编码、贮存、表征、分解/组合和抽象/概括的能力， 主要包括空间观察、空间记忆、空间思维和空间想象等能力因素[1]。空间能力结构中起主要作用的因素是空间想象力(Spatial Visualization)[2]。中学生空间能力结构中主要包含的图形分解/组合能力、心理旋转能力、空间定向能力和空间意识能力都属于空间想象能力的范畴，在中学生空间能力结构中起着最主要的作用[3]。STEAM领域中包含有许多具有空间能力特性的学科内容，空间能力被认为是技术与工程教育中个体能力发展的重要部分，特别是在早期先修课程中能提升教学效果[4][5]。已有研究认为空间能力与工程、数学和科学等学科教育存在正相关，例如空间能力影响学生的化学学业水平中的问题解决能力和形象化表达能力(Mental Image)[6]。在与空间认知密切相关的机器人教学活动中，中学生取得了基于空间想象能力之上的数学关系形象化表达能力和空间思维能力的提高[7]。有证据表明：在中学教育阶段，STEAM相关学科的学业水平存在明显的性别差异，如数学和科学的学业成绩高的男生明显多于女生[8]，在工程科技、信息与计算机科学等工程技术相关课程取得学业成就的男生明显多于女生[9]。有研究发现在高中生的空间想象力和几何学业水平上存在性别差异[10]。也有研究在高中生的空间想象力和化学学业水平上未发现存在性别差异，但都有明显的提高[11]。

创造力是认知、社会和情感活动的重要组成部分。它以新颖的独创性的想法和构思来表征，个性创造力表现具体包括创造性认知行为和创造性情意行为。创造力和理解、运用已有知识产生出某种新颖、独特和有价值的创意和产品的创造性思考活动紧密相连的。创造力被认为是技术与工程领域的工程师和设计师应具备的重要能力，是整个产品创新设计过程的关键，特别是在初期的概念原型设计阶段。

当今三维计算机辅助设计(3D CAD，3D Computer-aided Design)已广泛应用于概念原型和创意的三维特性的表述，更灵活和直观的3D CAD通过提供交互式的可操控的三维信息强化了逼真的空间感知。在3D CAD支持的任务协作情境中，更需要创造性思维和创造性地问题解决能力的表现[12]。这使得工程师和设计师的产品设计效率和品质越来越高，特别是在创意交流和创新制造初期表现突出。

通过有效的学习可以提高空间能力，主修与空间能力密切相关的学科和参加计算机辅助设计课程及培训的学生空间能力提升尤为明显[13]。有研究表明3D CAD提高了学生的审美能力，增强了学生的创造性表现[14]。但有研究也认为3D CAD会阻碍新手的创造性思维活动[15]。

随着信息化教育改革的推进，在面向不同专业教育(科学、工程与技术教育)和不同学段(小学、初中、高中、大学)的制图课程中3D CAD所占比重越来越高，3D CAD支持的创新教育的影响需要更多的实证研究的支持。本文将在上述已有研究基础上，结合当下中学的STEAM教育实践，探索性实证分析3D CAD与中学生创造力和空间认知能力发展的关系，重点关注在中学生空间能力和创造力培养方面，3D CAD学习有无效果，是否存在性别差异，并依据研究考虑如何通过3D CAD支持的创新教育设计来实现科技创新能力的提高。

二、研究设计与实施

(一)研究对象

上海市闵行区一所科技教育示范中学的48名六年级和七年级中学生参与了实验研究。3D打印与创意兴趣班的24名中学生作为实验组，除5名没有完成整个测试外，实验组包括12名男生(63%)，7名女生(37%)；来自六年级和七年级的24名中学生作为对照组，包括18名男生(75%)，6名女生(25%)。

(二)测试工具和材料

本研究采用了心理旋转测试PSVT：R和威廉斯创造力测试(CAP)。

空间能力测验与其应用研究中多采用心理旋转测验(Mental Rotation Test，MRT)来测量个体空间能力差异的表现。心理旋转指的是人们想象出物体以某种角度旋转后的形状表征，是一种持续的空间操控能力认知过程。空间操控测验的测验材料种类包括实物照片、人工合成图形、二维图形和三维图形等。心理旋转测试PSVT：R(the Purdue Spatial Visualization Tests: Visualization of Rotations)是测试个体对空间旋转后的物体的分辨能力。该测试由30道题目组成，采用的是可围绕多个轴旋转的三维图形，通过研究物体是如何旋转的，想象出目标物体按照完全相同的方式旋转后呈现的位置形状表征。

威廉斯创造力测试(Creativity Assessment Packet，CAP)用于测量个体的创造性倾向。《创造性思维活动测验》包含12幅待对已有线条填充的图画，通过图形创意设计测量被试的创造性认知行为的相关指标，包括新颖性、流畅性、变通性、开放性、标题和精致性等。本研究测量被试中学生时选取了三项指标，即新颖性、流畅性、变通性。《创造性思维倾向测验》是三点自陈量表，有50道题目，可测量创造性情意行为特质的相关指标，包括好奇心、想象力、挑战性和冒险性四项。

(三)施测程序

对参与实验研究的中学生进行了心理旋转测试PSVT：R和威廉斯创造力测试(CAP)，并采用纸笔测验进行等组前后测试。实验组的中学生选修了3D打印与创意设计校本拓展课，3D打印与创意设计课程教学设计如表1所示，在第二单元的3D CAD模块中，包含了每周2课时，4周共8课时的课程学习。对照组的中学生除没有参与3D打印与创意课程学习外，其他课程学习与实验组的中学生完全相同。研究数据使用PASW Statistics 18.0进行统计分析。

表1 3D打印与创意设计课程的教学设计

三、研究结果

(一)3D CAD对空间认知能力培养有积极的影响并存在性别差异

独立样本t检验结果显示学习3D CAD课程的实验组的心理旋转高于对照组，t=-1.81，p ＜ .10，d = .52。以性别为组间自变量、测试时间为组内自变量、空间认知能力前后测分数为因变量的两因素混合方差分析结果(如表2所示)显示，学生在学习3D CAD课程时性别差异对空间认知能力影响分析中，男生和女生存在性别差异的主效应，其他主效应和交互作用不显著。配对样本t检验结果显示学习3D CAD课程对男生的空间认知能力培养有统计意义上的显著影响，心理旋转有明显提高，并且在学习3D CAD课程后，男生的空间认知能力有统计意义上的明显优势(如表3所示)。

表2 学习3D CAD课程的空间认知能力前后测Univariate结果

表3 学习3D CAD课程的空间认知能力前后测配对t检验结果

(二)3D CAD对创造力培养有积极的影响并存在性别差异

配对样本t检验结果显示学生学习3D CAD课程对创造性思维活动的变通性有统计意义上的显著变化，变通能力有明显提高(如表4所示)。以性别为组间自变量、测试时间为组内自变量、创造性思维活动前后测分数为因变量的两因素混合方差分析结果显示，学生在学习3D CAD课程时性别差异对创造性思维活动影响分析中，男生和女生存在性别差异(如表5所示)。同时，学生在学习3D CAD课程时性别差异对创造性思维活动的流畅性影响分析中，男生和女生在流畅能力上存在性别差异(如表6所示)。

表4 学习3D CAD课程的创造性思维活动前后测配对t检验结果

表5 学习3D CAD课程的创造性思维活动前后测Univariate结果

表6 学习3D CAD课程的创造性思维活动的流畅性前后测Univariate结果

(三)3D CAD对不同空间认知能力的学生的创造力培养存在差异

通过协方差分析ANCOVA来比较不同空间能力(低空间能力、普通空间能力和高空间能力)的学生在新颖性、流畅性和变通性上是否有差异。统计结果显示，3D CAD对不同空间认知能力的学生的创造力培养存在差异，创造性思维活动的新颖性明显存在差异，创造性思维活动的变通性明显存在差异。事后检验的结果表明，在创造性思维活动上高空间认知能力的学生和普通认知空间能力的学生无明显差异，低空间认识能力的学生的新颖性明显低于普通的空间认识能力的学生(如表7所示)。

表7 学习3D CAD课程的不同空间认知能力的学生的创造性思维活动ANCOVA检验结果

四、讨论分析

(一)3D CAD学习中空间能力差异对创造力表现有影响

研究数据结果显示3D CAD学习能增强空间能力，特别是空间想象力。同时也发现低空间认知能力的学生的创造力表现明显偏低，这一定程度上验证了创造力与空间能力之间是正相关关系[16]。神经心理学研究支持空间能力对创造力会产生影响[17]，STEAM领域的相关研究认为空间能力是学生创新能力表现的重要影响因素。3D设计的创造力表现需要具备相当空间能力，由于空间能力高的学生在3D CAD设计中知道如何运用构成对象的不同组件间的空间关系，这让他们在产品创意设计与制作活动中的创造力表现更突出。

(二)3D CAD学习对创造力表现有积极影响

研究数据结果表明3D CAD对中学生的创造力培养有积极的影响。3D CAD无论是对有经验还是缺乏经验的使用者都有积极地影响到创造性思维活动和问题解决能力的可能。3D CAD在增强中学生创造力表现的审美能力方面尤为突出[18][19]。有的研究认为使用3D CAD会有助于激发内在动机和团队协作，从而提升创造力，在时间有限的情况下实现甚至超越预期的任务要求[20]。

(三)3D CAD学习对空间能力和创造力表现影响有性别差异

研究数据结果表明中学生在学习3D CAD时空间能力和创造力表现提高有明显的性别差异。而且空间能力的性别差异主要体现在心理旋转方面，特别是在低空间能力的学生中[21]。有的研究发现中学生在科技创作过程中创造力表现出显著的性别差异，男生表现出较高的创造性情意倾向，女生则表现出较高的创造性认知[22]。研究分析认为在空间观察方面，男生倾向关注整体空间信息，女生倾向分析细节，在空间思维方面，男生倾向使用的非语言模式思维，女生则倾向语言模式思维，完成测试空间任务所采用的空间策略不同体现了空间能力性别差异，并显示出了男生的空间能力优势。但在空间任务复杂的情境下，需要采用混合空间策略的空间想象力的性别差异并不显著[23][24]。

五、结论与建议

以上研究为基于3D CAD的STEAM创新能力教育实践探索引入新的视角和思路，即在考虑科学、工程与技术核心概念与准则的教育外，更要重点关注培养学生的空间能力，提升学生的创造力表现。可以将3D CAD融合到学校课程体系实现普及和常态化，但会面临一系列涉及学习空间、师资、课程资源以及实践活动的问题和挑战。结合中小学开设的选修课，甚至是兴趣班或社团，可以将3D CAD融入新一代信息技术支持的跨学科、项目学习引导的创新学习环境中，探索STEAM教育的技术应用创新、教学模式创新及教学实践创新。

(一)3D CAD支持性别差异化空间能力培养

科学、工程与技术教育中的图学教育目标之一是提高学生的空间能力。实物制作、传统手绘制和3D CAD都能增强空间能力[25-27]。可以在教学设计实践中搭建一系列基于3D CAD的图形和非语言形式的学习支架，促进学生的主动学习，通过图形化表达和知识建构协助差异化空间能力培养[28]。特别值得一提的是，人们普遍认为在科学、工程与技术专业领域男生会比女生有更好的表现，这导致女生不太喜欢科学、工程与技术甚至于妨碍了她们在这些领域中的表现，社会角色职能的分工使得男生和女生经历了不同空间特性的活动，男生和女生所经历的不同空间活动经历是产生空间能力差异性的重要原因之一[29]。为了更好地实现性别差异化空间能力培养，需要在基于3D CAD的知识建构学习活动设计中，创设体现男女不同空间认知特性的任务情境，比如男生倾向于机械或电子制造的空间结构设计，女生倾向建筑和人形模型的空间结构设计。

(二)3D CAD助力创新能力培养

3D CAD能增强学生空间想象力的提升，也可作为学生创新能力表现的可视化工具。3D CAD的建模特性能强化学生创造性设计表现，比如机械产品的功能性，或工艺品的精致性等。文献研究和案例分析证实学生的创新能力发展与3D CAD应用之间有关联，随着3D CAD引入应用，学生的创新能力有明显提高[30]。3D CAD支持学生创作并分享产品的互动式教学不会让学生的学习更轻松，但是会让创新学习更有效。相关案例研究发现合理利用3D CAD在增强可视化表达与交流、限制性思维与创造性思维互动方面有明显作用[31]。3D CAD支持的各种“做”中学活动，在“学”与“做”的循环迭代中，让学生的想法转化成为三维数据模型，实现真正完整的创造者学习体验。

(三)3D CAD支持的STEAM创新能力教育设计

作为跨学科、项目引领的STEAM创新能力教育实践，目前中学主要是开设综合实践活动课程或校本拓展课程，引入新兴ICT技术进行科技创新能力培养模式探索。当前中学STEAM创新能力教育实践项目的主要形式包容了不同社会文化背景个体DIY制造的创客空间，面向正式学习环境的科学探究与工程教育项目的创新实验室，以及融合技术与工程到各个学科的STEAM课程，这些STEAM创新教育实践项目的最大共通点，是在工程教育模式CDIO(构思—设计—实现—运作)中，利用3D打印机、激光切割机等智能数字化设备实现原型创造，而关键环节是要能有效利用3D CAD，将学生的创意转化为3D数据模型。其中代表性项目有美国的项目引路计划和Fab @ School，配备3D打印机等桌面制造设备以及3D CAD建模工具，以方便学生利用这些技术进行科学探究，相关项目已经扩展到包括中国在内的世界各地[32-34]。据此，将3D CAD融入到学校课程体系实现普及和常态化，可以有三种形式:一是在信息技术、劳动与技术等综合实践活动课程中开设3D CAD模块，支持3D打印、虚拟现实等新一代信息技术作为学习内容引入以及作为工具应用；二是开发基于3D CAD的校本拓展课程，探索可行的教学策略以普及和提高学生对创意与设计的兴趣，在科学、工程与技术教育实践中做到有效的应用3D CAD，支持学生创新能力培养；三是结合STEAM教育项目实践，利用3D CAD创设一个任务驱动的互动创新学习环境，让学生在解决实际问题中体验“设计思维”，经历构思、设计、建造、探究和协作的设计过程，掌握工程教育的核心概念和准则，促进学生创新能力等高阶思维的发展。

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An Empirical Study of 3D CAD Effects on Developing Spatial Visualization and Creativity for Secondary School Students

Sun Jiangshan1，Lin Lijia2，Ren Youqun3
(1.Department of Education Information Technology, East China Normal University, Shanghai 200062; 2. School of Psychology and Cognitive Science, East China Normal University, Shanghai 200062; 3.Institute of Curriculum and Instruction, East China Normal University, Shanghai 200062)

Spatial ability is an important part of individual cognitive abilities. Creativity has been shown to be vital for success in STEAM (Science, Technology, Engineering, Math, Art) and other technological fields. 3D CAD has been widely used in the Threedimensional presentation of concept prototype and Creative Design. Along with samples of students’ work illustrating the progression of Spatial Visualization and Creativity development in school-based course called “3D Printing and Creative Design”, we explore the effects of the learning of 3D CAD on secondary school students’ spatial visualization and creativity. Results of the study suggest:the learning of 3D CAD can enhance spatial abilities, particularly spatial visualization. There exists significant positive correlation between Spatial Visualization and Creativity. Students’ spatial abilities were significantly improved by the learning of 3D CAD, and gender differences affect students’ creative performance and spatial ability. The aims of implementing the project-based learning approach and interdisciplinary program in STEAM fields is not only to teach core concepts and principles of science, engineering and technology, but also to develop student’s spatial abilities and improve students’ creative performance. In order to explore the innovation of technology application, teaching mode and teaching practice with enhanced engagement experiences on the next generation of information technology, we dedicated to integrate 3D CAD into the normal education of schools as well as opportunities for interdisciplinary, project-based learning.

3D CAD; Spatial Visualization; Creativity; STEAM; Creativity Development

G434

A

孙江山：在读博士，讲师，研究方向为新兴技术教育应用、学习科学(jssun@deit.ecnu.edu.cn)。

林立甲：博士，讲师，研究方向为技术支持的学习与教学(ljlin@psy.ecnu.edu.cn)。

任友群：教授，博士生导师，研究方向为教育技术、学习科学、课程与教学论(yqren@admin.ecnu.edu.cn)。

2016年8月6日

责任编辑：宋灵青

1006—9860(2016)10—0045—06

* 本文系2013年度上海市教育科学研究重大项目“现代信息技术对教育教学的重大影响研究”(项目编号：D1304)的研究成果。

① 任友群为本文通讯作者。