浅谈3D打印对学生创新能力的培养

倪勇

进入21世纪，教育的本质已经由知识的积累转向创新创造，以智能制造为方向的创新能力培养已经成为教育的共识。目前，创客教育在我国中小学正在逐步普及，其中3D打印已经走进中小学课堂，成为培养学生创新能力的重要课程。在开展3D打印教学活动中，需要考虑如何培养学生掌握基本的3D建模技能，灵活运用形体相融法构建复杂实体，同时搭建多种学习平台，多方位推进实施，培养适应时代发展要求的创新型人才。

一、掌握基本建模技能，夯实创新的基础

熟练掌握基本的3D实体建模技能，是信息化时代培养学生创新制造能力的基础。世间万物都是由基本的形体组合而成，点组成线、线组成面、面组成实体。培养学生对基本形体的概括能力，要通过恰当的引导、正确的训练，才能夯实学生创新的基础。

1.基本形体建模提高形体概括能力

常用的3D打印建模软件123D、3DONE等都提供了多种基本建模的几何形体，如立方体、球体、圆柱体、圆锥体、圆环体、楔形体、棱柱体、锥体、半球体等。每种基本形体的特点都很分明，在现实生活中很容易就能找到对应的实体，如盒子、房子、箱子是立方体，各种球类是球体，金字塔是棱锥体，笔尖、冰淇凌筒是圆锥体等。在教学中，教师要善于引导学生对形体进行概括，培养学生对基本形体的概括和运用能力。

2.拉伸生成建模促进平面立体关系的理解

拉伸生成建模方式是利用空间的延伸性对绘制的平面图形进行立体扩展，可培养学生由平面向立体的形体转换能力。这种建模方式的技巧取决于绘制平面后形体拉伸的高度及方向，拉伸的形态决定了成型的效果。如创建一个截面不规则的杯子，可先绘制出杯子的截面后再进行拉伸，由平面向立体转变，完成形体创建。这种方式可帮助学生更好地理解平面与立体的关系，培养学生的空间想象力。

3.旋转生成建模提高对称形体的理解能力

旋转生成建模方式是用平面图形围绕旋转轴旋转一定角度创建立体，能培养学生对中心对称形体的理解和创建能力。生活中有很多美妙的中心对称物体，如花瓶、酒杯、圆形器皿等。这些物体用基本形体的造型方式难以完成设计需求，却适合用旋转建模的方式生成。在建模时，可以先绘制出要设计形体的半截面封闭图形，再绘制中心对称线，通过旋转法可以快速生成对称形体。这种方式能很好地培养学生对空间形体的生成能力，实现由二维平面图形向三维立体的转化。

二、掌握形体相融法，促进创新能力形成

单纯的建模方式适合创建简单的基本形体，当面对复杂的组合形体时，就需要用到形体相融法。形体相融法是对复杂形体进行分解，运用基本形体之间的“加法”“减法”或“混合运算”等组合方法，通过多种组合完成复杂形体的创建。这一过程能有效培养学生的形体概括能力，促进学生综合形体构建能力的提升。

1.运用形体相融的“加法”完成组合形体的生成

形体相融的“加法”是用多种基本形体进行组合，创造出设计者所需要的形体。生活中可见到多种组合形体，要引导学生熟练地运用形体设计的“加法”生成所需要的组合形体。如一串球体能组合出一个手链，长的圆柱体和圆锥体能组合出一支铅笔，掏空的圆柱体加上半圆环能组成一个杯子。形体相融的“加法”在3D打印建模中应用较多，通过形体组合能创造出各种复杂的物体。

2.运用形体相融的“减法”促进相融形体的生成

形体相融的“减法”，是由两个或两个以上的形体在相融过程中产生的相减形体，是形体设计能力的进一步提升。如大圆柱体减去小圆柱体生成空心的容器，大半球减小半球得到空心的碗等，还可以有多个形体的相融。形体相融的“减法”能很好地开拓建模的思路，它是3D打印建模的另一个精彩的世界，能实现造型奇特的创意，丰富设计思路。

3.运用形体相融的“混合运算”实现复杂形体的生成

生活中的形体，往往很难简单地拆分成标准的基本形体，也不是以简单的加或减的方式组合而成的。很多形体以一种基本型的方式呈现出来，但是在细节方面的结构却非常复杂，这时就需要用综合的方法去分析概括形体的组成，运用形体相融的“混合运算”去交织、融合、分解、组合，以达成建模需求。因此，3D建模造型中形体相融“混合运算”能力才是最需要掌握的能力，是建模能力的综合体现。形体相融的“混合运算”是形体设计创新的灵魂，是3D打印建模能力的精髓。

三、搭建多种平台，助推创新能力飞跃

为全方位地促进学生创新能力的飞跃，需要培养学生基础建模、灵活分析形体的构造、用基本形体去概括复杂形体的能力。而这需要搭建平台，并进行系统训练，其中也包括组织竞赛活动、建设充满创新氛围的校园文化。

1.开设3D打印社團活动课程，以平台促发展

3D打印社团活动课程，可为学生提供学习交流的平台，能够有计划、有目标地组织学生实施训练，以平台促发展。如笔者所在学校开设了内容丰富的3D打印活动课，由教师指导学生接受系统的学习，并且师生利用学习平台进行思维的碰撞与交流，在实践中协作与互助。良好的学习平台和系统的课程，为学生创新制造能力的发展奠定了基础。

2.组织参与相关的创客竞赛活动，以竞赛促提高

以智能制造为方向的3D打印，已经深深地融入了各类青少年创客竞赛活动。学生创新能力的发展，除了掌握相应的知识技能外，更重要的是在活动中提升，在竞赛中锻炼。参与创客类的3D打印赛事，能有效助推学生创新应用能力的提升，而且各类竞赛活动对学生的综合能力也提出了更高的要求，能够锻炼学生的心理素质，培养学生良好的集体协作能力，使其积累比赛经验，在享受比赛的过程中更好地成长。

3.营造良好的科技创新校园文化，以文化促熏陶

良好的育人环境对培养学生兴趣爱好、促进学生能力提高发挥着重要作用。为此，学校可营造良好的科技创新校园文化，让每一面墙、每一扇窗、每一个橱窗、每一级台阶都能“说话”，让学生在科技创新的氛围中潜移默化地接受熏陶，使创新的种子在学生的心中生根发芽。

3D打印在创客教育中扮演着重要的角色，已经成为培养学生创新能力的重要手段之一。教师需要在教学中不断探索与实践3D打印教学的方式与方法，更好地培育符合时代需要的创新型人才。

参考文献（编者略）

（责任编辑   郭向和）