王欢

【摘 要】 基于inventor的3D创意课程可以使学生不拘于泥传统的加工方式，更加高效地进行创意设计和制作，并不断进行改进，最终实现作品。在此课程中，使学生创新素养各个方面得到一定的锻炼，促进其全面发展。

【关键词】 inventor；3D打印；创新素养；课程设计；教学实践

【中图分类号】 G632.4 【文献标识码】 A 【文章编号】 2095-3089（2016）36-00-02

引言：

请问乔布斯是创新人才么？答案肯定是！马云建造了庞大阿里巴巴帝国，市值上千亿，请问他是创新人才么？无疑也是！那问题出来了，他们的创新素养是培养的结果么？肯定不是！人本身生来就具有创新素养，就像一片沃土需要开发出来。

高中生的创新素养包括创新人格与创新能力。创新人格由创新意识、创新情感、创新意志组成。创新能力则由创新思维、创新技能、创新知识组成。围绕着这众多的成分， 能否设计一门课程， 让学生在参与这门课程的学习过程中， 创新素养的诸多方面都得到较为全面的开发？[1]而当下越来越成熟的3D打印技术和相关的三维设计软件为此提供了一个契机。

3D创意设计课程是以三维设计软件和3D打印机应用为主的课程。此课程以专业三维设计软件的学习为基础，学生根据设计要求进行探究式设计，并应用3D打印机将设计模型实体化的学习过程。3D打印技术以及相关设计软件应用于教学活动可以为师生提供充足的互动空间，通过设计任务调动学习者的参与积极性，利用软件进行设计测试，最终利用3D打印机制作模型进行验证，实现对整个设计过程的深刻反思。教师从知识权威转变为学习者学习的促进者，引导学习者应用習得的知识来解决“现实”问题。[2]让虚幻的知识、想象和设计，转化为实实在在的、可见的三维模型和实物。

一、inventor软件和3D打印概述

1、Inventor 简介

现在的3D设计软件很多，一些软件上手容易但是功能简单，一些软件虽然能完成较复杂的设计但是学习困难，结合以上一些考虑我校使用inventor软件进行教学。

inventor是美国AutoDesk 公司于 1999年底推出的三维参数化实体模拟软件。Inventor 软件被广泛应用在机械设计、工业设计、辅助制造等领域。inventor的草图技术、直接建模、零件造型、扳金技术、工程图和表达视图动画等。该软件界面简单、人机交互功能好，具有很强的实践性，已经在社会上的许多领域中得到了广泛应用。而中学生本身的特点是没有相关学习基础，由于是选修课缺少学习的耐心，Inventor功能强大，容易上手，所以很适合学生学习。[3]

2、3D打印技术简介

“3D打印技术 （3D Printing） ” 起初仅是纵多 “快速成形技术（Rapid Manufacturing） ” 分类中的一种。随着快速成形技术在全球各行业中的持续升温， 为了便于理解和推广，传媒界及民用领域普遍将快速成形技术形象的统称为“3D打印技术”。其技术原理是，先在计算机中生成零件的三维实体模型，然后将模型按一定厚度分层切片，即将零件的三维形状信息转换成一系列的二维轮廓信息，最后在数控系统的控制下，通过喷头的精确运动可逐层成形目标零件。这种基于“增材制造 （Additive Manufacturing）”的原理是制造技术发展史上革命性的进步，该方法与传统的材料去除加工法截然相反，通过增加材料即可直接制造与相应数学模型完全一致的三维物理实体模型。[4]

二、基于inventor的3D创意课程开发学生创新素养的科学性

1、体验学习理论

体验学习理论认为教育的目标是在知识获得的过程中激励质疑和锻炼技能，而不是去记忆知识本身，学习是体验的转换并创造知识的过程。杜威曾经说过，社会知识是先前人类文化经验的客观积累，而个体知识是个人主观生命经验的积累，知识就是在被称为学习的过程中实现客观经验与主观经验之间的转换，即“做中学”。[6]

inventor设计软件可以快速呈现设计者的创意，并模拟现实的应力分析和运动，生成的文件可直接用于3D打印生成实物。这种学习过程，使学生以项目为引导，应用inventor设计软件和3D打印机为媒介，与已有的知识经验建立联系，在团队协作中完成学习过程。

2、经验之理论塔

“经验之塔”是由美国视听教育家戴尔在《教学中的视听方法》中提出的，该理论把学习内容划分为三个大类的经验：做的经验、观察的经验和抽象的经验。 [2]

Inventor和3D打印机可以让学生的抽象设计转变为具体实物，获得“做的经验”；学生要设计必须仔细观察生活环境，得到启发进而进行创意，并将创意立体化为三维实物，获得“观察的经验”；同时学生还需要将自己的作品展现在他人面前，做语言类的解释和交流，并对相关领域进行进一步的探究学习，获得启发完善作品，提高思维能力，获得“抽象的经验”。

三、基于inventor的3D创意课程教学实践研究

1、教学对象的改变

“all men are created equal”，人生而平等，却生而不同，我们不得不承认学生个体的差异化。而教育的一个主要功能是确立学生学习态度和学习目标，使学生树立正确的学习态度，激发他们的求知欲，提高他们有效的学习技巧（体验学习）。基础教育针对所有学生，但是由于个体的差异，所有学生使用相同的教学内容和方式显然是不妥当的。

我校开设了多门不同的科艺专项课供学生进行自由选择，学生首先根据自己的兴趣和爱好选择专项课程。每门课选课人数在20人左右，小班化教学保证了教学质量，同时通过选课制作将学生进行了划分，这部分学生在兴趣、特长趋于同质，利于具体专项课的展开，教师研究这一小部分学生的需求即可。

2、开放的课堂环境，引导学生进行自主创意。

创意源于发现问题，问题源于自己的本能，但随着年龄的增长，生理和心理特征因素，特别是受后天的环境影响，将这种本能逐渐隐性化。我们发现，三年级以前的孩子，每天都有问不完的问题。可进入高中的课堂基本上没有学生问题的存在。所以首先要让学生处于一个相对轻松开放的课堂环境，让他们“发现问题”的本能显性化。

头脑风暴的方式是比较有效的方法。头脑风暴何以能有效激发创新思维？1、联想是产生新观念的基本过程，每提出一个新的观念，都能引发他人的联想。2、在不受任何限制的情况下，集体讨论问题能激发人的热情。3、人类有争强好胜心理，在有竞争意识的情况下，人的心理活动效率可增加50%或更多。4、头脑风暴法有一条原则，不得批评仓促的发言，甚至不许有任何怀疑的表情、动作、神色。这就能使每个人畅所欲言，提出大量的新观念。

案例一：课堂片段——创意的重要性

师：我们今天的课就是从问题开始的，首先看第一个问题！（ppt播放问题一：什么可以让一个人的一次性盈利超过14亿？）

（学生七嘴八舌地讨论起来）

生A：做生意！

生B：炒股票！

生C：抢银行！（其他同学纷纷大笑）

……

师：下一个问题！（老师并没有指责答“抢银行”的学生，而是继续提问：什么可以让一家公司的一次性盈利超过100亿？）

生：（学生依旧热烈讨论着，略）

师：下一个问题！现在国外企业主要通过什么掠夺我国财富？

（学生的表情开始凝重起来，认真思考）

生：科学技术

生：专利！（几位学生不约而同地回答，其他同学恍然大悟）

3、项目引导，任务驱动

项目学习（Project-baseD Learning，简称PBL）指的是一套能使教师指导学生对真实世界主题进行深入研究的课程活动，具体表现为构想、验证、完善、制造出某种东西。在inventor 3D创意课程中，学生主动学习研究完成项目所需的多个学科领域的概念和原理，并在一定时间内解决一系列相互关联着的问题的一种新型的探究性学习模式。

1）学期項目制

A、自由项目制

学期伊始每位学生确立自己的课题项目，搜集相关资料，并学习掌握完成项目所需要的技能。第一学期由于学生刚刚接触这门课程，没有技能基础，所以我们给学生的课题范围是开放式的，学生自由选题，并最终根据自己的技能水平制作出相应的作品，可以复杂也可以简单，只要能体现自己的设计创意即可。[5]

创意是没有约束的，但是创造实践很快就会把学生拉回现实，这个创意我能做的出来么？做出来有实用价值么？学生在不断制作的过程中修正自己的设计，否定那些不切合实际的想法，最终的设计既要新颖，同时还要经得起推敲，而且这个实用价值不是学生自己说的算的，期末每位学生会展示并介绍自己的作品，其他学生会根据新颖和实用性等方面进行提问，不通过问答环节还要继续完善作品。

案例二：学生第一学期的创意作品举例

B、命题项目制

由于学生已经掌握一定的设计技巧和技能，第二学期会结合相关竞赛进行命题项目制。命题项目相对自由项目会提高难度，由于要参加比赛，项目的新颖性、科学性、实用性都要考虑得更加全面，同时根据比赛设置短期课堂和长期课题。

例如，在历届上海未来工程师大赛中都有一项“计算机三维设计”，每届都有一个设计主题。学生根据设计主题确立一个短期课题，设计一个相关作品参加比赛。

案例三：2014年“上海市未来工程师”一等奖获奖作品

例如，在全国中小学电脑制作活动中有高中组3D创意设计项目，每届都有一个设计主题。学生根据设计主题确立一个长期课题，如果学生进入市赛和国赛，长期课题往往要持续半年甚至更长时间，不拘泥课堂，学生需要投入更多的精力和时间，学校也会给学生提供相关指导。

案例四：2014年全国中小学电脑制作活动高中组3D创意设计项目全国二等奖作品

作品名称：Smartwave

设计要点：设计结构、雾霾吸收技术、驾驶技术、多种传感系统、汽车云技术、汽车能源技术、汽车娱乐技术、汽车商务办公。

2）课课项目化

设计中创意固然重要，但是也无法脱离具体的软件操作。软件学习过并不是简单快乐，而是枯燥艰难的，例如inventor软件虽然入手比较容易，但是真正运用得心应手还是需要付出一定的努力。

目前Inventor教材大都是基础教程，单独讲命令使用，范例较少，不利于学生兴趣的培养。根据这一情况根据每节课所要讲解的命令要点，设计相应的教学案例。案例基本都是学生熟悉的生活常见用品，既熟悉又亲切。同时下节课的案例再在此基础上继续深入学习，这样循序渐进，帮助学生建立自信心。

在软件教学过程中，多数以教师演示学生操作练习的方式为主，而这样学生的自主性较差，由于学生之间的接受程度不同，一些学生感觉教师讲解太繁琐，另外一些学生则吃不透，影响课程进度。基于此种情况，教师在明确一节课的项目任务后，下发学习资料，包括文本和视频，以视频教程为主，给予学生更多的空间和时间自主学习，根据自己的实际情况学习，有疑问寻求同学和教师的帮助，群体性问题、重难点教师集中讲解的方式以达到教学目标。

案例五：课堂练习作品举例

4、使用inventor的应力分析功能进行大数据分析探究

学生项目以模型设计居多，但要将设计真正应用不可避免地要进行具体测试，也就是应力分析。在inventor中集成了著名的ANSYS公司的有限元分析模块（Stress Analysis）的子集，它的应力分析功能是在Inventor零件环境（普通零件、钣金零件）的模型上使用添加工况后，计算应力应变、估算安全系数和频率特性…

应用此模块以可在设计过程随时对零件进行静力学基本分析和动力学的模态分析。软件模拟可以快速取得大数据信息，学生通过对数据的分析取得相对较优的设计模型，在这样一个信息爆炸的时代，让学生接触数据分析，掌握基本技能和思维方式非常必要，实现从数据到信息，到知识，最终到智慧的转化。

不仅如此，使用这个方法还可以指导其他加工模型方式，例如每届未来工程师大赛都有桥梁称重项目，通过此软件设计桥梁结构，并使用应力分析方法进行测试，极大地提高了效率。

四、结束语

愈来愈多的国家和地区开始重视3D打印在教育领域的应用，并开始探索着这方面的研究，例如美国英国早已经做过相关尝试。不过由于3D打印技术成本、材料等问题，走进课堂还需一段时间，但是三维设计软件却不存在这些问题，快速占领课堂，在开发学生创新素养、提高学生动手能力方面发挥重要作用。随着3D打印技术的愈加成熟，两者结合在教学中会发挥越来越重要的作用。

参考文献：

[1]顾志跃. 在创新活动体验中培养学生创新素养[J]. 上海教育，2013，16：23.

[2]高勇，刘娜. 3D打印与三维创意设计课程牵引下的创新课程体系研究[J]. 中小学信息技术教育，2016，04：20-22.

[3]王颖. 对Inventor教学的探索与研究[J]. 学园（教育科研），2012，06：104-105.

[4]潘爱琼，周浩兵. 基于3D打印技术的创新型人才培养初探[J]. 时代教育，2016，03：19+21.

[5]陈纲. 从“思”到“造”——3D打印教育助力小学生创新能力的培养[J]. 中小学信息技术教育，2016，04：13-15.

[6]库伯. 体验学习——让体验成为学习和发展的源泉[J]. 2008.