3D打印技术在高中美术课程中的应用.docx

3D 打印技术在高中美术课程中的应用* 批注GYJ1: 本文是否为课题论文，是否有课题信息，如有， 请补充。参照示例：本文系广东省教育科学规划课题“微课介入研学后教 课改的设计与应用研究以初中信息技术学科为中心”（立项编号：15JXN036）的阶段性研究成果竺 琳 （广东实验中学越秀学校，广东广州 510095） 【摘 要】随着信息技术的迅猛发展，3D打印技术逐渐进入了人们的日常生活和中小学课堂，基于创客教育和STEAM教育理念，在高中美术课程中引入 3D打印技术，通过 3D 创意建模软件和 3D打印机帮助学生设计“所思即所得”的创意美术作品，围绕学科核心素养，培养学生的动手实践能力、逻辑思维能力和创新思维能力。 【关键字】3D打印技术；高中美术；STEAM教育；创新思维能力；核心素养 带格式的: 缩进: 首行缩进: 2 字符以兴趣爱好为向导，通过项目学习的方式，结合多元化应用工具，培养跨学科解决问题能力、沟通交流能力、团队协作能力和创新能力。它通常以 STEAM 课程为载体，即融合科学(Science)、技术(Technology)、工程(Engineer)、艺术/人文(Arts)和数学(Mathematics)等的跨学科实践活动，通过在从活动中、真实体验中的学习，将学科知识与生活实践有机联系起来，最终实现“知行合一”3。而中学里相互割裂的各门课程限制了学生在理论与应用上的联系，学生在设计过程中常常表现为有理论而缺灵感，有功能而没有美感。如何将不同学科的思维方式有效地快速应用起来，是创意设计学习中的一个有效手段。将 3D 设计软件和 3D 打印技术应用于艺术创作，有助于学生将形象思维碎片整理起来，建立完整的、可实施的创意作品，从而可以根据学科核心素养，培养学生的创新思维能力。 一、3D 打印技术 *本文系广东省教育技术中心2018年度专项课题 “3D打印创客课程中培养形象思维与逻辑思维相结合的教学研究” （立项号：18jx07047）和广州市教研院综合实践活动学科2018年度立项项目课题“基于 STEM 理念下进行“3D打印艺术设计”创客课程的 实施研究”（立项号：2018zhsj008）研究成果。 普通高中美术新课标准（2017 年版）出台以来，中学美术教育进入了一个新篇章，新课标在设计模块的要求中提到：能利用传统和现代的媒材、工具与方法，通过联想和想象进行有创意的设计活动1 。能参与其他学科或跨学科的研究性学习，解决学习、生活和工作中的问题2。美术学科教学也需要融入创客教育和 STEAM 教育理念。创客教育的核心理念源于杜威所提出的“做中学”，将创客文化与教育有机融合，带格式的: 字体: 11 磅带格式的: 字体: 五号, 非加宽量 / 紧缩量 带格式的: 字体: +中文正文 (宋体), 五号, 非加粗,非加宽量 / 紧缩量 带格式的: 缩进: 首行缩进: 2 字符, 右 1.05 字符, 段落间距段前: 0.2 磅, 段后: 0 磅, 行距: 单倍行距, 无孤行控制, 不调整西文与中文之间的空格, 不调整中文和数字之间的空格带格式的: 字体: 五号带格式的: 字体: +中文正文 (宋体), 五号, 非加粗,非加宽量 / 紧缩量 带格式的: 字体: 五号, 非加宽量 / 紧缩量 带格式的: 字体: 五号带格式的: 字体: 五号, 非加宽量 / 紧缩量 带格式的: 字体: +中文正文 (宋体), 五号, (中文) 中文(中国), 非加宽量 / 紧缩量 带格式的: 字体: +中文正文 (宋体), 五号, (中文) 中文(中国), 非加宽量 / 紧缩量 带格式的: 字体: +中文正文 (宋体), 五号, (中文) 中文(中国), 非加宽量 / 紧缩量 带格式的: 字体: +中文正文 (宋体), 五号, (中文) 中文(中国), 非加宽量 / 紧缩量 带格式的: 字体: +中文正文 (宋体), 五号, (中文) 中文(中国), 非加宽量 / 紧缩量 带格式的: 字体: 五号, 非加宽量 / 紧缩量 带格式的: 字体: 五号带格式的: 字体: 宋体, 五号113D 打印又称三维打印，它是使用粉末状的可粘合材料，通过逐层打印的方式将数字模型打印成实物的一种快速成形技术。随着技术的发展，3D打印的材料从ABS、PLA到金属、树脂、陶瓷粉、石墨烯、食材等，已多达200多种。已经可以满足绝大多数设计所需要的 材质。因此，在艺术设计领域开始出现了3D打印的服装、鞋子、雕塑、首饰、装置艺术等 等，作为限量制作的设计模型，3D打印技术有着传统制造不可比拟的优势。 （一）3D 创意建模 1.选择快捷易上手的软件，贴合学习要求 当前 3D 打印建模软件的种类非常多，应用效果和功能与软件的复杂程度也是成正比。专业的软件虽然功能更强大，但学习过程也更为复杂，例如大学设计专业会选用功能强大 的“犀牛”软件。而在高中美术课程设置中，一个模块的课时基本是 16 课时，对学生学习掌握软件的时间有限，能够快速掌握软件激发创作热情十分重要。通过比对，可以选择 使用 3D One、123D 等简单易学的软件。 （二）3D 打印机 用3D打印机打印3D模型，通常教师在教学中以3D打印机的操作使用为主，即介绍3D 打印机工作原理，将一些现成的模型导入3D打印机，然后将模型打印出来，整个过程变成 了3D打印机操作教学,缺乏创新性。并且由于实物打印时间通常很长，操作步骤单一，学 生初次使用3D打印机时的兴奋和激动会很快消失。 二、3D 打印技术在高中美术教学中的应用策略 利用3D打印技术能够将虚拟3D数字模型快速打印出3D实物模型，因此在教学中教师可 以引导学生将时间和精力投入到创新设计环节，让学生在抽象概念和直观经验之间自由转 换，使设计思路实现可视化和实体化。师生创客们通过玩中做、做中学、学中做、做中创， 培养他们的创新思维、创新精神和创造能力，从“思”到“造”再到“创”，让学生的想 象力得到实现，进而实现创新设计和创意智造4。 1. 基于 3D 环境，构建立体感作品 3D 软件建模对学生作品设计的完整性、可实施性有着更好的体验。以往在纸上画设计稿，由于二维画面的限制，学生经常只考虑到前面的设计效果，而忽略其他角度的整体 效果。例如，在建筑模型设计中，以往很多学生只设计了正面的效果图，甚至根本就没有去想建筑物背面是怎样的，要设计什么结构与正面相呼应。而建筑的设计非常重视朝向、采光、与周围环境相适应等因素，以及合理的人流分布需要在不同角度位置有多个出入口， 来达到安全要求。在教学中，即使教师特别提醒注意立体感，也有学生仅仅是将作品做成 一个有一点厚度的片状物体，缺乏空间想象能力。这样的作品实际上是一个不完整的作品， 根本无法实际应用。而在 3D 建模环境中就可以避免这种现象发生，设计过程中学生就能不断地从各个不同角度观察作品，自然而然地对作品的空间效果进行思考设计。 2. 借助项目式学习，高效掌握建模软件 在教授学生建模软件的使用中，笔者开始使用和其他软件的教学方法一样，逐个讲解 软件中的各种操作命令。这导致学生学会了命令却很难灵活应用，当在实际建模中需要建 造某种模型的时候，依然不知道该如何下手。通过反思，在后面的教学中改进成项目式教 学。设定好项目，提供一些操作命令，让学生通过自主探究、小组合作、成果展示、作品 评价等环节，最后完成一个3D模型的设计。在这个过程中，学生通过自主探究养成在建模 时先在笔记本上画出思维导图的习惯，思考一个模型需要分解成多个部件的造型，按先后 顺序完成模型创建。学生通过项目学习活动，培养了学生逻辑思维、设计思维和创新思维 能力，有效地提高了学生对建模软件的应用技巧。 因此，创意建模设计才是3D打印的灵魂，与3D打印机共同应用到高中美术课程中，就 可以独立完成“智造”的全过程。以往的美术设计模块当中，多数作品只能到完成绘制设 计稿这一步。而3D打印机的应用为立体造型设计开辟了新途径。学生可以看到自己设计的 最终产品，对于设计过程中所存在的问题也有了直观的感受，通过测试可以再对模型进行 调整，直到达到理想状态。 三、3D 打印技术在高中美术课程中的应用案例 美术学科课程的核心素养之一是“创意实践”，其要求是在美术活动中形成创新意识， 运用创意思维和创造方法。作品的设计效果一般通过图样或模型的方式呈现，依照产品设 计的程序和方法，选择生活器物、家用电器、服装服饰和交通工具等设计种类中的一项， 学习以手绘、计算机软件绘制效果图或制作模型等方式完成产品创意设计5。因此，将3D 打印技术应用于美术课程教学实践中是信息技术与学科融合的大胆尝试和实践创新。3D 打印培养学生创新思维的案例设计如表1所示。 表 1 3D 打印培养学生创新思维的案例设计 生活日用品创意设计案例 教学目标：学生设计出在使用功能方面有特色或符合人体工程学，并在外观上具有美感艺术性的生活用品 EDIPT 模带 格式表格授课过程 学生活动 设计标准：功能性方面使用方便、快捷、舒适；美感方面能与功能性相有机结合、造型独特优美、有艺术性或有情感表达特点 型 运用便利贴这一小工具，将自己遇到的、想到的生活中同理心 1生活问题大发现 觉得不满意、不适用的情况写到上面，然后互相观看交流从而衍生发现更多问题（头脑风暴） 需求 2解决问题的方法： TRIZ 理论中的 40 种发明方法； 美术中的 N 种艺术审美风格 学习理解 TRIZ 的 40 种发明方法； 梳理美术作品风格特点； 通过选取某种发明方法与艺术风格，模仿、激发头脑中的灵感，创建自己的构思 创想 3草图手绘 在绘制过程中，将设计方案深入、具体化构思，丰富细节，完善 3D 体块结构并化，确定创意草图 4上机建模：分解设计稿部件，关注功能以及整体效果图在建模软件原型 中的工具里选择合适的功能设计建模流程； 学习建模软件 创建模型 测试 5打印模型 通过打印得到具体可视化的作品，测试与调整前期设计 在此案例中，融合了斯坦福设计研究院开发的 EDIPT 模型，设计思维中所包含的同理心、需求、创想、原型和测试五个环节76，结合学生的自身体验和生活需求，引导学生把技术与设计相结合，通过具有逻辑性的创意设计，利用 3D 打印技术验证方案，完善解决方案，从而实现有创意的作品。在技术方面，解决技术矛盾的创新原理与方法的数量并 不多，一般科技人员都可以学习、掌握；解决本领域技术问题最有效的原理与方法，往往 是来自其他领域的科学知识87。因此，将创意发明方法引入教学，以帮助学生有效寻找技 术创新的支持。 四、3D 打印技术在高中美术教学中的应用成效 笔者在近两年的教学实践中结合美术课教学内容，设计了系列设计课程，如机器人设 批注GYJ2: 建议作者补充相关的论据作为文章的支撑，来论文所取得的成效，而非停留在简单的描述层面（建议通过数据来进行论证。）计、奖杯设计、印章设计、社区建筑设计、生活日用品设计、交通工具设计等。为3D打印技术在美术学科教学中的应用作了探索和尝试，并取得了一定的成效。 艺术之美往往在于其独特性，科技创新亦如此。创造性思维培养是教学的核心理念。 带格式的: 缩进: 首行缩进: 2 字符, 定义网格后不调整右缩进, 无孤行控制, 不调整西文与中文之间的空格,不调整中文和数字之间的空格, 不压缩句首标点符号通过创造性思维培养的学生，都有一个共同特征，就是对具有特殊、个性化风格的作品感兴趣，喜欢彰显自己的个性，有意识地选择异于他人的方式解决问题，以追求创意乐趣。当今社会标榜追求个性，因此“个性化定制”产品也得到大家的青睐，以满足个性化需求。这种“个性化”作品对于创造性思维的养成有着非常积极的作用。因此笔者在教学设计中，鼓励学生进行创新性、个性化作品设计，为培养学生创新思维能力创造条件。例如：在学生设计出作品草图后，设计了学生进行互评环节。让学生，选出自己最喜欢的几件优秀作品。学生评出 在此选择了几4幅学生作品草图作品获得的优秀率，评价的统计对比以下表格为学生设计的个性化水杯草图如图1所示互评优秀率对比表。如表2所示。 。 带格式的: 字体: +中文正文 (宋体), 五号带格式的: 左, 缩进: 首行缩进: 2 字符, 行距: 1.5倍行距, 压缩句首标点符号带格式表格带格式的: 字体: +中文正文 (宋体), 五号带格式的: 字体: +中文正文 (宋体), 五号带格式的: 字体: +中文正文 (宋体), 五号画表2 学生草图作品评价表 图1 学生设计的个性化水杯 1、国画风1 22、仿南瓜造型水杯 33、巢与蛋水杯 44、亲吻水杯 格装饰作品编号水杯 带格式的: 居中带格式表格带格式的: 居中风格装饰水杯 南瓜造型水杯 与蛋水杯 吻水杯 带格式的: 字体: 五号带格式的: 左, 缩进: 首行缩进: 2 字符带格式的: 字体: 五号带格式的: 字体: +中文正文 (宋体), 五号带格式的: 居中作品图带格式的: 居中带格式的: 字体: +中文正文 (宋体), 五号带格式的: 字体: +中文正文 (宋体), 五号带格式的: 字体: +中文正文 (宋体), 五号带格式的: 居中带格式的: 居中该学生设计了一个人的唇部作为水杯开口，喝水时就像在亲吻。这个作品虽然在美感方面还有待加强，但非常独特，具有一定的趣味性，受到多数学生的喜爱。而1号作品看起来比较眼熟，像一个笔筒。2号作品仿南瓜造型，市面上常见的草莓杯、苹果杯等都是这一类型没什么新意。3号作品稍微特别一点些，获得的优秀评价就多一点些。 作品名称国画风格装饰水杯 仿南瓜造型水杯 巢与蛋水杯 亲吻水杯 优秀率 212%优秀 214% 优秀 321% 优秀 573% 优秀 从这个对比表2中可以发现，学生们所给优秀评价最多的是第四个4号作品：亲吻水杯，由此可见，国画风格装饰水杯仿南瓜造型水杯巢与蛋水杯亲吻水杯 带格式的: 字体: +中文正文 (宋体), 五号 随着人们生活水平的提高，产品拥有的功能不是产品被选择的唯一参考，其趣味性愈来愈得到大家的重视。现代人们从实用与造型的双重美感去审视一个产品，只有两者都兼顾才能被更多用户所选择68。 因此学生在设计作品时，外形的美感与趣味性也是创新设计特别关注的内容。例如：图1中的亲吻水杯，学生设计了一个人的唇部作为水杯开口，喝水时就像在亲吻。这个作品虽然在美感方面还有待加强，但具有一定的趣味性。3D打印培养学生创新思维的案例设批注GYJ3: 请将此段内容进行替换和调整计如表1所示。 四、结语 参考文献： 美术的发展始终伴随着人类文明的发展史，新的技术、新的材料都是美术发展的强劲 助力。工业时代的技术与钢铁造就了埃菲尔铁塔这一现代美术的标志性作品。3D 打印技术作为先进制造技术的代表，与大数据、云计算、人工智能等其他先进技术融合后，将爆 发巨大的生命力，或许会成为推动新生活形态革命的重要载体。作为新时代的主人，学生 也必将在美好的世界里创造美和享受美。 批注GYJ4: 将文末的参考文献在正文中进行上标。1 中华人民共和国教育部.普通高中美术课程标准(2017 年版)M.北京：人民教育出版社.2017:37. 2 中华人民共和国教育部.普通高中美术课程标准(2017 年版)M.北京：人民教育出版社.2017:50. 3 杨现民,李冀红.创客教育的价值潜能及其争议J.现代远程教育研究， 2015,(2):23. 4 王同聚.3D 打印技术在创客教育中的应用与实践以中小学创客教育为例J.教育信息技术,2016,(6):11-14. 王同聚.3D 打印技术在创客教育中的应用与实践以中小学创客教育为例J.教育信息技术,2016,(6):11-14. 5 中华人民共和国教育部.普通高中美术课程标准(2017 年版)M.北京：人民教育出版社.2017：21. 5 王同聚.3D 打印技术在创客教育中的应用与实践以中小学创客教育为例J.教育信息技术,2016,(6):11-14. 6 王伟玲,郑刚强,白铭玉.产品创新设计中的逻辑思维与形象思维J.设计艺术研究, 2018,(3):103. 76王佑镁,郭静,宛平.设计思维:促进 STEM 教育与创客教育的深度融合J.电化教育研究,2019(3):34-41. 87周苏，陈敏玲.创新思维与 TRIZ 创新方法M.清华大学出版社 2015:15. 8王伟玲,郑刚强,白铭玉.产品创新设计中的逻辑思维与形象思维J.设计艺术研究, 2018,(3):103.