基于ABC3D建模软件的中小学创客课程研究

摘要：近年来随着创客教育在国内各地遍地开花，创客教育的发展势头越来越猛烈。有关创客教育的课程开发层出不穷，开源机器人、图形化编程语言、陶艺与纸艺等创客课程对于推进基础教育教学、改革创新人才培养模式具有重要作用。但是将3D技术应用于基础教育培养创新型人才的3D建模创客课程相对缺失，适用于中小学生的3D建模创客课程开发还存在一定的空白。针对我国创客教育的背景，以ABC3D建模软件为工具，提出了基于ABC3D建模软件创客课程的教学设计与教学模式，分析了将ABC3D建模软件应用创客教育的优势与创客教育面临的挑战和总结，为推动创客教育生态系统的建立与发展贡献力量。

关键词：ABC3D建模软件; 创客教育; 中小学创客课程; 课程研究

中图分类号：G642        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）07-0120-04

在国家大力推行创新教育政策的信息化时代，造就创客时代的创新型建设人才、建设未来教育的优质师资队伍对于教育信息化的发展至关重要。对于学生而言，学生在运用3D打印技术实现自身想法创意的过程中，找到学习的乐趣。学生在自主构建三维模型完成作品的过程中，需要注意各个模型的尺寸，理清逻辑思维关系，锻炼计算思维以及数学运算能力。对于教师而言，教师将3D打印技术融入教育教学当中与自身教学课程结合，有助于改进教学效果，培养学生的创新创造能力，践行创客教育理念。利用3D建模软件制作出的虚拟交互教学内容，能够增强课堂教学效果，提升学生的学习兴趣，探索未来新的教育模式，产生新的创新教育成果。

基于ABC3D建模软件的中小学创客课程引导学生从简单的积木搭建开始入门，在学生初步认识到三维建模的知识内容后，结合一些3D模型的案例逐步深入学习对软件的使用，制作出属于自己的3D模型。学生对软件的学习与各种能力的培养为后续有关3D打印技术和硬件结合的智能课程打好基础。基于ABC3D建模软件的中小学创客课程是3D打印技术与传统的教育教学的融合，有助于提升学生的创新创造能力与教师的教育教学能力。

1 创客教育的概述

1.1 创客教育的概念

在当下高度信息化的社会中，创客是指以电子机械、3D打印、机器人等以工程化为兴趣导向并将其变为现实的人。而创客教育是指利用数字化学习工具，以兴趣为学习导向，以项目为学习方式，培养跨学科思维、计算思维、创新创造能力与团队协作能力的一种工程教育模式[1][2]。

1.2 创客教育的背景

1.2.1 创客教育相关政策文件

自李克强总理首次在政府工作报告中提出“大众创业、万众创新”的理念，有关于创客教育的一系列内容受到各界广泛关注。从2015年到2019年中有关创客教育的一些政策文件如表1所示，可以看出国家对于创客教育的认可与重视。

1.2.2 创客教育与新课程标准

对于小学科学课而言，作为小学阶段一门具有基础性、实践性、综合性的课程[3]，小学科学课程的实践性与综合性体现了创客教育中通过数字化工具将想法创意变为现实的理念。小学的科学课与创客教育课程，都是突出学生的主体地位，培养学生的好奇心与学习兴趣[4]，将创意变为现实。对于高中信息技术课程而言，由信息意识、计算思维、数字化学习与创新、信息社会责任组成了该学科的核心素养，数据与计算、人工智能初步、三维设计与创意和模块以及开源硬件项目设计等多个部分与创客教育课程息息相关[5]。对于高中通用技术课程而言，技术意识、工程思维、创新设计、图样表达、物化能力组成了通用技术学科的核心素养，技术与设计、技术与生活系列、技术与工程系列等内容属于创客教育课程[6]。

2 ABC3D建模软件的概述

2.1 软件简介

ABC3D建模软件结合了国内的教育技术装备体系，为中小学生建模提供了数字化工具。虽然工业开发级别的3DS MAX或者Maya软件在制作三维模型方面功能强大，却不适合中小学生入门学习。而ABC3D建模软件对于中小学生而言，上手简单，逻辑清晰，操作简单，界面清晰，基础模型种类繁多，满足学生进行创意设计的需求。ABC3D建模软件还拥有十分强大的功能、丰富的建模方式、专属的云平台社区、多样化的嵌入式插件，在完成建模作品之后可以直接进行切片打印，简化操作流程。学生完成的作品通过云平台进行交流沟通协作，与其他人一同分享作品，云平台同时也是一个资源丰富的模型库。ABC3D建模软件与专业的建模软件逻辑思维、页面布局以及制作原理十分相似，如SolidWorks、3DMAX、Zbrush等。学生学习完ABC3D建模软件以后如果想深入学习建模，对于专业的建模软件可以完美对接。

2.2 软件界面介绍

ABC3D建模软件的界面主要分为菜单栏、工具栏、基础模型区、插件区、快捷键按钮区以及建模区等区域，如图1所示。建模中的一些基础模型素材通过基础模型区和插件区导入。对于模型的操作处理，主要在于工具栏中的移动、旋转、放缩、克隆、镜像、参数对齐、布尔运算等操作。建模区展现了模型的大小形状，是整个软件操作的平台。设计完成后的切片模型可以进行打印。

2.3 软件功能介绍

ABC3D建模软件主要支持骨架球建模、文字建模、3D浮雕建模、积木建模和曲面建模等多种建模方式。ABC3D建模软件技术的开源性以及平台功能的多样性，为学生创造基于信息技术丰富化的3D模型创客作品提供技术与平台支持。

3 基于ABC3D建模软件创客课程的教学设计

从学习者特征的角度出发，3D建模的创客课程以跨学科知识以及应用为基础目标，以解决现实问题的建模需求为核心目标，展开设计创客课程目标。通过设计生活中的创意原型活实现制造模型工具，设计创客课程内容。在创客教学活动设计方面，以项目式学习为核心，对构建3D模型过程中的程背景知识导入、课程内容、建模步骤与技巧进行教学活动的设计。从3D模型的作品评价、小组合作评价、建模过程中的过程性评价以及表现型评价等多个方面设计创客教育的课程评价。基于ABC3D 建模软件的创客课程教学流程设计图，如图2所示。

3.1 学习者特征分析

学习者特征分析对于创客课程的设计至关重要，应该根据不同阶段的学生的学习特点，科学合理地设计制定课程。小学阶段的创客课程应该注重学生的动手体验与趣味性，强调寓教于乐。初中阶段的创客课程应该注重实际应用与问题探究，强调“做中学”。高中阶段的创客课程应该立足于生活中的实际问题，以技术为抓手解决问题，强调学以致用。

设计关于3D建模的创客课程应该注重学生的学习经验，并结合学生的生活实际展开[7]。在设计课程资源时，考虑到学生的学习特征，注重抽象思维的培养。一些较为复杂抽象而且工程量庞大的3D模型对于一般的中小学生来说存在较大的难度，大部分中小学生对于自主构建完备的3D模型还比较陌生。所以需要结合学习者特征选择较为合适的难度来设计教学。

3.2 教学目标设计

对于中小学生而言，学生通过学习基于ABC3D建模软件的创客课程，了解3D技术的基本概念、应用范围[8]，学会运用ABC3D建模软件将想法变为现实。引导学生结合实际的生活情境自主设计模型，设计出自己独特的作品。在模型设计过程中体验3D技术给学习带来的乐趣，以3D技术与课外知识结合拓宽学生的视野。将学生培养能够利用建模软件与3D打印技术结合自身的创意想法将其变为现实的创造者。

3.3 教学内容设计

教学内容是指在整个教学过程中教师与学生之间的相互作用交流，以完成教学目的动态生成的相关素材以及信息。基于ABC3D建模软件的创客课程以简单直观的积木搭建引导学生认识三维模型，以项目式教学为核心结合建模案例让学生能够制作丰富的三维模型、深入了解建模过程，融合了MAMIS的创客学习法，提升学生的综合素质，为后续学习打下坚实的基础。创客课程的教学内容通过教学PPT、微课视频以及教学设计的形式展开，配置有课程附件、课程评价、平台分享等多种服务引导学生进行学习。为学生提供初级创客、中级创客与高级创客进阶式的学习体验，打造跨学科、软硬件结合的创客课程。

3.4 学习环境设计

学习环境是提供给学习者学习的外部条件。ABC3D建模软件支持的学习环境主要包括附带有鼠标和键盘的计算机、投影仪、网络宽带、音响、学习网站（http：//www.abc3d.cc/index.php？s=/Home/Index/index.html，提供3D建模的教学课程视频以及云平台交流分享3D模型作品）。

3.5 学习评价设计

教师通过学习评价引导学生反思自己在学习过程存在的问题和不足，为优化学习过程提供参考和借鉴[9]。学生不光是被学习评价的对象，也是学习评价的参与者、组织者。教师应该注重学生在构建三维模型中个体的知识运用情况，鼓励采用嵌入式、伴随式、隐形式评价方式对多元化、丰富化、多模态化的信息进行评价，对学生的学习情况给予客观真实的反馈[10]。

4 基于ABC3D建模软件的创客教学模式

根据董黎明在《基于课程融合的“创客”教学设计与应用模型研究》一文中提出的基于课程融合的“创客”教学设计与应用模型[11]，结合ABC3D建模软件本身的功能特点，笔者尝试设计基于ABC3D建模软件的创客教学模式，如图所示。

4.1 课前活动设计

4.1.1 情景设计

教师通过构建各个模型的使用情景，根据创客课程中的直观教学原理、情知对称原理、寓教于乐原理、因材施教原理，给予学生基于真实情景的学习体验。将生活实际与创客教育相融合，打造基于创客项目学习的创客课程。

4.1.2 任务设计

设计基于ABC3D建模软件的学习任务，使得学生带着任务学习建模知识与技巧，促使学生体验到完成学习任务的满足感，并巩固所学知识激发学习兴趣。

4.2 课堂活动设计

4.2.1 情景导入

构建模型的选择并不是空穴来风的，创客课程内容的选取必须具备一定的现实意义。教师以语言描述或者实际操作的方式创建建模的问题情景，通过展示实物或者图片等方式，结合现实生活经验，启发学生从三维设计的角度思考模型。

4.2.2 学习目标

教师通过向学生介绍每次课程的学习目标，让学生明确课程学习中需要掌握哪些核心内容与技巧，为后续知识内容的学习“抛锚”。学习目标的设定是为了让学生在“做中学”“玩中学”的过程中有的放矢，而不是漫无目的地探索尝试。

4.2.3 设计分析

教师通过向学生提问三维模型的组成部分，引导学生分析该情景下的物体构造并逐步模拟抽象出三维模型，充分调动学生积极思考。教师运用三维软件或者PPT等工具展示出该模型的结构分析图，对模型设计的重难点进行详细分析。

4.2.4 建模制作

教师通过讲解对调整目标对象的相对位置与大小尺寸，为学生构建三维模型提供思路[12]。注重对三维建模中构建对象的步骤分析，将构建整个模型的大目标逐步分解为若干个小目标，分步骤完成各个部分的模型构建最后组合模型。建模制作中强调引导学生逐步完成任务，有助于学生通过量化体系反映自身的学习进度与学习质量，使得整个建模过程能够被固定的学习行为模式化，让学生看见建模过程中进步的可见。除了构建模型具体步骤的讲解分析以外，还需要注重对于一些特殊工具的使用讲解，帮助学生熟练掌握ABC3D建模软件中的各个工具。

4.2.5 保存分享

学生借助ABC3D建模软件提供的分享交流的云平台，通过上传自己的3D模型作品，与其他同学分享思考创作的过程以及学习经验、技巧。教师和家长也可以借由云平台提供的展示功能，观察学生的作品并对作品给予一定的评价，加强与学生的互动沟通。通过云平台的分享评价模式，将学生、教师与家长联系起来，打造三方互动的创客教育生态圈。