【摘要】
本文以3D One创意设计为技术线，以学科知识为融合线，在不同教学策略的引导与启发下，设计了3D创意设计与数学学科的莫比乌斯环、物理学科的倒流壶、生物学科的新冠病毒相融合的教学案例，以期培养学生运用多学科视角进行构思设计、实践创新的能力，提升其跨界思维的综合实力，也为相关学科教师提供教学案例参考。
【关键词】
3D创意设计 学科融合 教学案例
2019地平线报告基础教育版聚焦基础教育应用的六项重要技术进展——创客空间、分析技术、人工智能、机器人、虚拟现实、物联网。3D创意设计在创客空间中滋生，在教学实践中凸显，在3D打印中物化。
一线信息技术教师尝试设计具有生活趣味性、情境交互性、真实体验性、知识实证性、产品艺术性、学科融合性的各类特色课程。学科融合是跨学科学习的课程设计体现，是整合两种或两种以上学科的观念、方法与思维方式，以解决真实问题、产生跨学科理解的课程与教学取向。3D创意设计课程的特点就是探究科学和艺术的入口，可以将虚拟世界和真实世界有效连接，在三维建模、物化设计、实践操作中分析、思考与解决问题。在教学过程中融入多学科知识，多方位的分析问题，产生学科知识联结，贯穿知识的分析、验证、理解、深化，引导学生身临其境地探索求知的乐趣，体验认知的过程，完成知识的建构，达成有效地学习。
一、3D创意设计与数学学科的莫比乌斯环
莫比乌斯环因其具有一些奇异的性质而成为数学珍品之一，如何将神奇的莫比乌斯环搬入3D课堂？3D创意设计课程需要从学科视角和问题视角将学科知识以内嵌的方式融入3D教学中，选择适切的3D教学目标与操作点接入学科知识，借助3D One在三维空间再现，将实现过程完整呈现在学生眼前，弥补数学课堂抽象概念难以理解的短板，帮助学生建立空间观念，培养空间想象能力与创造能力，提升跨界思维的综合能力。
（一）实验探究与实验结论
所见即所得最好的方案就是动手实验，课堂伊始，两人一组合作完成实验过程，知识学习的过程不是直白地告知，而是亲身地体验。
实验材料：纸带、双面胶、马克笔与剪刀。
实验操作：将纸带一端旋转180°，首尾粘到一起，然后在纸带宽度的1/2处画一条线。
实验结论：线会首尾相连，说明什么？只有一个面。
实验进阶：如果沿着纸环中间线剪开，是什么结果？再次沿中间1/2处剪开，又得到什么？可以尝试其他不同剪法。
（二）挖掘原理与三维重构
1858年德国数学家莫比乌斯和约翰·李斯丁提出了莫比乌斯环，由双侧曲面通过转换实现自然的空间过渡，变成单侧曲面，达到永续共生。莫比乌斯环表面简单，实则复杂，对数学、哲学、历史、艺术等领域产生着深远的影响。
莫比乌斯环的特性在二维平面内是无法完成的，只有扭曲二维面在三维空间内对接完成。3D One教学软件日臻成熟，具有实时性、动态性、可视性的优势，可以让学生直观地目睹数学知识的形成、演绎过程，进而加深认识与理解。因此在3D One的三维空间中，可以通过实践操作，对拉伸后的六面体，使用扭曲与圆柱折弯命令，便可迅速在三维空间查看莫比乌斯环的六个视角的立体效果。学生在动手实践的乐趣中构建知识框架，在几何知识与数学经验基础上进行重构与深化，提升学生对莫比乌斯环这一数学“怪圈”知识的领悟与应用。
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（三）创新体验与深化知识
3D创意课堂要求学生对于知识的理解不能仅仅停留在简单认识与模仿实现上，更需要引导学生创新体验与知识拓展。莫比乌斯环的概念早已席卷设计界包括建筑、工艺品、首饰等领域，学生亦可设计莫比乌斯手镯等创意作品。
教学地点是封闭的，教学内容是开放的，教学中需要开拓学生视野，展示现实生活中利用莫比乌斯原理设计的建筑与产品。上海世博会的湖南馆“桃花源里·湘都”，主体建筑外观采用了双莫比乌斯环扣造型；莫比乌斯传送带，避免普通传送带单面受损率；针式打印机的莫比乌斯带，可充分提高表面使用率；音乐磁带中的莫比乌斯圈，可加大磁带的信息承载量。
3D创意设计与数学学科融合，还有更多可以尝试与探索的课程内容，基本实体中的六面体、球体、圆柱体、圆锥体和椭球体，与立体几何有机结合。教师精心设计有融合路径的教学内容，以3D One创意设计为技术线，以数学知识为融合线，通过循循善诱地引导与启发，潜移默化地培养学生运用学科视角构思设计、实践创新，突破自我的学习意识。
二、3D创意设计与物理学科的倒流壶
三维设计中，针对草图绘制、旋转、抽壳、扫略、组合等知识点，多数教师会选择马克杯、花瓶或水壶作为设计主题，如何将具有传统意义和物理原理的倒流壶和3D创意设计有效融合呢？
在教师设计课程环节，秉承源于生活的真实性，学科的知识性，设计的开放性，知识的覆盖性，遴选知识关联的结点。选择有探究价值，体现学科融合思想的主题，在学习和探究中，技术作为支撑，知识得以形化，让技术服务于生活，感受技术与知识的融合力量。
（一）趣味先启，知识提炼
教师以构造巧妙、集聚我国古代工匠智慧与创造的倒流壶作为任务锚点，遵循学生中心性、内容科学性、学科融合性的原则，营造赋有文化底蕴、开放发散的教学氛围。通过视频展示，认识文化瑰宝，展示奇特的物理现象——一个壶底有洞的水壶灌满了水，却不会从壶底的洞中流出。学生们对倒流壶产生浓厚的兴趣，从而引导学生探究倒流壶的物理学科原理。
（二）原理探求，知识融合
倒流壶又称无盖壶，倒水时需将其倒置，由底座的小孔注入，当放正壶体时，注水孔处滴水不漏，之所以能够实现这种效果，主要利用的是物理学中的“连通器”原理。底部互相连通的容器，注入同一种液体，在液体不流动时连通器内各容器的液面总是保持在同一水平面上。因此，倒流壶之所以没有可以掀开的壶盖，却在壶底留有一个孔洞的问题也就迎刃而解了。在具备趣味、相对抽象的可塑情境下，以问题探究的方式进行知识融合、问题分析、探索求真，遵循科学原理。
（三）创新设计，知识建构
借助3D one连接知识与实践，分析倒流壶的制作方法，学生在教师的引导与指导下动手实践、实体建模。通过掌握3D One中的草图绘制、拉伸旋转、组合编辑、扫略移动等综合操作，完成目标内容与知识体系的建构，将科学求真、创新践行的学科文化有机融合。
教师鼓励学生进行头脑风暴，变身为产品经理、产品设计师的角色，创意构思，发散思维，全盘考虑，对课堂教学内容进行延伸与拓展。在设计中遵循稳定性、最简性、合理性、可用性的原则，强化学生在实践操作中创新，灵活运用知识原理进行修正、完善、迭代、创作，设计制作样式各异的倒流壶。
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倒流壶的探究学习中，教师融合了相辅相成的3D知识与学科探索，使学生们深刻、形象地理解倒流壶的工作原理，再利用三维设计软件，从软件到物化，从方法到原理，从探索到创造，从而让学生充分感受科技带来的无尽魅力。
三、3D创意设计与生物学科的新冠病毒
面对新型冠状病毒疫情， 3D打印技术被迅速地应用到病毒研究和疫苗研制的领域，3D新冠肺炎病灶模型帮助医学专家直观地进行病例实体分析和模拟演绎。在3D教学中，可否通过3D One复原新型冠状病毒结构的真实形貌，帮助学生更直观生动地了解病毒知识呢？因此，教师的学科边界需要不断延展，教学设计中把控知识的普适性与可行性，通过3D One操作点的梳理，进而挖掘学科整合的病毒知识作为契合点。
（一）学科整合与情境交互
病毒是由一个核酸分子（DNA或RNA）与蛋白质构成的非细胞形态的靠寄生生活的生命体。教师可借助影音视频和PPT为引课载体，运用思维导图，建构初中生物的病毒知识点。通过具有实事性与代表性的病毒知识作为设计主题，学生可借助简短性、提示性、多样性的微课视频、桌面背景提示或图文导学等学习资源，以探究生命科学的问题为支点，引导学生在探究中寻求学科知识的突破点与创意设计的立足点。
（二）问题探究与方法习得
探索问题源自学科知识的索求，抗击新冠病毒，学生就需要具备科学的认知，使用思维导图梳理知识点，使用3D One直观建模。建模思路：“新冠病毒”的特点就是有许多小小的突起，可以由球体和冠状突起物组合而成。建模物体：球体、圆柱体。建模工具：基本实体、圆角、移动、吸附、阵列。通过方法的习得，学生的病毒知识立体呈现在三维空间。
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（三）拓展迭代与发散创新
激励学生在设计、创作中开拓思路，对基础作品拓展迭代，敢于发散创新，设计人体免疫细胞、甚至构建新冠病毒与免疫细胞对战的三维场景。3D设计与打印在战“疫”中注入了科技力量，还可以借助3D One实现护目镜、口罩、手持式红外线测温仪、听诊器等必备的防护用具的三维设计，设计新冠病毒的项目课程。
学生通过体验与实践，设计与创作的过程内化学科知识，升华对学科知识新颖多元的问题解决方式，进而形成在求知中设计，在设计中认识，从探索中深化的思维进阶，力求成为融合学科知识、设计能力、创新能力、动手能力于一体的创客。
总之，在3D创意设计课程中尝试与数学的立体几何、与物理的原子结构、与地理的三维地形、与生物的细胞构成等学科知识有机融合。借助3D One三维设计软件，将技术呈现与学科知识融为一体，成为教师的教学载体、学生的认知工具、有效的学习支架，高效完成学科教学任务。鼓励学生主动参与创新实践，研究跨学科的综合性知识，实现人与技术的高度融合。那么，学生离开中学课堂，投身大学生活、迈入未来工作时，即使不从事某具体科学领域的工作，也能够面对具体问题有理性、科学、全面、综合的思考，能够在各种挑战中体现中学阶段习得的信息素养和融合思想。
【参考文献】
[1]潘士杰. STEM视角下的中小学3D打印区域课程开发研究[D].温州大学,2017.
[2]陈春林，朱张青：《基于 CDIO 教育理念的工程学科教育改革与实践》，《研究生教育研究》 2010 年第 1 期。
[3]王洪梅. 面向智慧学习时代教学微视频的创意设计研究[D].江苏师范大学,2017.