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【摘 要】创新思维能力已成为学生核心素养的重要内容之一。就信息技术学科而言，不论是信息技术时代的要求还是学科的特点，都需要我们有意识地去培养创新思维能力。本文以浙江省绍兴市第二届创新模型设计挑战赛为例，从锻炼思维的广阔性、敏捷性、整合性、深刻性四方面，分析基于3D建模设计对学生创新思维能力的培养。
【关键词】3D建模；创新思维；核心素养
【中图分类号】G434 【文献标识码】A
【论文编号】1671-7384（2018）01-0069-03
创新思维是指以新颖独创的方法去解决问题的思维过程，具有高度机动性和坚持性，且能清楚地勾划和解决问题的思维活动。通过这种思维能突破常规思维的界限，以超常规甚至反常规的方法、视角去思考问题，提出与众不同的解决方案，从而产生新颖的、独到的、有社会意义的思维成果。绍兴市第二届“我爱3D”创新模型设计挑战赛是在第一届基础之上新增的一项赛事项目。此次挑战赛项目的内容为“载重桥梁设计”，比赛在选手作品打印完成后，通过静力加载的方式考查桥梁的承重能力。比赛成绩以桥梁承载的重量和桥梁的外观形象为主要判断依据。
选定桥梁的类型，锻炼思维的广阔性
通常，我们只在一定的范围内思考事物。如果我们能够把思考的空间放大，从一個更大的范围来思考，就可能发现思维的创新点。
桥梁对于生活在江南水乡的绍兴学生来说是随处可见的，是最为学生所熟悉的。桥梁是为道路跨越天然或人工障碍物而修建的建筑物，它架设在江河湖海上，使车辆行人等能顺利通行。桥梁除了具有通行功能之外，另一个功能是起到承载负荷的作用。那么一座桥梁能承载多大的负荷呢？它所能承载的负荷跟什么有关呢？这就要求学生积极开动脑筋，运用联想思维，回想平时所见过的桥梁有哪些，它们的结构又是怎样的，思考怎样的桥梁承载能力最大，梁桥、拉索桥还是拱桥。
学生们通过互联网或其他途径寻找世界各地的桥梁设计类型，了解桥梁建筑的结构和受力知识。如图1～3，为三类桥梁的受力示意图。
桥梁结构有很多类型，我们在选择桥梁类型的时候，除了考虑哪种桥梁结构适合于现实情况、结构设计是否合理之外，更要关注桥梁结构所能承受的最大荷载，也就是桥梁的安全系数。
根据所查资料分析，对小跨径桥梁而言，自重相同的梁桥、拉索桥、拱桥中，拱式结构的桥梁承载力最强。梁桥在集中荷载下承重构件受到弯曲变形为主，拉索桥的承重构件（主缆索）以受拉为主，而拱桥承重构件（拱圈）以受压为主。但由于挑战赛项目限定桥梁的最小跨度，又限定桥梁的自重不超过40克，跨度增加了自重肯定也增加，这样就不能设计出跨径大且自重小的桥梁。另外，又因为拱桥在受力时会产生很大的水平推力，拱式结构要求的下部结构都比较强大，所以拱桥的承载力应当是最大的（只要拱桥两端能承受足够的水平推力）。如图4，为三种常见的拱式桥梁。
通过查阅资料分析对比，提升了学生对桥梁选型的视野：桥梁的结构，桥梁的受力，各种结构桥梁的优缺点和适用情况等等，了解这些知识使学生的思维变得更广阔。
确定桥梁的尺寸，锻炼思维的敏捷性
创新不仅要出奇制胜，更要以快制胜，思维的敏捷性是创新能力的重要要求。
在选定好桥梁类型后，就可以进行桥梁的外形设计了。要设计外形，就要知道桥梁各主要部件具体的尺寸大小。比赛的要求已明确模型的尺寸：制作出一个宽度不小于5cm、跨度30cm以上的桥梁模型。看上去两个简单的尺寸数值，但仔细分析知道：桥梁受跨度的限制，不能过长。如果跨度过长，那么要求用40克的PLA材料制作出宽度不小于5cm、跨度30cm以上的实体模型，可以想象模型的纤小了；更何况桥梁模型的强度会变得很脆弱，达不到挑战载重极限的比赛任务。比赛用3D打印机能够打印出实体模型尺寸最大是220*220*180mm，要想打印跨度为30cm以上的实体模型显然是行不通的，所以在设计规划模型尺寸时，就应当将模型分成几部分进行设计。比赛项目也要求桥梁主要部件（包括桥跨结构、桥墩、附属设施等功能性部件）须由6个及以上零部件拼装而成，而且不得用胶水粘合或其他配件帮助部件和部件之间的结合；桥面正中还须设计悬挂加力区域，以便穿绳集中加力。这样进一步印证桥梁实体模型至少由6个部件拼装。
限定桥梁的自重，锻炼思维的整合性
某种意义上，创新就是资源的巧妙组合。善于整合资源，才能达到资源的最优配置，从而实现有意义的创新。
在确定桥梁宽度和跨度的主要尺寸之后，为增强桥梁的承载性能，桥梁结构件的尺寸越大，桥梁的整体承载能力就越大。与此同时，增加了桥梁的整体质量，即桥梁的自重。比赛要求桥梁实体模型的重量不能超过40克，实体的自重限制了桥梁构件的尺寸。查阅相关资料，相同质量的杆件，长方形截面比圆形截面承受压力要大，能承受更大的弯矩。因此，在设计建模时把桥拱的横截面设计成扁平的长方形。为了减轻桥梁的自重，在设计建模时，把拱桥的桥面作了省略处理，只保留两根梁的中承式拱桥。学生用3D建模设计好桥梁各部件后，在MPrint操作软件上进行模型切片，可以知道实体模型打印后的信息：实体用料长度、实际质量（自重）和打印时间。
人类发展中的每一项发明创造，每一项科学试验，本质上都是对资源以不同方式整合的结果。
优化桥梁的结构，锻炼思维的深刻性
事物的特征有主要的有次要的，有表有里，有现象有本质，要创新，就要善于抓住事物内在的、本质的、规律性的特征。思维的深刻性，是指思维要有深度，思想要见精髓，见解要深邃透彻。思维的深刻性，体现了对事物的认识由量变上升到质变。
在设计完桥梁主要构件的形状和尺寸后，接下来要对桥梁的整体结构进行优化。为增强桥梁的承载性能，由受力分析可知，拱是受到荷载的压力，在拱的截面上受到的是弯矩，因此通过增加拱与桥的横梁之间的系杆和斜杆，从而增强拱桥的整体抗弯能力和承载能力。又由于拱桥是经过拼装的，拱桥的两片拱之间考虑用活动的拉杆设计成卡扣式连接，使拱桥成为一个整体。在两拱之间设计一个插件结构用于连接左右两片半桥拱，插件结构上部中间设计一个凹槽作为悬挂加力区域，以便穿绳集中加力，如图5。
3D建模设计融入中小学信息技术教育，为学生的数字化学习与创新搭建了一个培养创新思维能力的良好平台，而学生创新模型设计挑战赛则是培养学生创新思维能力的一个有效载体。事实上，将3D建模设计带到中小学的目标，一是把新科技教给学生，创造性地解决问题；二是促进学生间的创新思维的交流和协作；三是激发学生想象一个更美好的未来，并最终去创建它。
作者单位：浙江诸暨市大唐镇中学
【关键词】3D建模；创新思维；核心素养
【中图分类号】G434 【文献标识码】A
【论文编号】1671-7384（2018）01-0069-03
创新思维是指以新颖独创的方法去解决问题的思维过程，具有高度机动性和坚持性，且能清楚地勾划和解决问题的思维活动。通过这种思维能突破常规思维的界限，以超常规甚至反常规的方法、视角去思考问题，提出与众不同的解决方案，从而产生新颖的、独到的、有社会意义的思维成果。绍兴市第二届“我爱3D”创新模型设计挑战赛是在第一届基础之上新增的一项赛事项目。此次挑战赛项目的内容为“载重桥梁设计”，比赛在选手作品打印完成后，通过静力加载的方式考查桥梁的承重能力。比赛成绩以桥梁承载的重量和桥梁的外观形象为主要判断依据。
选定桥梁的类型，锻炼思维的广阔性
通常，我们只在一定的范围内思考事物。如果我们能够把思考的空间放大，从一個更大的范围来思考，就可能发现思维的创新点。
桥梁对于生活在江南水乡的绍兴学生来说是随处可见的，是最为学生所熟悉的。桥梁是为道路跨越天然或人工障碍物而修建的建筑物，它架设在江河湖海上，使车辆行人等能顺利通行。桥梁除了具有通行功能之外，另一个功能是起到承载负荷的作用。那么一座桥梁能承载多大的负荷呢？它所能承载的负荷跟什么有关呢？这就要求学生积极开动脑筋，运用联想思维，回想平时所见过的桥梁有哪些，它们的结构又是怎样的，思考怎样的桥梁承载能力最大，梁桥、拉索桥还是拱桥。
学生们通过互联网或其他途径寻找世界各地的桥梁设计类型，了解桥梁建筑的结构和受力知识。如图1～3，为三类桥梁的受力示意图。
桥梁结构有很多类型，我们在选择桥梁类型的时候，除了考虑哪种桥梁结构适合于现实情况、结构设计是否合理之外，更要关注桥梁结构所能承受的最大荷载，也就是桥梁的安全系数。
根据所查资料分析，对小跨径桥梁而言，自重相同的梁桥、拉索桥、拱桥中，拱式结构的桥梁承载力最强。梁桥在集中荷载下承重构件受到弯曲变形为主，拉索桥的承重构件（主缆索）以受拉为主，而拱桥承重构件（拱圈）以受压为主。但由于挑战赛项目限定桥梁的最小跨度，又限定桥梁的自重不超过40克，跨度增加了自重肯定也增加，这样就不能设计出跨径大且自重小的桥梁。另外，又因为拱桥在受力时会产生很大的水平推力，拱式结构要求的下部结构都比较强大，所以拱桥的承载力应当是最大的（只要拱桥两端能承受足够的水平推力）。如图4，为三种常见的拱式桥梁。
通过查阅资料分析对比，提升了学生对桥梁选型的视野：桥梁的结构，桥梁的受力，各种结构桥梁的优缺点和适用情况等等，了解这些知识使学生的思维变得更广阔。
确定桥梁的尺寸，锻炼思维的敏捷性
创新不仅要出奇制胜，更要以快制胜，思维的敏捷性是创新能力的重要要求。
在选定好桥梁类型后，就可以进行桥梁的外形设计了。要设计外形，就要知道桥梁各主要部件具体的尺寸大小。比赛的要求已明确模型的尺寸：制作出一个宽度不小于5cm、跨度30cm以上的桥梁模型。看上去两个简单的尺寸数值，但仔细分析知道：桥梁受跨度的限制，不能过长。如果跨度过长，那么要求用40克的PLA材料制作出宽度不小于5cm、跨度30cm以上的实体模型，可以想象模型的纤小了；更何况桥梁模型的强度会变得很脆弱，达不到挑战载重极限的比赛任务。比赛用3D打印机能够打印出实体模型尺寸最大是220*220*180mm，要想打印跨度为30cm以上的实体模型显然是行不通的，所以在设计规划模型尺寸时，就应当将模型分成几部分进行设计。比赛项目也要求桥梁主要部件（包括桥跨结构、桥墩、附属设施等功能性部件）须由6个及以上零部件拼装而成，而且不得用胶水粘合或其他配件帮助部件和部件之间的结合；桥面正中还须设计悬挂加力区域，以便穿绳集中加力。这样进一步印证桥梁实体模型至少由6个部件拼装。
限定桥梁的自重，锻炼思维的整合性
某种意义上，创新就是资源的巧妙组合。善于整合资源，才能达到资源的最优配置，从而实现有意义的创新。
在确定桥梁宽度和跨度的主要尺寸之后，为增强桥梁的承载性能，桥梁结构件的尺寸越大，桥梁的整体承载能力就越大。与此同时，增加了桥梁的整体质量，即桥梁的自重。比赛要求桥梁实体模型的重量不能超过40克，实体的自重限制了桥梁构件的尺寸。查阅相关资料，相同质量的杆件，长方形截面比圆形截面承受压力要大，能承受更大的弯矩。因此，在设计建模时把桥拱的横截面设计成扁平的长方形。为了减轻桥梁的自重，在设计建模时，把拱桥的桥面作了省略处理，只保留两根梁的中承式拱桥。学生用3D建模设计好桥梁各部件后，在MPrint操作软件上进行模型切片，可以知道实体模型打印后的信息：实体用料长度、实际质量（自重）和打印时间。
人类发展中的每一项发明创造，每一项科学试验，本质上都是对资源以不同方式整合的结果。
优化桥梁的结构，锻炼思维的深刻性
事物的特征有主要的有次要的，有表有里，有现象有本质，要创新，就要善于抓住事物内在的、本质的、规律性的特征。思维的深刻性，是指思维要有深度，思想要见精髓，见解要深邃透彻。思维的深刻性，体现了对事物的认识由量变上升到质变。
在设计完桥梁主要构件的形状和尺寸后，接下来要对桥梁的整体结构进行优化。为增强桥梁的承载性能，由受力分析可知，拱是受到荷载的压力，在拱的截面上受到的是弯矩，因此通过增加拱与桥的横梁之间的系杆和斜杆，从而增强拱桥的整体抗弯能力和承载能力。又由于拱桥是经过拼装的，拱桥的两片拱之间考虑用活动的拉杆设计成卡扣式连接，使拱桥成为一个整体。在两拱之间设计一个插件结构用于连接左右两片半桥拱，插件结构上部中间设计一个凹槽作为悬挂加力区域，以便穿绳集中加力，如图5。
3D建模设计融入中小学信息技术教育，为学生的数字化学习与创新搭建了一个培养创新思维能力的良好平台，而学生创新模型设计挑战赛则是培养学生创新思维能力的一个有效载体。事实上，将3D建模设计带到中小学的目标，一是把新科技教给学生，创造性地解决问题；二是促进学生间的创新思维的交流和协作；三是激发学生想象一个更美好的未来，并最终去创建它。
作者单位：浙江诸暨市大唐镇中学