福建省泉州第一中學 蔡海波

空間想象能力在科學素養(yǎng)、技術素養(yǎng)、工程素養(yǎng)、數(shù)學素養(yǎng)這幾個STEM培養(yǎng)目標中都是不可缺少的，STEM理念下的學科融合學習活動離不開空間想象能力的支持，創(chuàng)新能力和創(chuàng)新思維也受益于空間想象能力表現(xiàn)，空間想象能力的重要性不言而喻。雖然人類一切活動都在三維空間世界里，對于空間觀念照理應該是駕輕就熟的，然而事實上并非如此，人們在這方面的表現(xiàn)參差不齊。特別是對于正在成長的學生來說，要很好地將具有一定空間結構的物體在頭腦中設想出來，并準確表達呈現(xiàn)出來，并不是普遍能做到的。因此，高效地提升學生空間想象能力有著重要的實踐意義。

一、3D建模教學的優(yōu)勢

對我校學生“空間想象能力水平測試”的調(diào)查問卷進行分析，得出以下結果。第一，隨著年齡的增長，學生的整體空間想象能力呈上升趨勢；第二，學生在各個水平上的發(fā)展不均衡，大部分學生能借助二維空間圖形來分析三維空間形狀的特征、位置及數(shù)量，圖形分析能力是被認可的，但將二維空間圖形還原成三維空間形狀時容易出錯，三維空間形狀轉換成二維空間圖形的能力一般；第三，學生對二維空間圖形的空間想象操作容易出現(xiàn)錯誤，例如多次旋轉容易出現(xiàn)混亂，折疊與展開也經(jīng)常錯位；第四，對于利用直觀想象描述、探究三維空間形狀問題、揭示問題本質等水平上，學生表現(xiàn)較為薄弱。

根據(jù)學生空間想象能力現(xiàn)狀，是有必要進行教學干預的，提升學生空間想象能力可利用實物模型法、規(guī)范制圖法等教學方法，但是較為科學高效的是3D建模法。在本質意義上，3D建模法能讓學生實踐空間觀察、空間構造、空間變換等空間操作，真正體會和領略空間概念，鍛煉空間想象能力。對于技術類學科，熟練地掌握3D建模方法，就能利用軟件快速準確地繪出基本立體結構，具體且直觀，而且還能幫助學生學會分析復雜立體結構的基本構成，提高學生的空間分析能力。我校利用現(xiàn)有軟硬件設施設立了一套應用3D建模促進學生空間想象能力發(fā)展的教學實踐方案，該方案具有可行性、可操作性、可評價性的優(yōu)秀特點。通過教學實踐研究，構建提升學生空間想象能力的教育培養(yǎng)機制，對于學生的多個學科，如通用技術、數(shù)學、物理、信息技術等的學習影響甚大。

二、3D建模教學實踐

借鑒我校教師主編的福建省信息技術教材《三維藝術設計》，組織多位教師參與共同開發(fā)校本教材《3DOne教程》，并將教材內(nèi)容添加到初中的綜合實踐和高中的通用技術學科教學中，不斷調(diào)整修正實際教學中的教學策略。

（一）循序漸進、由簡及繁

教學循序漸進、由簡及繁是遵循學生認知發(fā)展規(guī)律的。從簡單基礎的三維模型繪制開始，例如正方體、長方體、球體、圓柱體、棱柱體、椎體等，讓學生從多角度認真觀察所繪制的各種模型結構，一方面體會各種模型的不同幾何特點，另一方面感受幾何體的立體效果。在加強認知基礎后，逐步提高模型結構的復雜性，讓學生在復雜的空間構圖中，利用作圖工具對空間圖形進行旋轉、翻轉、分解、作截面等操作，潛移默化地提升空間想象能力。學生經(jīng)歷此過程后，不但積累了經(jīng)驗、鍛煉了能力，也熟練了3D建模軟件的操作技巧。另外要補充的是，因教學針對的是中學生，模型結構的復雜程度設置是有一定界限的。

（二）加強二維圖形與三維結構的思維切換鍛煉

空間想象能力強，其直接的表現(xiàn)是能熟練地通過對二維圖形的觀察，經(jīng)過大腦的加工處理，快速準確地感知三維結構的形狀、位置等特征。因此，加強二維圖形與三維結構的思維切換鍛煉，是提升學生空間想象能力的另一個重要手段。

二維圖形與三維結構的思維切換，按照方向分類可分為正向切換與逆向切換兩種。思維正向切換即把二維圖形切換成三維結構的思維想象轉變過程，這個過程根據(jù)所提供二維圖形的不同，又可分為正向直觀轉變和拼接轉變兩種方式。正向直觀轉變是把已表現(xiàn)出立體特征的二維圖形轉變成三維結構的過程，例如，將設計草圖或正等軸測圖利用3D建模軟件繪制出三維模型結構。因為設計草圖、正等軸測圖已經(jīng)展現(xiàn)出一定的立體結構特征，所以學生繪制時有對照，相對來說會容易一些。而拼接轉變則是將若干個不同視角的二維圖形轉變成三維結構的過程，例如，將三視圖利用3D建模軟件繪制出三維模型結構。多個不同視角的二維圖形要轉變成三維結構就必須發(fā)揮更為強大的想象力，把不同的二維圖形在頭腦中進行翻轉、拼接，組合成符合投影效果的三維結構。這對學生來說，難度上了一個層次。思維逆向切換則相反，是把現(xiàn)成的三維結構切換成二維圖形的過程，它也可分為逆向直觀轉變和拆分轉變。逆向直觀轉變是把現(xiàn)成的三維結構，轉變成能表現(xiàn)出立體特征的二維圖形的過程。這個過程相當于在畫素描，會比較直接，相對較容易。拆分轉變是把現(xiàn)成的三維結構，轉變成若干個不同視角的二維圖形的過程。學生在進行拆分轉變時，完全可以通過轉動3D建模軟件里的模型，直觀觀察各個視角的形狀特征，幫助其完成二維圖形的繪制。

通過重復性的二維圖形與三維結構的思維切換鍛煉，學生在思維切換上更加準確快速。為了評價教學實施效果，對訓練前后學生的空間想象能力水平進行測試，結果發(fā)現(xiàn)，學生的空間識圖和空間想象能力有了明顯的提升，而且學生的測試時間也有所減少。

（三）興趣使然，水到渠成

興趣是最好的老師，有了學習興趣，學生的積極性和主動性就能充分發(fā)揮出來，同時可以營造寬松、和諧的學習氛圍。所以，教師在教學時，應該從學生興趣入手，例如構建有藝術氣息的花瓶模型，酷炫的車輛、船舶模型，別致的建筑模型等主題作為引導，這些主題往往可以極大地吸引學生的興趣，讓學生在復雜的空間構圖中，在極具個性化的創(chuàng)作中，潛移默化地完成空間想象能力的提升。

（四）學科典型空間模型的素材應用

中學學科課程中有許多空間結構相關的知識，例如，數(shù)學學科中三角函數(shù)和幾何部分的知識，物理學科中場的理論、微觀粒子、宏觀天體，化學學科中分子結構、化學反應的微觀本質，生物學科中生物的組織結構，地理學科中空間方位和范圍的識別，等等。教師在講解這些知識點時頗費口舌，但有的學生仍聽不明白。分析原因，這與學生的空間想象能力欠缺有關系?；诖?，在3D建模教學中，引進其他學科的典型空間概念模型作為素材，讓學生在3D建模軟件上構建出來，學生能將所學學科的定理、公式、概念與3D模型進行有機結合，幫助學生加強對學科要點的理解與應用，提高學科教師的課堂教學效率。應用過程也能培養(yǎng)學生的靈活應變能力，激發(fā)學生的空間想象能力，落實對學生綜合能力的培養(yǎng)。

三、賽事補充，在實際應用中鍛煉

指導學生參加各種賽事，充分體現(xiàn)了STEM的教育理念。STEM教育理念是科學、技術、工程和數(shù)學的有機融合而不是簡單組合，是要學生把碎片化的知識與技能進行整合，達到解決實際問題的目的?？茖W、技術、工程、數(shù)學在交互中相互補充，在碰撞中相互支撐，學生才能在學習活動中真正培養(yǎng)起各方面的認識和能力。通過指導學生參加各種賽事，在實踐中鍛煉了學生的空間想象能力、物化能力、創(chuàng)新能力。特別有幾個項目如“3D復原校園標志建筑物眾籌項目”“一種學生專用的新型電子口罩研究”“一款STEAM類課程的學具——個性鋼琴”，都利用了3D建模方式，構造了創(chuàng)新項目的結構配件。3D建模讓學生學會把頭腦想象的結構在電腦軟件中體現(xiàn)出來，這無疑是空間想象能力的正向表現(xiàn)，同時也是電腦3D結構對空間想象能力的反向促進，使得學生創(chuàng)造性地進行學習活動的能力大大增強?？梢钥闯?，培養(yǎng)空間想象能力能在一定程度上培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)造力。

總之，在STEM理念下，不論是從落實學科素養(yǎng)的需要，還是從促進學生創(chuàng)造力提升的角度來說，加強對學生空間想象能力的培養(yǎng)都是至關重要的。一線教師要發(fā)揮自己的主導作用，強化學生的主體作用，立足學科教學特點，通過多樣的教學形式、教學情境來激發(fā)學生思維，讓學生在日常學習中得到能力的鍛煉。強大的空間想象能力一旦形成，對學生后期的學習及至今后走上工作崗位都是很有幫助的。