沪ICP备06058754号-1
让3D打印放飞孩子的创想--面向创新教育的3D打印设计软件UX探索与实践

白宏伟

2019-06-25

用户体验 文集

2018年学术论文欣赏

本文段落精选

 

随着新的科学技术的不断发展,创新教育既是时代发展的需要,更是国际竞争和人才竞争的需要。

 

本文从竞品分析和产品定位入手,基于青少年中小学的认知发展,研究了3D设计软件和3D创造力课程的用户体验应用模式,并以IME3D青少年3D打印创新教育平台为例,进行了探索实践。

 

通过两年多的时间,IME3D产品在全国28省市自治区超过1000所中小学进行使用验证和教研活动。由于3D打印技术只是创客教育中的一种数字化手段,课程的研发可以将其与智能电子硬件和少儿编程等其他多样化的方式进行结合,以适应未来教育的需要,让3D打印新型技术进一步提升孩子们的创造力和想象力。

 

 

让3D打印放飞孩子的创想

---面向创新教育的3D打印设计软件UX探索与实践

 

白宏伟

湖邀为(上海)数字技术有限公司(IME3D)

 

 

 

摘要: 

 

基于3D打印技术在中国的发展和普及,不少学校和培训机构也已开始设立面向青少年学生的3D打印课程,使之成为创客教育和STEAM教育的核心内容。3D打印必需利用3D软件设计3D模型作为数据输入才能实现造物过程,而市面上与之配套的3D设计软件和课程却没有很好的解决方案,许多场合仍然使用专业级3D设计软件来代替,不符合青少年中小学阶段的认知水平和使用习惯,用户体验和实施效果也欠佳。本文以青少年3D打印创客教育中所必须的3D设计软件和配套课程为出发点,对软件和课程产品用户体验进行探索,并在实践教学进行验证。

 

关键词:3D打印  3D设计  创新教育  课程

 

 

 

一 前言

 

创客教育是创客文化与教育的结合,其基于学生兴趣,以项目学习的方式,使用数字化工具,倡导造物,鼓励分享,是培养跨学科解决问题能力、团队协作能力和创新能力的一种素质教育[1]

3D打印技术作为第三次工业革命和工业4.0的代表性技术,其基于计算机辅助设计、计算机三维数据处理、数字化增材制造等多项先进技术,够依据计算机图形数据,全自动生成任何形状的实物物体,作为最安全、最便捷、最经济的一种数字化造物手段,符合“素质教育”、“创客教育”和“STEAM教育”理念,能够很好的与科学、技术、数学、艺术、工程等众多学科结合,其扩展性超越机器人、乐高、智能硬件等创造力教育项目。在当前注重培养青少年创造力、创新和动手能力的教育背景下,3D打印在青少年创造力培训领域拥有极其广泛的应用空间。

 

1 3D打印在青少年创造力教育领域应用

(图片来源:IME3D课程产品)

二 竞品分析和产品定位

 

 

近年来,桌面级3D打印机发展很快。据不完全统计,全国的数百家厂商在研发各种各样的新的3D打印设备,推动3D打印设备朝着智能化、多元化与低成本化方向发展,基本具备了在教育领域普及和发展的技术基础,由于3D打印必须要有3D设计软件生成的3D模型作为数据输入,而市面上与之配套的面向青少年创新教育3D设计软件和课程没有很好的解决方案,很多场合在用专业级软件及其使用说明来代替。目前常见的几种解决方案如下:

 

(1)3D打印机+3D模型库

由于缺乏适合青少年的3D打印创新应用,部分厂商提供3D打印机+模型库的创新教育解决方案。该方案缺乏扩展性和教育性,只能重复的下载模型并3D打印,侧重于3D打印功能演示,只能勉强支撑1-2节3D打印体验课,不能满足学校和教育机构系统性开展3D打印创造力培养的需求。在过去的1-2年之间,很多此类方案进入了学校,但学校普遍反映打印机闲置,不能支撑教学,对3D打印创新教育带来了不好的影响。

 

(2)3D打印机+游戏类3D软件

3D游戏类软件也是一种可以与3D打印结合的软件,以“我的世界”、“Tinkerplay”等游戏类软件为例,可以输出模型进行3D打印。游戏类3D软件虽然操作简单,但是其教育意义有限,很难和科学知识、动手练习相结合构成创新教育体系,只能在幼儿阶段进行兴趣引导,不能真正用于教学。

 

(3)3D打印机+专业级3D建模软件

3D建模软件是针对工程领域的3D解决方案,其设计输出的3D模型可以很好的与3D打印结合,是未来智能制造、工业4.0的必然解决方案。3D建模软件针对工程师等专业人员,需要专业的技能,使用门槛高,普及教育阶段的青少年很难掌握,而且通常专业3D建模软件费用也很高。目前在全球范围内,很少有应用专业3D建模软件到青少年3D打印创新教育领域,然而在国内由于缺乏对应的解决方案,存在一些厂家临时提供盗版的3D建模软件给中小学用户,但很难真正的应用成功,对于教育市场造成了不良的影响。

由此可见,把3D打印应用于创新教育,不仅仅是3D打印机本身,核心在于设计创新。除了3D打印机之外,必须要有真正能发挥青少年学生创造力的3D设计软件、体系化的课程以及专业的师资培训。为了更好的通过3D打印这一新型技术来放飞孩子们的创想,针对青少年用户的3D设计软件和配套课程方面用户体验的探索与实践,与3D打印机同样重要。

 

2 3D打印创新教育的核心内容

 

 

三 产品设计探索和实践

3.1 基于青少年认识的3D软件探索

 

 

虽然传统的3D设计软件已经发展了近40年,用户体验也在不断的进行改善,但是针对专业人士的定位不符合青少年中小学生的认知水平和理解能力,很难在创客教育中得到良好应用。

对于青少年认知水平的发展,有许多理论和实验方面的研究,皮亚杰关于“认知发展”的基本观点是被大家广为认可的,他认为个体一般认知能力的形成及其认知方式是随着年龄、经验的增长而发生变化,特别是青少年认知的发展是通过认知结构的不断构建和转换而实现的;儿童认知的发展是连续性与阶段性的统一,每个阶段都是前面阶段的延伸,是在新水平上对先前阶段进行改组而形成的系统[2]

基于该观点我们不难发现,从小学一年级一直到初中三年级甚至高中阶段,3D打印创新教育中如果只用某款单一的设计软件,显然是不合适的。为了能更符合青少年的认知水平和理解能力,3D设计软件必须要打破常规的专业计算机辅助设计(CAD)软件的建模方法,结合青少年在不同阶段熟悉的表达方式 – 绘画、积木、拼接、捏橡皮泥、数学、逻辑判断等,涵盖从简单到复杂的系列化3D创新设计软件。

 

3 青少年不同阶段熟悉的表达方式

 

 

 

通过对比分析传统专业的3D设计软件和针对青少年的3D设计软件,可以发现在以下几方面的不同。

 

 

 

表1 不同用途的3D设计软件对比分析

 

专业3D软件

青少年用3D软件

针对人群

专业人员

中小学学生

功能数量

>1000

<100

命令方式

抽象工程化

具象趣味化

学习周期

>3个月

<1个月

 

 

 

基于以上分析,本产品针对的目标用户主要是青少年中小学生,同时由于对该类软件的使用只是作为“创客教育”的工具,学习软件本身不是目的,软件本身的学习周期应该尽可能的短。因而本文主要基于青少年认知水平和理解能力,从软件产品“功能数量”和“命令方式”两个维度对软件设计进行探索。

 

 

3.1.1 功能数量

 

通常在设计软件产品时,关注较多的是功能本身,而不会太在乎其数量,特别是由于3D设计软件能够作出非常复杂的模型,所用到的功能数量成百上千,虽然专业3D设计软件功能数量繁杂,但大多是模块化呈现,每个不同的模块中包含的功能数量并不多,且能较好的用青少年熟悉的表达方式来呈现。

比如,专业软件中的“基于草图绘制进行拉伸实体模型”便可以用“从2D涂鸦绘画加厚变为3D模型”的方式来表达和呈现;同时,再将孩子们进行实物操作的造物方式用数字化的方式呈现,比如在电脑中利用搭积木的方式进行3D模型创建,数字化表达中的许多优势(大小可随意修改、形状多变等)使得积木堆叠有了更多的可能,再通过3D打印变为实物。

按此方式,便可将庞大而复杂的专业3D软件设计为功能数量可控制的系列化“Mini软件”,并且保证各软件之间有一定的功能和逻辑重叠,满足青少年认知水平的连续性。下图显示的IME3D系列化3D设计软件,每个软件的功能数量均少于100个,软件名称和功能均结合青少年熟悉的表达方式进行设计。

 

4 IME3D系列化3D设计软件

3.1.2 命令方式

 

除了软件功能本身,教育用3D设计软件的命令方式也需要符合青少年中小学生的认知和理解水平,才能提升其可用性(Usability)和用户友好(User Friendly)体验,让孩子一看便知道该功能所表达的意思,不需要进行尝试和摸索。

也可能是由于专业的3D设计软件中功能太多,功能的传达是非常抽象的,且大多数都是通过很小的图标来表示,不便于中小学生理解。以下通过IME3D系列化3D设计软件中的两个设计案例进行说明。

案例1: 如图5(1)所示,某专业的3D人物设计软件中对模型的调整功能命令均以小图标的方式表示。为了能更好的符合青少年学生用户,IME3D系列化软件中3D漫像人物设计软件中使用了较为具象的“图标+通俗易懂文字”的命令方式,如图5(2)所示。

 

(1)某专业3D人物设计软件

(2)IME3D-3D漫像人物设计软件

5 软件命令比较

 

案例2: 参数修改是3D数字化设计软件的优点之一,学生可利用该特点对自己的设计进行修改。(图6-左)为某设计软件中参数修改功能中各项命令的方式,过于专业的表述很难被小学生理解;IME3D系列化软件中的快速3D建模将常用模型的参数用非常生活化的方式来表述,使得小学生们快速理解参数化的概念(图6-右),随着其年龄增长和认知水平的提升,再改为较为抽象的命令方式。

 

 

6 参数修改命令比较

 

 

3.2 基于PBL的3D创造力课程探索

 

 

3D打印创新教育,作为一种新型数字化工具与教育结合的产物,课程的设计同样应当从青少年了解的知识点开展,而不应当将3D打印或3D设计技能掌握本身作为课程设计的重点。

在适合青少年认知水平和动手能力的系列化3D软件的基础上,以“创造力培养+学科知识融合+3D设计+3D打印知识+互动实践”为出发点,以PBL(项目式教学法)所倡导的“项目为主线、教师为引导、学生为主体”核心思想,开发基于3D打印的创客教育课程体系。与3D设计软件不完全相同,为了使课程能实际运用于课堂中,每个课程需要包含讲义、教案、教材以及其他辅助素材资料。

以“音乐之旅”主题课程为例,里面除了包含外观设计和3D打印等技术知识点,前期的导入需要从青少年所熟知的音乐基本知识以及物理科学中振动和传播介质切入;同时课程的设计也需要考虑青少年认知的连续性:声音的产生à节奏à旋律à音乐,循序渐进,且每个课程均是一个完整的项目,从而才能达到创客教育所倡导的互动实践效果。

 

(1)课程目标和学科融合知识点

(2)PBL课程内容设置框架

6 基于PBL的3D打印教育课程案例框架

 

与传统教育课程不同,3D打印创新教育最后的3D设计模型呈现是较为重要的,特别是3D打印也需要有3D数字模型。因此,课程完成后对3D模型的收集是不可缺少的功能;同时对课程所达到的效果以及学生学习该课程后考核与评价的机制也不能像学科课程考试那样去评判。因次,将系列化的3D设计软件和完善的3D打印课程集成于同一平台会更有利于学校进行课程开展。

基于此,IME3D青少年3D打印创新教育平台集成了系列化3D设计软件和完善的课程体系[3],如图7所示。平台界面左侧为9款设计软件,右侧为针对青少年不同阶段的课程体系,涵盖了小学、初中和高中不同用户群体的需求,全方位支持老师开展3D打印创新教育。

 

图7 IME3D青少年3D打印创新教育平台

 

3.3 产品实践验证和未来发展建议

 

3D打印创客教育活动可根据学生年龄特点和学校特色展开,主要有科普体验类活动、常态化教学、学校社团/兴趣类活动、夏令营/冬令营类活动、竞赛培养等。产品验证走入各类活动,组织形式上采用了校园、家庭和社会大课堂相结合的方式,以校园学习为主导。

 

 

8 产品实践“让3D打印放飞孩子的创想”

 

 

通过两年多的时间,IME3D产品在全国28省市自治区超过1000所中小学进行使用验证和教研活动,得到了许多宝贵的建议,在对产品进行更新的基础上,也对该类软件产品未来的发展总结出一些建议:

(1)随着近年来移动设备的发展,许多学校已经使用移动设备作为数字化教学的工具,未来可将3D设计软件这样功能相对较为复杂的PC端产品“移植”到Pad或Mobile端,对其功能数量和交互方式进行更好的优化和提升。

(2)由于3D打印技术只是创客教育中的一种数字化手段,课程的研发可以将其与智能电子硬件和少儿编程等其他多样化的方式进行结合,以适应未来教育的需要。

 

四 小结

 

随着新的科学技术的不断发展,创新教育既是时代发展的需要,更是国际竞争和人才竞争的需要。在2015和2016年教育部在《教育信息化“十三五”规划》中多次提到创新教育的重要性,并鼓励将3D打印技术在教育领域的推广。本文从竞品分析和产品定位入手,基于青少年中小学的认知发展,主要研究了3D设计软件和3D创造力课程的用户体验应用模式,并以IME3D青少年3D打印创新教育平台为例,进行了探索实践,让3D打印新型技术进一步提升孩子们的创造力和想象力。

 

 

参考文献:

 

【1】谢作如,创客教育的DNA http://www.cssn.cn/jyx/jyx_ptjyx/201701/t20170116_3386133.shtml

【2】百度百科,认知发展理论 https://baike.baidu.com/item/认知发展理论/7876079?fr=aladdin

【3】www.ime3d.com

 

 

 

 

 

 

 

 

UXPA中国会员登录

记住我

第三方登录

×

微信登录

×
请使用微信扫描二维码登录 “UXPA中国官网”

下雨的春天

已使用微信登录(更换账号)

×

会员密码找回

×