文 劉建明 沈 衛(wèi)

2013年數(shù)字南京教育裝備工作目標(biāo)：推進(jìn)科技實(shí)踐活動(dòng)室或技能創(chuàng)造室的裝備，全面實(shí)現(xiàn)每一所學(xué)校擁有一個(gè)以上主題鮮明、品質(zhì)優(yōu)良，與學(xué)?？萍紝?shí)踐活動(dòng)相適應(yīng)、與學(xué)校科技藝體特色發(fā)展相適應(yīng)的實(shí)驗(yàn)室；全市創(chuàng)新推進(jìn)并累計(jì)裝備建成100個(gè)高水平、高品質(zhì)的機(jī)器人、三模科技、農(nóng)業(yè)科技種植園等特色實(shí)驗(yàn)室，成為南京科技教育的核心與引領(lǐng)基地。評(píng)選100個(gè)優(yōu)質(zhì)科技實(shí)驗(yàn)室[1]。

為此，江蘇省南京市教育裝備與勤工儉學(xué)辦公室主任后有為帶隊(duì)去山東省濟(jì)南市歷城區(qū)觀摩三維打印技術(shù)培訓(xùn)，參觀學(xué)校創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，從而了解山東在創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方面的一些做法，以及在創(chuàng)新大賽上獲得佳績(jī)和向高校輸送人才的經(jīng)驗(yàn)。

一、社會(huì)為什么需要?jiǎng)?chuàng)新設(shè)計(jì)和技術(shù)應(yīng)用

《中國(guó)玩具制造業(yè)利潤(rùn)研究報(bào)告》顯示：以玩具加工業(yè)為例，一個(gè)芭比娃娃在美國(guó)市場(chǎng)上的平均價(jià)格為9.9美元，而制作這個(gè)芭比娃娃的中國(guó)企業(yè)只能拿到 0.35美元加工費(fèi)。中國(guó)企業(yè)所依賴(lài)的是相對(duì)低廉的勞動(dòng)力和原材料成本，對(duì)外的競(jìng)爭(zhēng)力也只是低成本帶來(lái)的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，所以只能依靠大批量生產(chǎn)，以薄利多銷(xiāo)來(lái)賺取不多的加工費(fèi)。我國(guó)很多行業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)大部分來(lái)自進(jìn)口，其中：工程機(jī)械高技術(shù)產(chǎn)品80%；數(shù)控機(jī)床70%；石油化工裝備76%；集成電路芯片制造設(shè)備80%；光纖制造裝備100%；通訊、半導(dǎo)體、生物、醫(yī)藥和計(jì)算機(jī)行業(yè)60%～90%；彩電、手機(jī)和微機(jī)的CPU都是掌握在別人手里[1]。

歷史上，中國(guó)是人類(lèi)創(chuàng)新和技術(shù)進(jìn)步的搖籃，世界著名科技史學(xué)家李約瑟博士曾經(jīng)列舉了中國(guó)傳入西方的26項(xiàng)技術(shù)，世界科技史上的前27項(xiàng)重要發(fā)明中18項(xiàng)來(lái)自中國(guó)。我國(guó)古代科技發(fā)明燦若星辰，對(duì)世界科技發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。美國(guó)學(xué)者坦普爾在《中國(guó)：發(fā)明與發(fā)現(xiàn)的國(guó)度》一書(shū)中詳細(xì)描述了“中國(guó)領(lǐng)先于世界”“西方受惠于中國(guó)”的中國(guó)古代100項(xiàng)技術(shù)發(fā)明。以史為鑒，古為今用，技術(shù)進(jìn)步源于創(chuàng)新，創(chuàng)新設(shè)計(jì)源于服務(wù)現(xiàn)實(shí)，創(chuàng)造未來(lái)。大項(xiàng)目是創(chuàng)意，小改進(jìn)也是創(chuàng)意，高科技是創(chuàng)意，簡(jiǎn)約明快也是創(chuàng)意。功能原理是創(chuàng)意，美化外觀也是創(chuàng)意。靈感來(lái)源于生活，創(chuàng)意讓世界更美好。

二、創(chuàng)新設(shè)計(jì)在初高中技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用

圖1 南京市教育裝備與勤工儉學(xué)辦公室主任后有為到濟(jì)南市歷城區(qū)參觀三維打印技術(shù)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室

我國(guó)“十二五”規(guī)劃提出要深入實(shí)施科教興國(guó)戰(zhàn)略和人才強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略，加快建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家，需要?jiǎng)?chuàng)新型人才，創(chuàng)新型人才培養(yǎng)，教育是基礎(chǔ)和前提。李克強(qiáng)同志強(qiáng)調(diào)：“要注重從青少年入手培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力，積極改革教育體制和改進(jìn)教學(xué)方法?！?011年，奧巴馬總統(tǒng)推出的新版《美國(guó)創(chuàng)新戰(zhàn)略》指出，美國(guó)未來(lái)的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力取決于其創(chuàng)新能力?！皠?chuàng)新教育運(yùn)動(dòng)”指引著公共和私營(yíng)部門(mén)聯(lián)合，以加強(qiáng)創(chuàng)新技術(shù)教育。

三維打印技術(shù)是專(zhuān)家預(yù)測(cè)的2013年十大技術(shù)革命之一，在打印過(guò)程中，打印機(jī)將根據(jù)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的模型從底部開(kāi)始逐層堆積塑料、金屬、合金等材料。憑借三維打印技術(shù)可以依據(jù)數(shù)字設(shè)計(jì)文件制造出固體結(jié)構(gòu)，一旦物品能夠在家或辦公室遠(yuǎn)程打印出來(lái)，新技術(shù)將引發(fā)一場(chǎng)制造業(yè)革命[2]。三維打印技術(shù)在初高中技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用，將對(duì)培養(yǎng)創(chuàng)新型人才產(chǎn)生重要作用。

1.提高教學(xué)效率，發(fā)展學(xué)生的創(chuàng)新思維

三維設(shè)計(jì)軟件、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件在三視圖學(xué)習(xí)中針對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)間少、沒(méi)有基礎(chǔ)等問(wèn)題提供全新的教學(xué)手段，輔助三視圖及其畫(huà)法教學(xué)，快速識(shí)讀技術(shù)圖。學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)軟件提供簡(jiǎn)單易學(xué)的設(shè)計(jì)手段及完整的設(shè)計(jì)資源庫(kù)。直觀的三維模型系統(tǒng)教學(xué)手段，讓設(shè)計(jì)像搭積木一樣簡(jiǎn)單有趣，對(duì)立體模型進(jìn)行平行移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、放大、多視窗等操作[3]。

圖2 羊角錘的三視圖與立體圖

2.降低學(xué)習(xí)坡度，突破教學(xué)難點(diǎn)

從三維設(shè)計(jì)到二維出圖，學(xué)生在三維設(shè)計(jì)軟件里輕松完成，快速工程圖的生成能使學(xué)生做到設(shè)計(jì)與動(dòng)手能力的完美結(jié)合，促進(jìn)教育教學(xué)改革與學(xué)生學(xué)習(xí)方式的變革，是促進(jìn)師生共同成長(zhǎng)的研究與實(shí)踐過(guò)程。

圖3 三腳鼎的三視圖與立體圖

3.動(dòng)手動(dòng)腦結(jié)合，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的動(dòng)手創(chuàng)造

三維打印是一種快速成型技術(shù)，它以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體，讓動(dòng)手與動(dòng)腦相結(jié)合，讓信息技術(shù)與通用技術(shù)相結(jié)合，讓三維設(shè)計(jì)與二維設(shè)計(jì)相結(jié)合，讓學(xué)生的設(shè)計(jì)和加工相結(jié)合。通過(guò)三維動(dòng)畫(huà)可以讓學(xué)生更好地理解彈性碰撞，讓機(jī)械機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的分析更加直觀清晰。

圖4 靠背椅的三視圖與立體圖

三、創(chuàng)新設(shè)計(jì)幫助學(xué)生放飛創(chuàng)新的翅膀

創(chuàng)新設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)在教育信息化中的精確定位是和探究實(shí)驗(yàn)室、通用技術(shù)實(shí)驗(yàn)室、綜合實(shí)踐實(shí)驗(yàn)室、信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)室、動(dòng)漫社相結(jié)合。創(chuàng)新軟件系列產(chǎn)品及三維打印機(jī)將掀起一場(chǎng)教育創(chuàng)新運(yùn)動(dòng)。通過(guò)創(chuàng)新軟件的運(yùn)用，讓我們的孩子和美國(guó)的孩子同步學(xué)習(xí)和發(fā)展，學(xué)有度、思無(wú)界、行無(wú)疆，創(chuàng)新設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)及三維打印技術(shù)在教育中的促進(jìn)作用有三：

一是可以引導(dǎo)中學(xué)生在生活中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，去主動(dòng)思考如何解決問(wèn)題，而不是簡(jiǎn)單地去抱怨問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生的人文精神和社會(huì)責(zé)任感。

案例1：旋轉(zhuǎn)窗

圖5

創(chuàng)意來(lái)源:在高層樓房擦玻璃是很危險(xiǎn)的，有沒(méi)有既安全又方便的擦窗戶(hù)方案？窗戶(hù)有調(diào)節(jié)風(fēng)、光的作用，如何利用窗戶(hù)來(lái)改善室內(nèi)的空氣循環(huán)和光線(xiàn)照明？

設(shè)計(jì)原理：百葉窗的結(jié)構(gòu)有可調(diào)節(jié)性，此類(lèi)窗戶(hù)也可以使用類(lèi)似的結(jié)構(gòu)，即將每扇窗分成若干扇小窗，每扇小窗可以繞軸旋轉(zhuǎn)。這樣可以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)風(fēng)和光的作用，并且在雨天也可以開(kāi)窗。尤其是高層樓房窗戶(hù)玻璃的擦洗變得十分簡(jiǎn)便了。

二是可以幫助中學(xué)生固化自己生活的直接經(jīng)驗(yàn)和親身經(jīng)歷中的“小靈感”，并通過(guò)自己的設(shè)計(jì)—制作—評(píng)價(jià)，達(dá)到“創(chuàng)造”的教學(xué)效果。

案例2：可升降課桌椅

創(chuàng)意來(lái)源：學(xué)校普遍存在著課桌椅不符合學(xué)生身材的現(xiàn)象，總會(huì)讓人覺(jué)得或高或低，影響學(xué)生的身體健康，于是便想到去設(shè)計(jì)一種可以升降且更具實(shí)用性的課桌椅。

設(shè)計(jì)原理：把思路定格在齒輪的傳動(dòng)上。在桌腿內(nèi)部各安裝兩個(gè)齒輪和兩條齒條，中間有一根傳動(dòng)軸連動(dòng)，再在其中一個(gè)桌腿的一側(cè)開(kāi)孔，利用一個(gè)把手轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪，這樣便能使桌面水平升降 。

圖6 利用三維打印技術(shù)制作出來(lái)的齒輪組

三是可以讓中學(xué)生高度綜合各學(xué)科、各方面的知識(shí)，并立足于實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)“做中學(xué)”和“學(xué)中做”。

案例3：自動(dòng)上下樓梯的自助輪椅車(chē)

創(chuàng)意來(lái)源：家里有殘疾人，上下樓梯不方便，有沒(méi)有可以幫助殘疾人自動(dòng)上下樓梯的自助輪椅車(chē)呢？

設(shè)計(jì)原理：市面上有自動(dòng)上下臺(tái)階的拖車(chē)，主要是依靠行星輪系的工作原理。如果把這個(gè)原理應(yīng)用到輪椅上，不就是可以幫助殘疾人自動(dòng)上下樓梯的自助輪椅車(chē)嗎？

案例4：物理學(xué)科中的成像原理

創(chuàng)意來(lái)源：來(lái)源于初中物理實(shí)驗(yàn)凸透鏡成像實(shí)驗(yàn)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)十分重要，但許多學(xué)生只知道概念而不清楚其中的原理與演示的過(guò)程。創(chuàng)意的意義在于把生活中的現(xiàn)象用自己的方式表現(xiàn)出來(lái)。

設(shè)計(jì)原理：運(yùn)用新穎的視覺(jué)與動(dòng)畫(huà)，讓大家耳目一新，將傳統(tǒng)的枯燥教學(xué)轉(zhuǎn)換為全新的模式，從而調(diào)動(dòng)起大家的學(xué)習(xí)興趣和熱情。

四、創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽為學(xué)生提供創(chuàng)新實(shí)踐的平臺(tái)

為了豐富中小學(xué)生學(xué)習(xí)生活，激發(fā)創(chuàng)新精神，培養(yǎng)實(shí)踐能力，全面推進(jìn)素質(zhì)教育，培養(yǎng)有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的創(chuàng)新人才，2013年第十四屆全國(guó)中小學(xué)電腦制作活動(dòng)和第二屆中國(guó)國(guó)際學(xué)生信息科技創(chuàng)意大賽專(zhuān)門(mén)設(shè)立了比賽項(xiàng)目(9)創(chuàng)新未來(lái)設(shè)計(jì)[4]。參賽者參考生活中的常見(jiàn)事物，通過(guò)計(jì)算機(jī)三維立體設(shè)計(jì)平臺(tái)創(chuàng)作設(shè)計(jì)作品。要求首先完成設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)，根據(jù)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)，通過(guò)軟件進(jìn)行三維模型的設(shè)計(jì)、搭建和零件裝配，并制作相關(guān)功能演示動(dòng)畫(huà)。

作品設(shè)計(jì)的事物尺寸不超過(guò)150 mm×200 mm×200 mm，薄厚不小于2 mm。

初中組設(shè)計(jì)命題為“未來(lái)橋梁”，在保證橋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的前提下，從功能、外觀等方面進(jìn)行創(chuàng)意設(shè)計(jì)。橋所應(yīng)用的情境不做約束，可充分結(jié)合自己設(shè)定的場(chǎng)景進(jìn)行設(shè)計(jì)。

高中組設(shè)計(jì)命題為“智慧汽車(chē)”，從外形、功能等方面加以創(chuàng)意設(shè)計(jì)。車(chē)輛的動(dòng)力源和工作環(huán)境不做約束。

提交文件包括：設(shè)計(jì)作品，ICS或EXB文件；演示動(dòng)畫(huà)，SWF，3GP，MPG，AVI或MOV文件；設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。

作品(含設(shè)計(jì)作品、演示動(dòng)畫(huà)、設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū))總大小不超過(guò)50 MB。

評(píng)比指標(biāo)包括：

圖7 用三維打印技術(shù)打印出來(lái)的心形齒輪模型

圖8 用三維打印技術(shù)打印出來(lái)各種物品模型

1.思想性、科學(xué)性、規(guī)范性(28分)(見(jiàn)表1)

表1

2.創(chuàng)新性(27分)(見(jiàn)表2)

表2

3.藝術(shù)性(25分)(見(jiàn)表3)

表3

4.技術(shù)性(20分)(見(jiàn)表4)

表4

五、我們的思考

從山東省的創(chuàng)新辦學(xué)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看，他們已經(jīng)在如下方面做了嘗試：創(chuàng)新設(shè)計(jì)軟件和探究實(shí)驗(yàn)室相結(jié)合(初、高中)，和通用技術(shù)實(shí)驗(yàn)室相結(jié)合(高中)，和技術(shù)教室相結(jié)合(初中)，和綜合實(shí)踐實(shí)驗(yàn)室相結(jié)合(小學(xué))，和信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)室相結(jié)合(通用)，和動(dòng)漫室相結(jié)合(通用)。

南京市教育裝備與勤工儉學(xué)辦公室主任后有為說(shuō)過(guò)：我們不一味追求最新的、豪華的、最先進(jìn)的設(shè)備設(shè)施，而是選擇科學(xué)的、實(shí)用的、適用的和優(yōu)質(zhì)的設(shè)備設(shè)施。這對(duì)于建設(shè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室提供了很好的思路，選擇科學(xué)的、適用的、適度領(lǐng)先的物質(zhì)技術(shù)及其承載信息，并通過(guò)恰當(dāng)?shù)摹?yōu)化的、科學(xué)的形式整合成能促進(jìn)教育與學(xué)校發(fā)展的，能促進(jìn)教育教學(xué)改革與學(xué)生學(xué)習(xí)方式變革的，能促進(jìn)師生共同成長(zhǎng)的研究與實(shí)踐過(guò)程。

圖9 南京市教育裝備與勤工儉學(xué)辦公室技術(shù)科組織相關(guān)人員調(diào)研三維打印應(yīng)用

[1]張武城.創(chuàng)造創(chuàng)新方略[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011.

[2]維克托·巴雷拉.專(zhuān)家預(yù)測(cè)2013年十大技術(shù)革命 包括三維打印技術(shù)[EB/OL].http://www.china.com.cn/international/txt/2013-02/23/content_28040400.htm.

[3]沈俊.創(chuàng)新設(shè)計(jì)在通用技術(shù)中的教學(xué)和實(shí)踐[Z].2012-08-20.

[4]中央電化教育館.關(guān)于舉辦第十四屆全國(guó)中小學(xué)電腦制作活動(dòng)和第二屆中國(guó)國(guó)際學(xué)生信息科技創(chuàng)意大賽的通知[EB/OL].http://www.ncet.edu.cn/ztzg/1433.jhtml.