楊曉哲

學(xué)生學(xué)習(xí)三維打印技術(shù)是一個(gè)循序漸進(jìn)的過(guò)程。從掌握基本操作技術(shù)到應(yīng)用拓展，都需要學(xué)習(xí)者不斷挑戰(zhàn)自己。許多學(xué)校開(kāi)設(shè)的三維打印課程從課程體系上是螺旋式上升的，在應(yīng)用層面上又是分類(lèi)延伸的，很好地激發(fā)了學(xué)生創(chuàng)新的想法和創(chuàng)造的實(shí)現(xiàn)。下面以幾個(gè)不同學(xué)校的實(shí)踐案例，來(lái)呈現(xiàn)多樣化的教學(xué)過(guò)程，讓我們一起感知學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中不一樣的收獲，以及不同案例中精巧的教學(xué)設(shè)計(jì)。以下案例分別來(lái)自北京市朝陽(yáng)實(shí)驗(yàn)小學(xué)、上海市世界外國(guó)語(yǔ)小學(xué)和上海市和田路小學(xué)。

發(fā)現(xiàn)生活，創(chuàng)造物品

北京市朝陽(yáng)實(shí)驗(yàn)小學(xué)的三維打印課程面向感興趣的學(xué)生開(kāi)設(shè)，注重設(shè)計(jì)的靈感來(lái)自生活，學(xué)習(xí)的技術(shù)運(yùn)用于生活。通過(guò)一個(gè)階段的學(xué)習(xí)，學(xué)生們已經(jīng)掌握了如何利用三維建模軟件的基本工具，創(chuàng)建出具體的三維模型，并知道如何使用三維打印機(jī)將自己設(shè)計(jì)的模型打印出實(shí)體的物件。而后，學(xué)生們需要更好地提升自己的三維建模能力，能夠更加自然流暢地完成設(shè)計(jì)。

教師首先設(shè)置了這樣一個(gè)專(zhuān)題——重新設(shè)計(jì)花瓶。學(xué)生先嘗試設(shè)計(jì)了一些基本花瓶的形狀。而后，教師引導(dǎo)學(xué)生尋找和發(fā)現(xiàn)外形別致的花瓶。于是學(xué)生們?cè)谡n下查閱了很多資料，發(fā)現(xiàn)花瓶的樣式實(shí)在是太多了，瓶口有寬有窄，瓶頸有長(zhǎng)有短。學(xué)生們還了解到傳統(tǒng)花瓶的不同形狀是為了配合插各種各樣的花，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)花瓶的樣子是由畫(huà)線稿決定的，所以要把線稿畫(huà)得流暢平滑一些，線條的變化要豐富一些。通過(guò)尋找資料，根據(jù)找到的圖片進(jìn)行加工，學(xué)生們都覺(jué)得比之前做的作品好看多了，都想著等作品打印出來(lái)回家買(mǎi)些花試著插一下，看看不同的花瓶適合插什么樣的花（如圖1）。

通過(guò)這樣的課程，學(xué)生能夠把自己腦海里的想象與設(shè)計(jì)變成實(shí)現(xiàn)，可以做出以前有想法但是很難做出的實(shí)物，也能夠很好地理解各種各樣的立體造型。

觀察校園，三維立體

上海市世界外國(guó)語(yǔ)小學(xué)面向四年級(jí)的學(xué)生開(kāi)設(shè)三維打印選修課。首先，教師拋出這樣一個(gè)課題：試著畫(huà)出校園的三維模型圖，然后根據(jù)自己的想法給出改造方案。雖然學(xué)生們身處校園之中已有四年的時(shí)間，對(duì)朝夕相處的校園環(huán)境已經(jīng)非常熟悉，但是讓學(xué)生們自己嘗試去構(gòu)建整個(gè)校園的三維立體圖卻會(huì)有不少的挑戰(zhàn)。平日里看到的墻壁、走廊、過(guò)道、樓梯和窗戶等，這些事物的比例如何、位置如何、又構(gòu)成什么樣的空間關(guān)系等都值得細(xì)細(xì)揣摩，憑借腦海里的模糊印象很難直接畫(huà)出三維模型圖。因此，學(xué)生們開(kāi)始分小組度量每一棟樓房、每一間教室的長(zhǎng)寬高，開(kāi)始認(rèn)真關(guān)注花圃嵌套在樓道里的具體位置，仔細(xì)地度量建筑物中那些拐彎的角落。通過(guò)一次次的小組討論和嘗試，學(xué)生們找到了一些比較準(zhǔn)確的比例關(guān)系，發(fā)現(xiàn)了一些既定的結(jié)構(gòu)規(guī)律。通過(guò)2～3周的小組合作設(shè)計(jì)，大多數(shù)小組完成了校園三維立體圖的設(shè)計(jì)。

而后，開(kāi)始征求意見(jiàn)，著手改造校園的三維模型圖。有的成員認(rèn)為，操場(chǎng)應(yīng)該更大一些，便于在上體育課的時(shí)候分組進(jìn)行比賽活動(dòng)；體育館可以設(shè)計(jì)得更有張力一些，讓大家更有想去的渴望；教室窗戶可以更多一些，這樣在教室里能感受到更多的陽(yáng)光。這些不一樣的想法有理有據(jù)，得到小組認(rèn)同的想法開(kāi)始進(jìn)入校園的整體修改方案。學(xué)生們重新設(shè)計(jì)了校園的三維模型。這個(gè)活動(dòng)的意義在于有助于學(xué)生們?cè)诤献髦邪盐杖S建模中事物的空間結(jié)構(gòu)，并借助了學(xué)生們觸手可及的校園讓其能夠不斷思考驗(yàn)證，有助于模型的不斷完善。

科學(xué)探究，體驗(yàn)原理

上海市世界外國(guó)語(yǔ)小學(xué)的三維打印課程設(shè)計(jì)在不斷探究中逐步深入到以三維打印作為工具與科學(xué)研究相互結(jié)合。教師發(fā)現(xiàn)學(xué)生們?cè)趯W(xué)習(xí)科學(xué)原理公式的時(shí)候，常常會(huì)停留在符號(hào)層面上。而真正在實(shí)踐探究中運(yùn)用到公式原理的機(jī)會(huì)又非常少。因而，三維打印技術(shù)與科學(xué)探究結(jié)合能夠很好地幫助學(xué)生們深入科學(xué)探究的過(guò)程，更多地參與體驗(yàn)與設(shè)計(jì)。教師拋出設(shè)計(jì)小船承載的專(zhuān)題，先通過(guò)簡(jiǎn)短的介紹，向?qū)W生們介紹各種各樣的船體結(jié)構(gòu)，包括小舟、木船、海盜船、戰(zhàn)艦、潛艇、航空母艦等。學(xué)生們通過(guò)不同的船體結(jié)構(gòu)和功能特征初步研究它們之間的關(guān)系。而后，教師提出挑戰(zhàn)性題目，要求學(xué)生們?cè)谝欢ú牧项~度限制的條件下進(jìn)行船體模型的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)好后需要放在水槽中用一角錢(qián)的硬幣進(jìn)行稱(chēng)重測(cè)驗(yàn)，看哪個(gè)小組承載的重量最多。

學(xué)生們的設(shè)計(jì)往往超出教師的設(shè)想。在課堂上，教師欣喜地發(fā)現(xiàn)了學(xué)生不一樣的設(shè)計(jì)。第一組設(shè)計(jì)的船體樣子有點(diǎn)像飛鏢，但是學(xué)生解釋是一個(gè)徽章般的船。這艘船能夠承載3個(gè)一角錢(qián)的硬幣。雖然看上去很漂亮也很特別，但是這艘船并沒(méi)有很好的承載能力（如圖2）。

第二組的船更加特別，這組同學(xué)通過(guò)多次設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)如果只是設(shè)計(jì)成一個(gè)正方體或圓柱體，容易在放硬幣的時(shí)候翻船。所以，這組學(xué)生的改進(jìn)方案特別注重了船體平衡方面的設(shè)計(jì)，將船體放置硬幣的地方設(shè)計(jì)成5個(gè)小圓柱，這樣這艘船就具備了比較好的平衡性（如圖3）。第二組的方案在實(shí)際檢驗(yàn)中能夠承載15個(gè)一角錢(qián)的硬幣。

第三組的設(shè)計(jì)更像一艘連體船，船壁很高，連接的部分為空心串聯(lián)，這艘船在設(shè)計(jì)過(guò)程中充分地運(yùn)用了阿基米德的浮力原理，具備更大的體積，能夠有更大的排水量。并且船體通過(guò)連體的設(shè)計(jì)也讓放置硬幣的過(guò)程中容易保持重心的平衡。這樣的設(shè)計(jì)在實(shí)際檢驗(yàn)中能夠承載35枚一角錢(qián)的硬幣（如圖4）。

這就是三維打印與學(xué)科探究的相互結(jié)合，能夠讓學(xué)生在創(chuàng)作中設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)中摸索并運(yùn)用科學(xué)原理。學(xué)生獲得更大成就感的同時(shí)，也加深了對(duì)科學(xué)原理本身的理解與應(yīng)用。

藝術(shù)人文，立體畫(huà)卷

上海市和田路小學(xué)面向全體三、四年級(jí)的學(xué)生開(kāi)設(shè)三維打印課程。三維打印技術(shù)能夠讓學(xué)生們的更大膽的想象與藝術(shù)創(chuàng)造得到充分地展現(xiàn)。這一節(jié)課中，教師先通過(guò)三維設(shè)計(jì)軟件SketchUP畫(huà)出一個(gè)圓形，然后問(wèn)學(xué)生：“你們能夠想到生活中哪些最具有圓形立體感的事物嗎？”“大餅、乒乓球、籃球?！苯又處熡之?huà)了一個(gè)三角形?！澳銈兡軌蛳氲缴钪心男┳罹哂腥切瘟Ⅲw感的事物嗎？”“埃及金字塔”“帽子”“錐子”緊接著，教師又拋出了另一個(gè)問(wèn)題：你們可以想到哪些物體是由三角形和圓形組成的？學(xué)生們繼續(xù)爭(zhēng)先恐后地回答：“圓筒冰淇淋?！薄帮L(fēng)車(chē)?！薄疤?yáng)從山上落下?！备魇礁鳂拥南敕▽映霾桓F。這個(gè)時(shí)候，教師說(shuō)道：“現(xiàn)在請(qǐng)大家把想象的事物構(gòu)建出來(lái)，畫(huà)出虛擬的三維模型?！睕](méi)過(guò)多久，學(xué)生們就將自己想象的場(chǎng)景的三維模型構(gòu)建了出來(lái)。

有了這樣的簡(jiǎn)短啟發(fā)后，學(xué)生們開(kāi)始用雕塑、立體畫(huà)等不一樣的藝術(shù)表現(xiàn)方式進(jìn)行創(chuàng)造（如圖5）。每一個(gè)不一樣的設(shè)計(jì)背后，都彰顯著新工具帶來(lái)的新藝術(shù)形態(tài)，更凸顯著學(xué)生們不受已有條條框框的束縛，大膽地創(chuàng)造著不一樣的藝術(shù)感受。

組件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)功能

上海市和田路小學(xué)的學(xué)生們?cè)谏钪邪l(fā)現(xiàn)很多實(shí)物都是通過(guò)結(jié)構(gòu)的組合實(shí)現(xiàn)一定的功能。例如，茶壺通過(guò)壺嘴、壺蓋、壺柄的組合實(shí)現(xiàn)了茶壺的一些基本功能。又如，桌子通過(guò)桌面、桌腳的組合實(shí)現(xiàn)基本功能。如圖6所示，學(xué)生們?cè)O(shè)計(jì)出來(lái)的安全剪通過(guò)雙面斜度的設(shè)計(jì)和中間旋鈕的組合實(shí)現(xiàn)了其它的基本功能。學(xué)生開(kāi)始嘗試通過(guò)多個(gè)組件的組合達(dá)成物體的功能。從設(shè)計(jì)單個(gè)形狀的三維物體到涉及多個(gè)形狀物體的銜接與拼合，挑戰(zhàn)學(xué)生們?cè)谠O(shè)計(jì)過(guò)程中的精準(zhǔn)性以及對(duì)于物體真實(shí)功能的準(zhǔn)確把握。通過(guò)組件設(shè)計(jì)的活動(dòng)，學(xué)生們進(jìn)一步提升了三維打印技術(shù)，也更清楚地感知到實(shí)際上已經(jīng)有非常多的事物，他們都可以通過(guò)三維打印設(shè)計(jì)完成，并可以通過(guò)修改組件，達(dá)到不一樣的功能。