陳綱

2013年，《地平線報告》中第一次提出了3D打印是未來四到五年值得關(guān)注的新技術(shù)，將帶來教學(xué)、學(xué)習(xí)和研究領(lǐng)域的創(chuàng)新。在2014年和2015年的報告中再次強(qiáng)調(diào)。3D打印是什么？為什么能夠受到《地平線報告》的青睞，成為未來教育的方向？3D打印，又稱三維打印，是一種快速成型技術(shù)，為用戶提供了新的設(shè)計、創(chuàng)作和制作方法，實現(xiàn)了“設(shè)計即生產(chǎn)”的創(chuàng)想，具有快速生成的特點，支持更有創(chuàng)意的設(shè)計與生成。因此，近年來在機(jī)械制造、生物醫(yī)藥、建筑設(shè)計、藝術(shù)創(chuàng)造等多個領(lǐng)域受到越來越多的關(guān)注。在教育領(lǐng)域，3D打印近年來也越來越受到關(guān)注。3D打印神奇之處在于，不論多么復(fù)雜的東西，只要有數(shù)據(jù)，都可以做出來。而且過程本身不需要復(fù)雜的程序，即使是小學(xué)生也可以熟練操作。這不僅能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力，還能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造能力，從“思”到“造”，讓學(xué)生的想象力可以得到實現(xiàn)。隨著技術(shù)的不斷革新，3D打印正逐漸走出象牙塔，融入我們的生活、工作和學(xué)習(xí)中，3D打印技術(shù)及3D打印教育必將成為開拓基于創(chuàng)造的創(chuàng)新能力培養(yǎng)的必要組成部分。

3D打印教育的創(chuàng)新實踐

1. 理論基礎(chǔ)

【做中學(xué)】美國著名教育家杜威的“做中學(xué)”的基本教育原則是：“以學(xué)生活動來架構(gòu)課程，以直接經(jīng)驗的獲得為核心旨趣，在情境化的教學(xué)場域中，通過學(xué)生的各種‘做——觀察、實驗、探究、勞作、游戲等來組織實施教學(xué)”。通過3D打印教育，讓學(xué)生在3D打印這個“做”中完成知識、技能的“學(xué)”，達(dá)成最終的教育目標(biāo)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

【項目學(xué)習(xí)】項目學(xué)習(xí)（Project-based Learning，簡稱PBL）指的是一套能使教師指導(dǎo)兒童對真實世界主題進(jìn)行深入研究的課程活動，具體表現(xiàn)為構(gòu)想、驗證、完善、制造出某種東西。在3D打印教育中，運用項目學(xué)習(xí)就是指以運用3D打印技術(shù)制作作品并將作品展示給他人為目的，在真實世界中借助多種資源開展探究活動，主動學(xué)習(xí)研究完成項目所需的多個學(xué)科領(lǐng)域的概念和原理，并在一定時間內(nèi)解決一系列相互關(guān)聯(lián)著的問題的一種新型的探究性學(xué)習(xí)模式。

【設(shè)計思維】設(shè)計思維是以解決方案為導(dǎo)向的思維形式，它不是從某個問題入手，而是從目標(biāo)或者是要達(dá)成的成果著手，探索問題的解決方案，是一種獨特的“在行動中進(jìn)行創(chuàng)意思考”的方式。在21世紀(jì)的教育領(lǐng)域中，設(shè)計思維有著越來越大的影響。3D打印教育所倡導(dǎo)的就是設(shè)計思維。通過發(fā)現(xiàn)生活中的問題，以解決問題作為要達(dá)成的成果，獨立思考，合作分享，利用3D打印技術(shù)進(jìn)行解決。這有別于“教師教，學(xué)生做”的常規(guī)方式，所有任務(wù)的解決都需要學(xué)生自己用創(chuàng)意、效率、合作來獨立設(shè)計、獨立執(zhí)行，完成從“思”到“造”的完整過程。3D打印為問題的解決方案提供了有效的實施途徑。

在我校3D打印創(chuàng)新教育實踐中，我們以設(shè)計思維為教育主旨，用做中學(xué)的策略，借助項目學(xué)習(xí)的模式深入開展3D打印教育。

2. 教學(xué)案例

3D打印教育創(chuàng)新應(yīng)用，不僅是技術(shù)工具的運用，也是創(chuàng)新學(xué)習(xí)模式的有益探索。根據(jù)實踐經(jīng)驗，我們將3D打印課程歸入學(xué)校的縱向課程群，即在學(xué)過基礎(chǔ)的3D建模、3D打印知識和技能后，學(xué)生根據(jù)自己的興趣愛好向不同的方向分流和發(fā)展，成為以3D打印教育為主題的、由不發(fā)散的獨立課程構(gòu)成的課程群。下面介紹三個不同研究方向的3D打印教育案例。

【魯班鎖】小學(xué)四、五年級是學(xué)生立體概念建立的關(guān)鍵時期。魯班鎖正是這樣一個挑戰(zhàn)空間想象力的益智玩具。在以往的數(shù)學(xué)教學(xué)中，學(xué)生僅僅是通過拆解魯班鎖來學(xué)習(xí)，學(xué)生理解有難度。但在3D打印教學(xué)中，學(xué)生從觀察模塊、測量、繪制開始，通過數(shù)據(jù)的計算，從原理上對魯班鎖增加了理解。

對數(shù)學(xué)感興趣的孩子通過魯班鎖3D打印的學(xué)習(xí)，不僅僅對魯班鎖的立體圖形有了更加直觀的認(rèn)識，更是通過學(xué)習(xí)繪制原型圖、三視圖（正視圖、俯視圖、側(cè)視圖），經(jīng)歷了從實物模型到平面圖形的過程。這是一個從具體到抽象再到具體的過程，借助繪制三視圖，讓學(xué)生提高空間想象力和幾何直觀能力。

【我的校園】“我的校園”是對建筑感興趣的學(xué)生進(jìn)行的第一個3D打印實踐項目。史家小學(xué)的校園外形現(xiàn)代氣息濃厚，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有別于板式建筑，對學(xué)生的3D建模能力是一個極大的挑戰(zhàn)。

在3D建模的時候，我們按照先部分再整體，通過小區(qū)域的繪制構(gòu)建整體概念掌握完整數(shù)據(jù)，再逐漸增加繪制難度，挑戰(zhàn)完整校園的3D建模。而在實際的操作過程中，學(xué)生還要先后獨立解決平面圖識圖、校園丈量、等比例縮放等相關(guān)知識的學(xué)習(xí)和操作。最后，還向模型組的同學(xué)學(xué)習(xí)模型涂色的方法，將3D打印出來的校園模型涂成了彩色的。項目實施過程使學(xué)生切身感受到所學(xué)知識與實踐應(yīng)用密切相關(guān)，提高學(xué)生自主探究學(xué)習(xí)的意識，拓寬了學(xué)習(xí)的領(lǐng)域。

【創(chuàng)客挑戰(zhàn)賽】創(chuàng)客挑戰(zhàn)賽是模擬網(wǎng)絡(luò)上流行的“創(chuàng)客24小時”項目，設(shè)定一個電子科技類的項目主題，要求必須使用3D打印和Arduino模塊在規(guī)定時間內(nèi)完成作品。這個項目正是采用以解決方案為導(dǎo)向的思維形式，從要達(dá)成的成果著手，探索問題的解決方案。此次的項目主題是“能與人交互的燈光裝置”，學(xué)生們結(jié)組完成，第一次經(jīng)歷了頭腦風(fēng)暴，因為設(shè)計方向不同而爭吵，但是有了碰撞才能產(chǎn)生火花，設(shè)計就在爭吵中不斷完善。第一次在測量了Arduino模塊后，信心滿滿，打印的燈具卻小了，由此學(xué)會了檢查、調(diào)整，認(rèn)識到即使是一個小小的疏忽也可以毀掉一件大大的作品。第一次完成具有實際使用意義的全自主設(shè)計、打印、編程、組裝的燈具，可以實現(xiàn)在周圍光線變暗時光帶閃爍并響起校歌的音樂，學(xué)生們的成就感得到了極大的滿足。正是因為有了3D打印，才讓學(xué)生在抽象概念和直觀經(jīng)驗之間自由轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)將學(xué)生的設(shè)計想法有效地可視化，更早地發(fā)現(xiàn)錯誤和不足，引導(dǎo)學(xué)生走向創(chuàng)新驅(qū)動的設(shè)計過程，這不僅僅培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新精神，更增強(qiáng)了創(chuàng)新行動力。

我校3D打印教育未來發(fā)展方向

（1）進(jìn)一步促進(jìn)跨學(xué)科整合的學(xué)習(xí)樣態(tài)的形成?？鐚W(xué)科整合一直是教育界探討的問題，通過實踐，在3D打印教育中進(jìn)行跨學(xué)科整合是可行的、有效的。在未來的教育實踐中，探索通過設(shè)計更加科學(xué)的3D打印學(xué)習(xí)項目，促進(jìn)更多學(xué)科融入其中，形成多學(xué)科整合的學(xué)習(xí)樣態(tài)，使學(xué)生實現(xiàn)跨學(xué)科的多元學(xué)習(xí)。

（2）搭建創(chuàng)新能力培養(yǎng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)資源平臺。搭建包括3D打印教育在內(nèi)的創(chuàng)新能力培養(yǎng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)資源平臺，使學(xué)生的學(xué)習(xí)不僅僅發(fā)生在課堂。設(shè)計、創(chuàng)造自己的作品時，可以根據(jù)需要進(jìn)行個性化的學(xué)習(xí)。創(chuàng)建教師資源庫、專家資源庫，甚至學(xué)生小老師資源庫，向別人學(xué)習(xí)的同時也成為別人的指導(dǎo)者，將“單腦”智慧增容為“多腦”智慧。

（3）創(chuàng)設(shè)模擬情境，促進(jìn)創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。通過3D打印不僅可以將學(xué)生的創(chuàng)新成果物化，還可以重復(fù)制造使物化的成果得到批量生產(chǎn)?；趯W(xué)習(xí)科學(xué)理論，搭建模擬的商業(yè)情境，讓學(xué)生對自己的創(chuàng)新成果進(jìn)行推廣展示，進(jìn)一步增強(qiáng)學(xué)生的成就感；學(xué)會市場分析和銷售方法，以市場的實際需求促進(jìn)其創(chuàng)新能力的不斷增強(qiáng)。

（作者單位：北京市東城區(qū)史家小學(xué)）