謝健君+羅錦深

近年隨著開源軟硬件的百花齊開和創(chuàng)客運動的興起，引發(fā)了制造技術(shù)和教育方式的革命，3D打印等數(shù)字桌面制造工具迅速地成為全球各領(lǐng)域關(guān)注的焦點。3D打印技術(shù)作為一種快速成型技術(shù)是一個可以快速實現(xiàn)個性化創(chuàng)造的工具，它可以塑造原本存在于腦海中的設(shè)計，把腦海中的設(shè)計轉(zhuǎn)化為實體，從而促進(jìn)設(shè)計思想的交流，促進(jìn)基于創(chuàng)新創(chuàng)造的學(xué)習(xí)。當(dāng)前的3D打印教育創(chuàng)新應(yīng)用項目，主要集中在科研、創(chuàng)客空間和STEAM課程中。隨著3D打印技術(shù)不斷進(jìn)步和由3D打印教育創(chuàng)新應(yīng)用構(gòu)成的體系不斷優(yōu)化，使3D打印從以前對于許多學(xué)校高不可及的高科技，慢慢地融入學(xué)校、家庭和社會教育，這是對傳統(tǒng)教育有著革命性影響的技術(shù)。在創(chuàng)客主題教育模式不斷演進(jìn)與更新中，把3D打印融入創(chuàng)客主題的STEAM教育中將是勢不可擋的事情，它可以豐富基于創(chuàng)造的學(xué)習(xí)樣態(tài)，更可以拓展基于創(chuàng)造的學(xué)習(xí)存在形式。

近年隨著開源軟硬件的百花齊開和創(chuàng)客運動的興起，引發(fā)了制造技術(shù)和教育方式的革命，3D打印等數(shù)字桌面制造工具更是成為全球各領(lǐng)域關(guān)注的焦點。2012年美國政府規(guī)劃未來4年內(nèi)將在1 000多所學(xué)校引入“創(chuàng)客空間”，并配備3D打印機和激光切割機等桌面制造工具，通過實踐培養(yǎng)新一代的設(shè)計工程師和生產(chǎn)創(chuàng)新者。2013年美國前總統(tǒng)奧巴馬發(fā)表國情咨文演講強調(diào)3D打印的重要性，并稱將再投資三個制造業(yè)中心以推動這些新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。美國幾乎所有的大中小學(xué)都開設(shè)了3D打印課程，培養(yǎng)青少年的創(chuàng)新意識和應(yīng)用技能。2013年8月，習(xí)近平總書記在考察3D打印企業(yè)時指出，這個技術(shù)很重要，要抓緊產(chǎn)業(yè)化。在醫(yī)學(xué)、材料、機械工程、建筑、電子工程以及教學(xué)科研等領(lǐng)域。2015年8月23日，中共中央政治局常委、國務(wù)院總理李克強主持國務(wù)院專題講座，討論加快發(fā)展先進(jìn)制造與3D打印等問題。

3D打印技術(shù)介紹

3D打印屬于快速成形技術(shù)的一種，作為一種快速成型技術(shù)，3D打印是一個可以快速實現(xiàn)個性化創(chuàng)造的工具，它可以塑造原本存在于思維中的設(shè)計，把思維中的設(shè)計轉(zhuǎn)化為實體，從而促進(jìn)思維交流，促進(jìn)基于創(chuàng)造的學(xué)習(xí)。3D打印是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，通過立體成型的方法把3D打印原材料（一般是運用粉末狀金屬、ABS和PLA塑料等材料）打印成模型，跟我們傳統(tǒng)的減材加工制作方法如數(shù)控車床加工不同，3D打印是通過逐層疊增的方式來構(gòu)造物體（即增材制造），它不需要傳統(tǒng)的刀具、夾具、機床和任何模具，就能直接把計算機中的任何三維圖形生成實物；3D打印技術(shù)可以自動、直接和精確地將計算機中的三維設(shè)計轉(zhuǎn)化為實物模型，甚至可以直接制造零件或模具，這樣可以大大地縮短了產(chǎn)品研發(fā)周期，而且對比傳統(tǒng)的減材加工制作方法，3D打印這種通過逐層疊增的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)更能節(jié)省材料，在構(gòu)造的過程中沒有邊角料的產(chǎn)生，提高了材料的利用率。3D打印的具體工作過程：先用建模軟件進(jìn)行建模，然后再將建成的三維模型導(dǎo)入到切片軟件中切片，即切成逐層的截面，軟件就會生成打印機要逐層打印的路徑。把完成切片的數(shù)據(jù)導(dǎo)入3D打印機，打印機通過讀取文件中的逐層打印的路徑信息，3D打印機就會用原材料材料將三維模型一層一層地打印出來，再將各層以各種方式粘合起來從而制造出一個實體，通過這種技術(shù)我們幾乎可以造出任何形狀的物品。

隨著3D打印技術(shù)和3D打印材料的更新迭代，從過去常在模具制造、工業(yè)設(shè)計等領(lǐng)域被用于制造模型，現(xiàn)正逐漸用于一些產(chǎn)品的直接制造，特別是一些專業(yè)性比較強的行業(yè)應(yīng)用已經(jīng)有使用這種技術(shù)打印而成的零部件，意味著“3D打印”這項技術(shù)正常普及各行各業(yè)。

3D打印在創(chuàng)客主題STEAM教育中的創(chuàng)新分析

最早在美國開始，近年來席卷全球的教學(xué)新理念“STEAM教育”正在逐步進(jìn)入中國的各大中小學(xué)校。STEAM代表科學(xué)（Science），技術(shù)（Technology），工程（Engineering），藝術(shù)（Art），數(shù)學(xué)（Mathematics）。STEAM教育就是集科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學(xué)多學(xué)科融合到一起的綜合教育。STEAM是一種教育理念，它有別于傳統(tǒng)的單學(xué)科、死記硬背書本知識的教育方式。STEAM是一種重視實踐的超越學(xué)科的教育概念。當(dāng)今社會任何事情的成功完成都不僅僅依靠某一種能力就能實現(xiàn)，而是需要借于多種能力，比如電子產(chǎn)品的設(shè)計生產(chǎn)過程中，不但需要科學(xué)技術(shù)，運用高科技手段創(chuàng)新產(chǎn)品功能，還需要好看的外觀，也就是藝術(shù)等方面的綜合才能，所以單一技能的運用已經(jīng)無法支撐當(dāng)今社會的人才發(fā)展，未來的發(fā)展，我們需要的是多方面發(fā)展的綜合型人才。

在基于這一大背景的前提下，我國乃至于全世界都十分重視STEAM教育的發(fā)展，從而引發(fā)大家都在探索STEAM教育的各種新模式。而3D打印這熱門的技術(shù)和最近火爆的STEAM教育，毫無疑問會引起又一次教育模式的新改變。在STEAM教育中，3D打印技術(shù)可以給學(xué)生的“學(xué)習(xí)方式”帶來新的思考，讓原本比較抽象的概念變得更加容易理解，可以激發(fā)學(xué)生對科學(xué)、數(shù)學(xué)尤其是工程和設(shè)計創(chuàng)意的興趣，讓實踐與理論、知識與創(chuàng)意、現(xiàn)實與虛擬三方面的相互結(jié)合。具體表現(xiàn)為：

1）3D打印讓學(xué)生的想象更容易變成現(xiàn)實，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識，鼓勵學(xué)生的創(chuàng)新實踐。

2）學(xué)習(xí)運用建模軟件，發(fā)展學(xué)生立體空間思維。

3）通過選擇貼近日常生活的主題讓學(xué)生進(jìn)行建模，培養(yǎng)學(xué)生解決生活實際問題的能力。

3D打印在創(chuàng)客主題STEAM教育中的應(yīng)用

隨著3D打印機的普及，面向業(yè)余使用者的三維建模軟件也如雨后春筍般，像國外知名的歐特克公司發(fā)布的3D建模軟件 Autodesk 123D，以及國內(nèi)新興的3Done建模軟件，使用者不需要復(fù)雜的專業(yè)知識，通過鼠標(biāo)簡單地拉幾根線就可以建立簡單的幾何圖形，并且這款軟件完全免費，使用者可以在歐特克公司的官方網(wǎng)站找到下載鏈接，讓每一個普通人都能輕易獲得和使用，解決了關(guān)于3D打印應(yīng)用軟件的問題。

在創(chuàng)客教育中，學(xué)生在完成自己的項目的時候，學(xué)生會遇到各種需要用到機械架構(gòu)和外殼的時候，在3D打印機普及以前學(xué)生會用標(biāo)準(zhǔn)件搭建或者用紙甚至鋸木做架構(gòu)和外殼，這種方法在許多情況不大適用和不美觀。直到3D打印機普及，現(xiàn)在學(xué)生可以根據(jù)自己的需求，先在Autodesk 123D或者3Done這類建模軟件上把自己設(shè)想的結(jié)構(gòu)和外形畫出來，然后導(dǎo)出到3D打印機上就可以把設(shè)想中的結(jié)構(gòu)外形打印出來，這樣可以節(jié)省材料和大量的時間。在STEAM教育中，這樣可以讓學(xué)生把精力集中到創(chuàng)意和想法中上去，而不是在反復(fù)打磨金屬和木材中浪費大量時間。endprint

當(dāng)然對于3D打印機技術(shù)的應(yīng)用不單單上面的結(jié)構(gòu)和外形，在互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展迅猛的今天，異地創(chuàng)造和分享一個開源產(chǎn)品來成為一個可能，這也是創(chuàng)客教育能否成功的關(guān)鍵之處，因為創(chuàng)客的精神就是分享和合作。我們可以讓學(xué)生跟不同的班級，學(xué)校和省市，甚至不同國家的學(xué)生交流，相互把自己認(rèn)為有趣的作品項目分享給別人，或者跟遠(yuǎn)在異國的小創(chuàng)客一起開發(fā)一個開源項目，一起進(jìn)行交流討論。在這過程中，產(chǎn)生各種思維的火花，共同進(jìn)步。我們也可以多看看有豐富的共享資源的網(wǎng)站，這樣更容易學(xué)生得到啟發(fā)和幫助。而現(xiàn)在國內(nèi)在教育上做得最好的是3Done，教師可以通過軟件對學(xué)生的作品進(jìn)行管理，學(xué)生也可以分享自己的作品上去3Done的網(wǎng)站，這樣學(xué)校與學(xué)校之間可以進(jìn)行交流。

3D打印在東莞市科學(xué)技術(shù)博物館的創(chuàng)客主題STEAM教育中的應(yīng)用

東莞市科學(xué)技術(shù)博物館在2017年上半年進(jìn)行了創(chuàng)客主題培訓(xùn)及展覽宣教活動，其創(chuàng)客團隊帶上電子構(gòu)件、機械架構(gòu)和3D打印機到廣東省內(nèi)不同的學(xué)校進(jìn)行創(chuàng)客主題STEAM教育培訓(xùn)。創(chuàng)客老師通過用圖形化編程軟件Scratch讓學(xué)生在比較短時間內(nèi)可以進(jìn)行簡單的編程。圖形化編程軟件Scratch是一款由麻省理工學(xué)院設(shè)計開發(fā)的面向少兒圖形化編程工具。其特點是：使用者可以不懂編程代碼和編程語法，也可以不認(rèn)識英文單詞，甚至也可以不懂怎么使用鍵盤。構(gòu)成程序的命令和參數(shù)可以通過一個個積木形狀的模塊來實現(xiàn)，使用者只需要用鼠標(biāo)拖動不同模塊里的積木到程序積木搭建區(qū)就可以了。

在學(xué)生學(xué)會了編程后，創(chuàng)客老師再用簡單易懂的例子來講各種傳感器，讓學(xué)生初步認(rèn)識傳感器的原理和使用方法，從而讓學(xué)生可以在較短時間內(nèi)可以用編程程序來控制電子構(gòu)件，再加上用機械構(gòu)件搭建造型，就可以做一些比較簡單的電子創(chuàng)客作品。在搭建造型的過程中，許多時候?qū)W生會對創(chuàng)意作品的造型有許多想法和創(chuàng)意，要求用到許多特殊的造型的構(gòu)件或者是外殼，這個時候如果用傳統(tǒng)的減材加工方法完全不能及時地滿足課程，面對這種情況3D打印機很好地解決了問題。由于短時間內(nèi)學(xué)生無法完整地學(xué)習(xí)建模軟件，這個創(chuàng)客老師跟學(xué)生通過交流，創(chuàng)客老師就按照學(xué)生的要求建模出學(xué)生要求的造型，再通過帶去的3D打印機構(gòu)造出實物。讓學(xué)生的想法和創(chuàng)意不會受到現(xiàn)有的器材所限制，更加有利于學(xué)生的創(chuàng)意的培養(yǎng)和思維的交流，這樣也有助于我們衍生出新的3D打印創(chuàng)客主題STEAM教育課程。

廣東省東莞市常平鎮(zhèn)袁山貝有執(zhí)小學(xué)3D打印成果

在廣東省東莞市常平鎮(zhèn)，袁山貝有執(zhí)小學(xué)已經(jīng)開始了造物課堂。學(xué)生們通過建模軟件設(shè)計了各種的模型，例如筆筒、汽車模型、恐龍模型等，再通過3D打印機打印出立體模型。2016年開始廣東省東莞市常平鎮(zhèn)開展3D打印技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用研究，袁山貝有執(zhí)小學(xué)響應(yīng)鎮(zhèn)政府的提倡，積極的做了前期的調(diào)查，并邀請了廣東省東莞市科學(xué)技術(shù)博物館的創(chuàng)客教育團隊來指導(dǎo)，經(jīng)過長達(dá)半年的調(diào)研的準(zhǔn)備，在2017年3月袁山貝有執(zhí)小學(xué)建立了學(xué)校的第一間“3D打印創(chuàng)客空間”，這也是常平鎮(zhèn)小學(xué)的第一間3D打印創(chuàng)客空間。

袁山貝有執(zhí)小學(xué)每周定期在第二課堂開展3D打印課程，老師常用生動通俗的語言介紹3D打印技術(shù)，對于低年級老師通過3D打印筆的課程開始入門，讓學(xué)生自己創(chuàng)作自己喜歡的3D模型，并從中讓全體學(xué)生了解3D打印的原理和及其相關(guān)的知識。對于接受過前期培訓(xùn)的高年級開設(shè)了3D打印與建模課程，教學(xué)生一些簡單建模軟件的操作。一開始讓學(xué)生畫一些基本的幾何立體模型，再把不同的立體模型相互組合，然后學(xué)生可以通過自己的創(chuàng)意再結(jié)合這個軟件，創(chuàng)造出自己想要的作品。在每周三下午三點半到五點的第二課堂的時間學(xué)校都會組織學(xué)生參加3D打印的第二課堂活動，幫助學(xué)生們將創(chuàng)意變?yōu)楝F(xiàn)實，讓學(xué)生的創(chuàng)意思維得到發(fā)展，同時也讓他們的動手動腦能力也得到提高。學(xué)校也主動參加省市開展的各種3D打印和作品設(shè)計的比賽，也主動在鎮(zhèn)區(qū)科技活動中展示學(xué)校學(xué)生的作品，最近學(xué)校也將參加2017年12月的東莞市青少年3D打印比賽，學(xué)校邀請了廣東省東莞市科學(xué)技術(shù)博物館的創(chuàng)客教育團隊過來學(xué)校進(jìn)行比賽的說明和協(xié)助輔導(dǎo)。

跟其他課程不一樣，3D打印課程更偏向需要活動和實踐。例如學(xué)校把3D打印課與各學(xué)科課結(jié)合，以發(fā)明小制作為主題開展實際操作，成為該校系統(tǒng)開展3D研究的第二個重要環(huán)節(jié)。如學(xué)生設(shè)計的3D打印USB小夜燈，學(xué)生們先自己在圖紙上設(shè)計出自己小夜燈需要用的構(gòu)件，再用3D建模軟件建模并打印出來，并把各個部件組裝起來，最后再把自己之前制作好的電子裝置放進(jìn)去，通過這種不同學(xué)科的結(jié)合，大大地鍛煉學(xué)生的動手能力和探索能力，同時也激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。

同樣的課程除了東莞市常平鎮(zhèn)袁山貝有執(zhí)小學(xué)之外，還有許多中小學(xué)已經(jīng)慢慢開始上3D打印的課程，例如2017年上班東莞市科學(xué)技術(shù)博物館的創(chuàng)客老師也為虎門五中帶來生動有趣的造物課，同時也幫助學(xué)校開展3D打印創(chuàng)客空間；同樣的還有中堂中學(xué)等一批中小學(xué)慢慢地也加入到創(chuàng)客主題的STEAM教育來，3D打印課程也成為它們學(xué)校的其中一門受歡迎的第二課堂課。

結(jié)論

隨著3D打印在社會和學(xué)校中普及，筆者認(rèn)為3D打印對中小學(xué)生的影響不僅僅在于能讓學(xué)生學(xué)習(xí)建模軟件，3D打印在創(chuàng)客主題STEAM教育中更應(yīng)該把學(xué)生培養(yǎng)成有思想、有創(chuàng)意的設(shè)計者、思考者與執(zhí)行者，讓學(xué)生完成一個探索、思考和操作實現(xiàn)的完整過程，為中小學(xué)生開辟一種全新的思維方式。

參考文獻(xiàn)

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基金項目：本文系科普創(chuàng)新發(fā)展領(lǐng)域項目（項目編號：2017A070708001）。

（作者簡介：謝健君，羅錦深，東莞市科學(xué)技術(shù)博物館。）endprint