白曉晶 李國(guó)云

3D打印，在2013年的地平線報(bào)告[1]和2015年的地平線報(bào)告[2]中都作為重要的技術(shù)進(jìn)展預(yù)計(jì)在2018年左右成為學(xué)校的主流應(yīng)用。而且伴隨著STEAM學(xué)習(xí)(Science，Technology，Engineering，Art，Mathematics：科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學(xué))的興起，越來(lái)越多的學(xué)校開始意識(shí)到在多學(xué)科和跨學(xué)科的融合下培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)和動(dòng)手能力對(duì)于學(xué)生未來(lái)發(fā)展的重要性。作為助推學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的重要技術(shù)手段之一，3D打印為學(xué)生開展設(shè)計(jì)、構(gòu)建、創(chuàng)造、實(shí)現(xiàn)等自主探究活動(dòng)提供了“腳手架”，成為支持學(xué)生翱翔創(chuàng)新天空的有力羽翼。

一、3D 打印及其發(fā)展歷史

3D打印是一種以三維數(shù)字形式構(gòu)造物理對(duì)象的快速成型技術(shù)。在3D打印的過(guò)程中，使用者通過(guò)特定的軟件設(shè)計(jì)物品的模型，然后通過(guò)3D打印機(jī)及其特定的材質(zhì)讓物體立體呈現(xiàn)出來(lái)。3D打印技術(shù)最早出現(xiàn)在美國(guó)德州大學(xué)奧斯汀分校，隨后在麻省理工學(xué)院得到進(jìn)一步發(fā)展，研究生們嘗試將非傳統(tǒng)的物質(zhì)應(yīng)用于噴墨打印機(jī)，由此創(chuàng)造出了當(dāng)今的3D打印技術(shù)。而且，隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，3D打印機(jī)的價(jià)格也越來(lái)越便宜。

3D打印在應(yīng)用于學(xué)校教育之前，就已經(jīng)廣泛應(yīng)用在建筑、工業(yè)設(shè)計(jì)、珠寶設(shè)計(jì)、土木工程等許多領(lǐng)域。例如，幫助美國(guó)國(guó)防部生產(chǎn)航空零件，幫助建筑師創(chuàng)建出建筑模型，幫助醫(yī)療專業(yè)人士制造出用于器官移植的身體部位等。在2004年首次推出地平線報(bào)告時(shí)，3D打印技術(shù)就進(jìn)入到報(bào)告中。2013年底，人大附中在校園內(nèi)舉辦了“激情圣誕——3D打印體驗(yàn)”活動(dòng)[3]，創(chuàng)新性地開設(shè)課程研究如何制造3D打印機(jī)，并將創(chuàng)作的3D作品在活動(dòng)中展示出來(lái)。此外，還有許多學(xué)校都進(jìn)行了3D打印課程的嘗試，我們將在案例中進(jìn)一步展示。

二、3D 打印的教育價(jià)值

3D打印對(duì)于教學(xué)和學(xué)習(xí)的重要價(jià)值主要體現(xiàn)在三方面。第一，它能夠更加真實(shí)地呈現(xiàn)特定事物，并讓學(xué)生獲得深刻的認(rèn)知體驗(yàn)。通過(guò)3D打印，學(xué)生可以對(duì)被打印物體的內(nèi)在結(jié)構(gòu)形成動(dòng)態(tài)的、多維的、形成性的認(rèn)知過(guò)程，而這種認(rèn)知與傳統(tǒng)教學(xué)中使用的平面圖片、立體模型是完全不同的，學(xué)生實(shí)現(xiàn)通過(guò)“做”的方式開展學(xué)習(xí)(Learning by making)，帶給自身的認(rèn)知體驗(yàn)具有震撼性、豐富性、深刻性且是飽含情感的，很顯然這種認(rèn)知方式具有不可替代性。例如，在科學(xué)課、歷史課上，學(xué)生可以制作像化石、文物之類的易碎品，大膽開放的接觸到原本不可能近距離觀察到的物件，并對(duì)其構(gòu)造開展直觀的觀察。在數(shù)學(xué)課上，3D打印能夠幫助學(xué)生看到更為立體化的圖形和數(shù)學(xué)模型，能夠幫助學(xué)生深度挖掘概念。再如，在語(yǔ)文課上，通過(guò)分析、繪圖與打印形成對(duì)小說(shuō)形象的理解等。

第二，3D打印是一種產(chǎn)出性的學(xué)習(xí)方式。3D打印讓“設(shè)計(jì)”成為一種學(xué)習(xí)方式，學(xué)生通過(guò)在設(shè)計(jì)中學(xué)習(xí)，將技術(shù)與知識(shí)相結(jié)合，從而帶動(dòng)跨學(xué)科的知識(shí)運(yùn)用，并將自身的設(shè)計(jì)理念變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。可以說(shuō)是3D打印最具魅力的應(yīng)用是學(xué)生可以創(chuàng)造出完全屬于自己的東西，讓自己的設(shè)計(jì)理念變?yōu)榭梢愿兄默F(xiàn)實(shí)，成為真正的“創(chuàng)客”。

第三，3D打印是一種問(wèn)題解決式的、可視化的、合作式的學(xué)習(xí)。借助3D打印的項(xiàng)目，讓學(xué)生通過(guò)自身的創(chuàng)新理念，解決現(xiàn)實(shí)中的問(wèn)題，并在此過(guò)程中培養(yǎng)他們的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力。這種學(xué)習(xí)過(guò)程，也是一種可視化的學(xué)習(xí)過(guò)程，可以對(duì)學(xué)習(xí)的成果不斷進(jìn)行檢驗(yàn)與完善，帶給學(xué)生的成就感也更強(qiáng)。同時(shí)學(xué)生在問(wèn)題解決過(guò)程中也可以形成學(xué)習(xí)共同體，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)與合作能力，促進(jìn)自身的能力成長(zhǎng)。

三、3D 打印的教育實(shí)踐案例

作為進(jìn)入地平線報(bào)告的第一個(gè)中國(guó)3D打印的實(shí)踐案例，在2013年的地平線報(bào)告中，上海協(xié)和國(guó)際學(xué)校的學(xué)生基于美國(guó)航天局免費(fèi)提供的小行星——灶神星的3D掃描圖像，通過(guò)3D打印創(chuàng)造了他們自己的微縮模型，并通過(guò)動(dòng)手實(shí)踐來(lái)探索小行星(如圖1所示)。

圖1　學(xué)生展示他們借助3D打印的小行星灶神星微縮模型

2014年，朝陽(yáng)區(qū)實(shí)驗(yàn)小學(xué)引進(jìn)了3D打印技術(shù)，并在2015年轉(zhuǎn)化為學(xué)校的綜合實(shí)踐課程。針對(duì)孩子們特別想要?jiǎng)?chuàng)造，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題解決問(wèn)題的興趣，學(xué)校根據(jù)年級(jí)和項(xiàng)目難度，對(duì)3D打印進(jìn)行了分層的課程設(shè)計(jì)，在五年級(jí)后讓3D打印成了必備科技探索工具。他們認(rèn)為，3D打印不僅僅提供了創(chuàng)造和想象的空間，而且培養(yǎng)了學(xué)生對(duì)從二維到三維空間轉(zhuǎn)化的認(rèn)識(shí)。此外，他們?cè)谡n程中融入了學(xué)生對(duì)于身邊事務(wù)的情感、觀察以及問(wèn)題意識(shí)，如在校園設(shè)計(jì)、家庭設(shè)計(jì)中引入3D打印，培養(yǎng)學(xué)生整合數(shù)學(xué)、創(chuàng)意、思維以形成服務(wù)校園、家庭以及身邊事務(wù)發(fā)展的意識(shí)和能力。他們認(rèn)為：“通過(guò)3D技術(shù)和課程的結(jié)合，孩子們感受到了3D技術(shù)并不像想象中的那么神秘，是小學(xué)生也能看懂，也能設(shè)計(jì)，也能實(shí)踐的技術(shù)。他們將是這些新技術(shù)的應(yīng)用者和創(chuàng)造者。”[4]該校的3D打印綜合課程經(jīng)過(guò)幾年的發(fā)展取得了顯著成果。例如，學(xué)校的3名學(xué)生為了探尋中國(guó)古代傳統(tǒng)工藝——榫卯結(jié)構(gòu)的奧秘，用3D打印對(duì)魯班鎖進(jìn)行設(shè)計(jì)和制作，通過(guò)自己的思考和嘗試，設(shè)計(jì)出了結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單實(shí)用的新型榫卯結(jié)構(gòu)。2017年，3D打印魯班鎖(如圖2所示)獲得國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局頒發(fā)的外觀設(shè)計(jì)專利證書[5]。

圖2　3D打印的魯班鎖建模界面及其成果

對(duì)于3D打印促進(jìn)STEAM教學(xué)的探索，上海世外小學(xué)開設(shè)的3D打印課程已經(jīng)成為世外小學(xué)信息化教學(xué)的一張重要標(biāo)簽。他們和上海交通大學(xué)合作研發(fā)將3D打印嵌入STEAM課程，通過(guò)以項(xiàng)目設(shè)計(jì)為驅(qū)動(dòng)，將數(shù)學(xué)、工程、藝術(shù)、科學(xué)等多學(xué)科融合在一起，讓學(xué)生在探究中設(shè)計(jì)制作作品，并驗(yàn)證自己的科學(xué)假設(shè)。他們還特別提出了3D打印項(xiàng)目的3個(gè)實(shí)施階段。第一階段是前期準(zhǔn)備階段，為學(xué)生介紹3D打印機(jī)的原理和應(yīng)用，激發(fā)學(xué)生的興趣，開闊眼界。第二階段是走進(jìn)虛擬搭建，通過(guò)案例教學(xué)，讓孩子們掌握“谷歌草圖”的使用技巧和方法，并且能在此基礎(chǔ)上簡(jiǎn)單發(fā)揮自己的想象。第三階段是點(diǎn)醒想象空間。3D打印作為探究課程，主要在小學(xué)四年級(jí)中進(jìn)行了推廣。在實(shí)踐成果方面，收獲頗豐。例如，有的學(xué)生通過(guò)數(shù)學(xué)測(cè)算，購(gòu)買材料，借助3D打印設(shè)計(jì)和制作月球車(如圖3所示)，打印的部件與輪子一次性匹配成功，在太陽(yáng)能板的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)下，月球車能夠成功跑動(dòng)，極大增強(qiáng)了學(xué)生的自信。再如，五年級(jí)數(shù)學(xué)課上綜合項(xiàng)目“校舍平面圖和模型的設(shè)計(jì)與制作”，這是測(cè)量、計(jì)算、繪圖、3D打印、建模等結(jié)合后的完美展現(xiàn)(如圖4所示)[6]。上海世外小學(xué)在3D打印課程的教學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：心理旋轉(zhuǎn)能力在10歲時(shí)有迅猛發(fā)展，而3D打印的學(xué)習(xí)會(huì)加速心理旋轉(zhuǎn)能力的發(fā)展；3D打印的學(xué)習(xí)利于學(xué)生創(chuàng)新個(gè)性、創(chuàng)新思維能力、創(chuàng)新實(shí)踐能力的發(fā)展，特別是在動(dòng)手操作上得到的促進(jìn)最顯著。3D打印的學(xué)習(xí)對(duì)男生創(chuàng)新能力的提升比女生更顯著，尤其是對(duì)傳統(tǒng)學(xué)業(yè)評(píng)價(jià)中成績(jī)優(yōu)異的男生[7]。

圖3　學(xué)生設(shè)計(jì)的月球車

圖4　學(xué)生開展“校舍平面圖和模型的設(shè)計(jì)與制作”項(xiàng)目

四、對(duì)3D 打印教學(xué)應(yīng)用的思考與建議

(1)第一，要促進(jìn)教師的角色轉(zhuǎn)變，加強(qiáng)對(duì)起始項(xiàng)目教師的專項(xiàng)培訓(xùn)。培訓(xùn)的目的是促進(jìn)教師理念的轉(zhuǎn)變，讓教師能夠認(rèn)識(shí)到3D打印對(duì)于教學(xué)的促進(jìn)作用，以及在學(xué)生能力發(fā)展上所表現(xiàn)出的不可替代的價(jià)值。第二，要培訓(xùn)教師的基于3D打印技術(shù)的教學(xué)設(shè)計(jì)能力，讓教師可以把3D打印技術(shù)順利的銜接到現(xiàn)有的教學(xué)計(jì)劃中。并在培訓(xùn)中重點(diǎn)加強(qiáng)對(duì)教師基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)、基于設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)，基于挑戰(zhàn)的學(xué)習(xí)等新型學(xué)習(xí)模式的培訓(xùn)，讓自己的角色隨著這些新模式的落地而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)變。第三，要培訓(xùn)教師熟練掌握3D打印相關(guān)的操作和技術(shù)，讓3D打印機(jī)不再成為學(xué)校又一個(gè)“昂貴的擺設(shè)”。

(2)建議學(xué)校的管理層把3D打印作為必備的教學(xué)工具和耗材進(jìn)行配置。雖然已經(jīng)有不少學(xué)校配備了3D打印機(jī)，但是仍有許多中小學(xué)沒(méi)有關(guān)注到它，學(xué)校也沒(méi)有配備有關(guān)的設(shè)備。欠缺探索的可能工具，也會(huì)在一定程度上制約學(xué)生的發(fā)展空間，失去承載學(xué)生想象力的平臺(tái)。3D打印機(jī)根據(jù)性能材質(zhì)有不同的價(jià)位，沒(méi)有配備的學(xué)?？梢愿鶕?jù)自身情況先考慮購(gòu)置簡(jiǎn)單入門的打印機(jī)。3D打印機(jī)和傳統(tǒng)的打印機(jī)一樣，需要耗材，學(xué)校要考慮相應(yīng)的財(cái)政預(yù)算并提供必要的資金購(gòu)買相應(yīng)的耗材。

(3)建議學(xué)校將3D打印作為多學(xué)科融合的載體之一，要融入STEAM課程的整體實(shí)踐中。3D打印機(jī)在投入學(xué)校之后，有些學(xué)校會(huì)把它作為孤立的嘗試打印各種有趣事物的工具，在開始的新鮮感退卻后，往往會(huì)陷入使用3D打印的迷茫期。本文中提到的上海世外小學(xué)的案例是一個(gè)較好的借鑒，在學(xué)?，F(xiàn)有課時(shí)緊張的情況下，3D打印無(wú)須是一門單獨(dú)的課程，而是嵌入STEAM有關(guān)課程中，成為提升學(xué)生綜合素養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)夢(mèng)想與創(chuàng)新的工具。

(4)借助3D打印的項(xiàng)目或課程形成具有創(chuàng)新精神、團(tuán)結(jié)協(xié)作的學(xué)生成長(zhǎng)共同體。在3D打印過(guò)程中，需要對(duì)設(shè)計(jì)的物體進(jìn)行精確掃描或構(gòu)思、需要用到相應(yīng)的軟件建模、需要借助多學(xué)科的知識(shí)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)意并在其中反復(fù)實(shí)驗(yàn)，在這個(gè)過(guò)程中，就可以基于興趣結(jié)成跨年級(jí)的學(xué)習(xí)共同體，借助團(tuán)隊(duì)的力量有分工、有合作、有商討、有反思，在團(tuán)隊(duì)的共同成長(zhǎng)下實(shí)現(xiàn)每個(gè)個(gè)體的能力發(fā)展。

總之，圍繞3D打印的教學(xué)實(shí)施，教師改變自身角色，成為學(xué)生開展創(chuàng)新項(xiàng)目及其活動(dòng)的設(shè)計(jì)者和指導(dǎo)者，讓學(xué)生獲得有價(jià)值的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，促進(jìn)學(xué)生的能力成長(zhǎng)是基礎(chǔ)所在。

(致謝：本文得到了朝陽(yáng)區(qū)實(shí)驗(yàn)小學(xué)提供的案例支持，在此表示感謝！)

[1]L·約翰遜,S·亞當(dāng)斯貝克爾,M.卡明斯,V·埃斯特拉達(dá),A·弗里曼,H·盧德蓋特.新媒體聯(lián)盟地平線報(bào)告:2013基礎(chǔ)教育版[R].張鐵道,白曉晶,季瑞芳,吳莎莎,殷蕾,譯.德克薩斯:美國(guó)新媒體聯(lián)盟,2013.

[2]L·約翰遜,S·亞當(dāng)斯貝克爾,V·埃斯特拉達(dá),A·弗里曼.新媒體聯(lián)盟地平線報(bào)告:2015基礎(chǔ)教育版[R].張鐵道,白曉晶,李國(guó)云,季瑞芳,吳莎莎,譯.德克薩斯:新媒體聯(lián)盟,2015.

[3]“激情圣誕:3D打印體驗(yàn)”展魔法打印魅力[EB/OL].(2014-12-28)[2018-02-12].http://www.rdfz.cn/xysh/xstd/201401/t20140106_26205.html.

[4]華挺,李珂.“3D技術(shù)不神秘，小學(xué)生探索幻想有空間”:3D技術(shù)進(jìn)課堂課程展示活動(dòng)[N].光明日?qǐng)?bào),2014-12-18.

[5]朝陽(yáng)區(qū)實(shí)驗(yàn)小學(xué)學(xué)生研制“學(xué)生版”魯班鎖獲國(guó)家專利[EB/OL].(2017-9-13)[2018-02-12].http://edu.qianlong.com/2017/0913/2027569.shtml.

[6]不增加課時(shí)，但要增加STEM教育！這個(gè)題目好難，但上海世外小學(xué)做出來(lái)了[EB/OL].(2017-9-22)[2018-02-26]http://www.sohu.com/a/193766767_227364.

[7]在上海世外小學(xué)讀書是怎樣一種體驗(yàn)？[EB/OL].(2015-7-6)[2018-02-26].https://www.jianshu.com/p/f9a2689372cf.