林穎

摘 要：本文首先闡釋了創(chuàng)新能力的概念、創(chuàng)新能力三要素之間的關(guān)系，揭示了青少年創(chuàng)新技能培養(yǎng)和提升的重要性。接著在分析3D打印技術(shù)原理與特點的基礎上，結(jié)合教學及生活中的實際，探討3D打印技術(shù)在提升青少年創(chuàng)新技能上起到的作用。對基于該技術(shù)的青少年創(chuàng)新技能實踐及應用進行了說明。

關(guān)鍵詞：3D 打印;創(chuàng)新技能;物化能力

國務院頒布的《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》中要求，以增強科學興趣、創(chuàng)新意識和學習實踐能力為主，完善基礎教育階段的科學教育;要加強青少年時期的科技創(chuàng)新教育，提升青少年科學素質(zhì)。青少年的科技創(chuàng)新能力在核心素養(yǎng)中也是占有重要地位的，北京教育科學研究院副院長、北京師范大學博士生導師褚宏啟教授在2017年7月就曾提出“創(chuàng)新能力也被視為核心素養(yǎng)寶塔頂端的明珠，如何培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力，將成為教育改革中的重中之重?！?/p>

目前，在培養(yǎng)和提升青少年創(chuàng)新能力方面我們已經(jīng)有了一些好的經(jīng)驗，但在過程中也發(fā)現(xiàn)了不少問題。其中就包括青少年的創(chuàng)新技能整體上還較薄弱，創(chuàng)新成果的表達和表現(xiàn)能力有限，并且缺乏好的手段、工具來物化自己的創(chuàng)新思維。這使得好多學生的創(chuàng)新想法都無法得到更深層次的轉(zhuǎn)化。那么，如何才能將青少年的創(chuàng)新意識，轉(zhuǎn)化成一種技能，且主動有效地運用到解決實際問題中來，從而使其思維可見、讓其創(chuàng)意有形呢？這是現(xiàn)今創(chuàng)新教育發(fā)展中的一個值得研究的問題。

1 什么是創(chuàng)新能力

創(chuàng)新能力是技術(shù)和各種實踐活動領(lǐng)域中不斷提供具有經(jīng)濟價值、社會價值、生態(tài)價值的新思想、新理論、新方法和新發(fā)明的能力。它涉及批判性思維，包括問題解決能力、理性思維等，甚至信息素養(yǎng)、合作交流能力以及自主發(fā)展能力也囊括在內(nèi)。創(chuàng)新能力具有很強的綜合性，是涵蓋多方面能力的核心素養(yǎng)。

陶行知先生在1919年第一次將“創(chuàng)造”引入到教育的領(lǐng)域，他認為培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力對民族的興旺和國家富強都有著極其重要的作用，在《第一流教育家》一文中他提出了要培養(yǎng)具有創(chuàng)造精神和開辟精神的人才。創(chuàng)新能力也是學生發(fā)展核心素養(yǎng)的核心價值體現(xiàn)，應當著力培養(yǎng)，這與提升一個國家的國際競爭能力密切相關(guān)，也是有理性有思維的人的本質(zhì)體現(xiàn)。

2 創(chuàng)新能力的三要素

創(chuàng)新能力由創(chuàng)新意識、創(chuàng)新思維、創(chuàng)新技能三大要素構(gòu)成。在這三大要素的相互聯(lián)系和促進下，構(gòu)成了人的整體創(chuàng)新能力。

在這三者中創(chuàng)新意識是創(chuàng)新能力的原動力，如果沒有創(chuàng)新意識，其他能力再強也無法得到發(fā)揮。它是創(chuàng)造新的思想、新的東西的愿景，是不可缺少的;創(chuàng)新能力的實質(zhì)內(nèi)容是創(chuàng)新思維，既是一種思想原型用來產(chǎn)生創(chuàng)新產(chǎn)品，也是一種行動指南得以實現(xiàn)創(chuàng)新技能;倘若要將創(chuàng)新思維成果化，創(chuàng)新技能是必不可少的，它是在創(chuàng)新意識的引領(lǐng)下，一種物化的手段和技能。

創(chuàng)新能力的三要素是一個統(tǒng)一體，必須相輔相成。假如把創(chuàng)新能力比作一個嵌套的球體，其三要素之間的關(guān)系由于各自的作用和地位不同，就處于這個球體的不同位置。最內(nèi)層的是作為內(nèi)在能源的創(chuàng)新意識，處于中間層的是創(chuàng)新思維，它是創(chuàng)新能力的實質(zhì)內(nèi)容，最外層的是創(chuàng)新能力的外殼創(chuàng)新技能，具有最直接的表現(xiàn)作用。缺少了任何一個要素，創(chuàng)新能力都是不完整的，會使其大打折扣，甚至根本得不到發(fā)揮。

3 青少年創(chuàng)新技能培養(yǎng)和提升的重要性

創(chuàng)新技能屬于創(chuàng)新性活動的工作機制，它的形成受到創(chuàng)新智能的控制和約束。創(chuàng)新技能是一種反映創(chuàng)新主體行為技巧的動作能力，主要包括創(chuàng)新成果的表達能力和表現(xiàn)能力、物化能力等，是創(chuàng)新主體掌握和應用創(chuàng)新技法的能力。

創(chuàng)新的過程和成果具有和以往不同的新形式、新內(nèi)容，要形象、具體、本質(zhì)地描述和表達出來，就需要具備創(chuàng)新成果的表達能力和表現(xiàn)能力。想要表達清楚事物的特殊本質(zhì)屬性，往往需要有與之相適應的表達形式與手段。那些隱性或難以感覺的創(chuàng)新成果常常要用更形象的方式來表達，如盧瑟福的原子模型。值得一提的是，這些形式和手段都是根據(jù)創(chuàng)新成果表達的需要而不斷發(fā)展的。

物化能力指的是將意念、方案轉(zhuǎn)化為有形物品或?qū)σ延形锲愤M行改進與優(yōu)化的能力。努力把各種創(chuàng)意想法轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實產(chǎn)品與結(jié)構(gòu)，這也是“創(chuàng)客”（Maker）概念的內(nèi)涵。擁有物化能力，可以讓每一個孩子都有機會把學到的知識與現(xiàn)實世界對接起來，能夠通過知識的物化活動，享受創(chuàng)造與分享的樂趣。青少年物化能力的提高也有助于其知行合一，提升問題解決能力。

創(chuàng)新技能是創(chuàng)新能力的外殼，也是創(chuàng)新能力直接外在的表現(xiàn)。從能力的分類來看，創(chuàng)新技能屬于可遷移技能，通過實踐訓練可以獲得。目前，學生的物化能力總體來說顯得較為薄弱，創(chuàng)新成果的表達和表現(xiàn)能力也有待加強。隨著世界日新月異的變化，我們應該去研究探索一些新的途徑，尋找一些新的手段，運用一些新的工具來幫助青少年物化自己的創(chuàng)新思維，引導他們更好的在創(chuàng)新的世界中遨游。

4 3D打印技術(shù)的特點

隨著3D打印技術(shù)成熟發(fā)展給教育工作者在提升學生創(chuàng)新技能方面提供了更有效的解決方法。3D打印技術(shù)是一種“快速成型技術(shù)”（Rapid Prototype），依托于計算機數(shù)字模型文件，利用3D打印機通過逐層打印的方式將虛擬的3D模型進行“物化”。該技術(shù)能夠直接從計算機圖形數(shù)據(jù)中生成設計所需零件，區(qū)別于以往的減材制造加工方式，無須機械加工或開模，我們稱其為“增材制造技術(shù)”。能夠極大地縮短產(chǎn)品的研制周期，降低生產(chǎn)成本和提高生產(chǎn)率。如今，這一技術(shù)在多個領(lǐng)域得到了應用，我們可以用它來打印燈罩、珠寶，或者更加個性化的需求——根據(jù)腳型定制球鞋。這也使我們有理由相信，3D打印技術(shù)能成為提升青少年創(chuàng)新技能的新途徑。

5 3D打印技術(shù)是培養(yǎng)和提升青少年創(chuàng)新技能的有效途徑

3D打印技術(shù)的特點決定了增材制造這種方式在創(chuàng)新過程中起到了顛覆性的作用，可以幫助我們擺脫之前傳統(tǒng)制造技術(shù)設置的枷鎖，給創(chuàng)新設計帶來更大的釋放空間。該技術(shù)為創(chuàng)新技能的提升提供了支持，為學生在 “創(chuàng)新設計”與“快速制造”之間架起了一座新的橋梁。運用3D打印技術(shù)的新知識、新技術(shù)、新方法來培養(yǎng)青少年的創(chuàng)新能力，一方面能夠讓學生了解前沿技術(shù)，另一方面還能夠成為他們創(chuàng)新實踐的新方式，是提升青少年創(chuàng)新技能的有效途徑。

運用該技術(shù)，能夠直接從計算機圖形數(shù)據(jù)中生成任何形狀的零件，采用三維的形式表現(xiàn)設計意圖的手段。3D打印技術(shù)出現(xiàn)之前，創(chuàng)新思維局限于圖紙，或僅停留在設計者的腦海中。以往，在進行創(chuàng)意構(gòu)思時，首先將其設計構(gòu)想體現(xiàn)在平面草圖上，而學生的草圖表達能力顯得差強人意，這是由于大部分學生的繪畫能力有限，并且利用二維平面作圖來表達空間結(jié)構(gòu)的能力不足所造成的。對于學生而言，發(fā)展空間思維最常用的方式就是讓他們進行直觀化的操作。而3D打印技術(shù)就可將學生的構(gòu)思轉(zhuǎn)變?yōu)檎鎸崳?“可視化立體操作”的形式成為了學生能夠直觀的表達和表現(xiàn)創(chuàng)新成果的新手段。

借助3D打印技術(shù)，能夠幫助學生將數(shù)字化的設計模型快速變成實物?？梢詫崿F(xiàn)“想象—虛擬—實體”三者之間的鴻溝跨越，也是創(chuàng)新思維物化成型的過程。這一過程包括了理論知識的遷移，也是手腦并用的過程。并且由于3D打印材料環(huán)?？山到?，對人體無害，加之主要使用的工具設施是計算機和3D打印機，作為物化的一種手段和工具，在操作上安全性也得到了保障。

6 3D打印技術(shù)培養(yǎng)和提升青少年創(chuàng)新技能的應用及實踐

“經(jīng)驗之塔”理論是美國視聽教育專家戴爾在《教學中的視聽方法》一書中提出的，它是日后試聽法教學的主要理論依據(jù)，該理論融合了杜威的教育理論和相關(guān)心理學觀點。“經(jīng)驗之塔”理論將學習經(jīng)驗分為三大類：做的經(jīng)驗、觀察的經(jīng)驗和抽象的經(jīng)驗。3D打印的三維數(shù)字化設計教學活動就是從設計的經(jīng)驗著手，逐步在做的過程中去觀察。學生通過三維數(shù)字化設計，到3D打印物化成品，在這一過程中，鍛煉了創(chuàng)新成果的表達能力和表現(xiàn)能力、物化能力，并且能夠從感性認識過渡到理性認識。

下面介紹三個3D打印教學實踐案例，分別從知識型應用、實踐型應用、研究型應用角度出發(fā)，通過項目式、場景化學習的方式，訓練學生的圖樣表達、創(chuàng)新設計、物化能力等方面的創(chuàng)新技能，幫助其提升技術(shù)意識和工程思維。

6.1 孔明鎖

小學四、五年級是學生建立空間立體概念的關(guān)鍵時期?？酌麈i的3D建模學習正是這樣一個挑戰(zhàn)空間想象力的任務。在實際的教學中，學生需要觀察模塊、測量和繪制，通過尺寸數(shù)據(jù)的計算，從原理上對孔明鎖增加理解，能夠?qū)酌麈i的立體圖形有更加直觀的認識。通過孔明鎖3D打印的學習，不僅僅學習了原型圖的繪制，也經(jīng)歷了從具體到抽象再到具體的過程。借助繪制三視圖，可以培養(yǎng)學生的幾何直觀能力和空間想象力，見圖1。

6.2 U盤筆

U盤筆是對參加創(chuàng)意設計活動的學生進行的一個3D打印實踐項目，對學生的3D建模能力是一個極大的挑戰(zhàn)，這款圣誕樹U盤筆是五年級學生的創(chuàng)新作品，獲得了2017年上海市創(chuàng)客新星大賽的二等獎。它的外形是一棵圣誕樹，由圣誕樹筆筒、U盤筆和五角星形樹頂u盤蓋三部分組成。U盤筆由上筆體和下筆體組成，上筆體的U盤呈扁平狀。放在書桌上既是個小擺設，使用時可方便地卸下當做U盤的電子產(chǎn)品，整體協(xié)調(diào)美觀。在3D建模的時候，按照先整體再局部，通過外形輪廓的繪制旋轉(zhuǎn)得到實體，再逐漸增加繪制難度，考慮作品結(jié)構(gòu)細節(jié)、尺寸的設置，分部件完成3D建模。在實際的操作過程中，學生還要獨立解決尺寸丈量、等比例縮放等相關(guān)知識的學習和操作。最后，將模型打印出來組合裝配。項目實施過程使學生理論聯(lián)系實際，能夠幫助他們提高了創(chuàng)新設計和物化的能力，見圖2。

6.3 野外智能凈水精靈

凈水精靈是五年級學生的一個科技創(chuàng)新作品，主要針對野外旅游提高飲用水安全問題進行的研究。具體開發(fā)內(nèi)容是一個可以對水質(zhì)進行簡單過濾，并可對水質(zhì)實現(xiàn)在線檢測的水杯。

運用3D打印技術(shù)，學生設計了杯體，包括杯蓋，過濾體和盛水體等，其中過濾體主要用于盛放活性炭等過濾物質(zhì)的，實現(xiàn)對水質(zhì)的過濾。同時利用3D打印技術(shù)制造出產(chǎn)品模型，如圖所示，其中杯蓋和盛水體如常規(guī)水杯，過濾體主要用于盛放活性炭等。在設計的過程中設計了多個方案的比較，通過不斷的迭代修改，最后建模完成。

這個項目以問題為導向，探索解決方案，并且形成了一定的創(chuàng)新成果。雖然在作品的科學性、成熟度和有效性性上還需要更多的思考，但正是因為有了3D打印技術(shù)，已經(jīng)能夠讓五年級學生的研究課題落地了。通過對杯體的結(jié)構(gòu)進行設計，使學生在抽象概念和直觀經(jīng)驗之間得到了自由轉(zhuǎn)換;以可視化的方式，更早地幫助學生發(fā)現(xiàn)設計中的錯誤和不足;引導學生將自己的設計思維“物化”;培養(yǎng)了學生的技術(shù)意識、工程思維、達到提升創(chuàng)新技能的目的，見圖3。

7 結(jié)論與展望

3D打印能夠作為一種新工具、新手段，可以讓學生從設計、制作、展示、參與等環(huán)節(jié)融入到學習過程。將這項新興技術(shù)引入到中小學教育領(lǐng)域，能夠成為一種培養(yǎng)和提升青少年創(chuàng)新技能的新途徑，為學生提供一個新的更加廣闊的創(chuàng)新實踐平臺。目前3D打印的教與學還有許多值得深入思考與探索的地方，普及起來也面臨著諸多的困難。但我們有理由相信，隨著現(xiàn)代技術(shù)的不斷進步，社會的不斷發(fā)展，這些問題都會迎刃而解。通過訓練學生的圖樣表達、創(chuàng)新設計、物化能力等方面的創(chuàng)新技能，幫助其提升技術(shù)意識和工程思維，實現(xiàn)達到提升創(chuàng)新能力的目的。

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