基于3D打印技術的特色課程研究*
——以“3D打印創意工作室”課程為例

王 美王良輝劉中曉陳淵淵

（1.杭州采荷第三小學教育集團，浙江杭州 310016；2.浙江師范大學 教育學院，浙江金華 321000；3.浙江水利水電學院 教務處，浙江杭州 310018)

基于3D打印技術的特色課程研究*
——以“3D打印創意工作室”課程為例

王 美1王良輝2劉中曉3陳淵淵1

（1.杭州采荷第三小學教育集團，浙江杭州 310016；2.浙江師范大學 教育學院，浙江金華 321000；3.浙江水利水電學院 教務處，浙江杭州 310018)

近年來，3D打印成為人們關注的熱點，并逐步走進教育領域。為了讓孩子們更好地適應時代發展，杭州采荷第三小學教育集團將 3D打印技術引入“第三教育空間”，開設了“3D打印創意工作室”特色課程。該課程具有明確的教學目標，在實施過程中積極創設教學情境、借助任務驅動法，并在此基礎上，依據建構主義理論、多元智力理論以及“經驗之塔”理論帶來的啟示，采用主題式教學法開展教學，有效激發了學生的學習積極性。該課程目前已在提高學生動手能力、學習能力、創造性方面取得了一些顯著成效，并積累了一些經典案例，以期為課程建設與研究提供參考。

3D打印技術；特色課程；課程建設

近年來，3D打印技術作為一種新型的快速成型技術，正逐步進入人們的視野。《2013年地平線報告（基礎教育版）》更是將3D打印技術作為遠期發展對象提出，并在《2014年地平線報告（基礎教育版）》中將其作為中期發展目標進一步提上日程。可見，3D打印技術正作為多媒體技術的新寵開始走進基礎教育領域，受到越來越多基礎教育工作者的關注。然而，如何發揮3D打印技術的教育價值、培養學生的創造思維、打通孩子們想象—虛擬—實體三者之間的鴻溝，仍有許多問題值得研究和探討。

杭州采荷第三小學教育集團（下文簡稱采荷三小）以培養自主、現代的學生為理念，開展了小班化教育與現代教育技術相整合的應用研究，并針對當前基礎教育課程單一、分數主宰教學、能力培養旁落等問題，提出了“第三教育空間”理念，每周四下午讓孩子們從繁重的課業負擔中解脫出來，玩轉社團，而相關社團課程資源由采荷三小的教師自主研發。為了進一步順應時代的發展，探索不斷普及的3D打印技術的教育價值，培養孩子們未來生存與工作的基本知識及素養，采荷三小大膽嘗試，開設了“3D打印創意工作室”。

一 3D打印技術及其在基礎教育領域的應用現狀

3D打印技術又稱“快速成型技術”（Rapid Prototype），是一種以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印方式來構造物體的技術[1]。與傳統打印相比，3D打印無須機械加工或任何模具，就能直接從計算機圖形數據中生成任何形狀的零件，從而極大地縮短了產品的研制周期，提高了生產率，降低了生產成本。

目前，一些國家和組織已開始探索3D打印在教育領域的應用。如英國教育部開展了一項為期一年的試驗項目，以21個學校為試點，將3D打印技術應用到數學、物理、工程和設計等課程中，從而探索3D打印的教學應用，推動教學創新[2]；美國國防高級研究計劃局的制作實驗和拓展項目計劃在美國高中推廣3D打印機，旨在培養高中生的工程技術與技能，并激發他們對工程、設計、制造和科學相關課程的興趣，促進高中學齡的學生協作完成一系列的設計和制作方案，以幫助他們解決在未來設計和工程方面的挑戰[3]。在我國，青島各區市相繼建立了中小學3D打印實踐中心，并分三個階段推進3D打印進校園活動，每半年舉行一次優秀學生作品評選及拍賣活動；上海師范大學以黎加厚教授牽頭的項目組于2013年9月進入和田路小學，與一線教師共同開發3D打印課程，并在三、四年級分別實施了一個學期[4]。綜上所述，3D打印技術進入基礎教育領域的趨勢已勢不可擋，但如何開展、如何實施依舊是難題，有必要從具體的課程建設入手，探索3D打印技術在基礎教育領域應用的依據與策略。

二 3D打印技術教學應用的理論依據

總的來說，建構主義理論、多元智力理論以及“經驗之塔”理論都為3D打印技術在教學中的應用提供了很好的理論依據。

建構主義學習理論的核心是以學生為中心，強調學生對知識的主動探索、主動發現和對所學知識意義的主動建構[5]。“3D打印創意工作室”采用主題教學的方式展開，重在激發學生主動探索知識的欲望，并在進一步分析問題和解決問題的過程中，引導學生去主動發現問題并主動建構新的知識體系。

多元智力理論認為人類的智能不是一元的，而是多元的，具體可分為語言智能、數學-邏輯智能、空間智能、身體-運動智能、音樂智能、人際關系智能、自我認識智能以及自然觀察者智能。為了促進學生多元智力的發展，“3D打印創意工作室”采用小組合作的形式，充分發揮小組各成員的特色智能，并運用學科整合的方式，激發學生的多元智力，促進學生的全面發展。

圖1 “經驗之塔”理論[6]

美國視聽教育家戴爾于1946年提出的“經驗之塔”理論顯示，最底層的經驗最具體，越往上越抽象，排成一個序列，如圖1所示。根據這一理論，教學活動應從具體經驗入手，逐步進入抽象經驗；而在學校教學中使用各種媒體，可以使教學活動更具體，也能為抽象概括創造條件，彌補下層直接經驗的不足。“3D打印創意工作室”正是充分發揮了學生學習的具體經驗，讓學生在具體模型中感受空間思維與創造思維，變抽象為具體，從而使學習活動更加高效。

由此可見，3D打印技術在本質上是多媒體技術的延伸，也是虛擬現實技術的延伸。該技術拓展了人的感覺和知覺，促進了人的思維能力的進一步發展，其與教學的融合勢在必行。

三 案例：“3D打印創意工作室”特色課程的教學實踐

2014年，采荷三小進行大膽嘗試，由美術老師和信息老師共同開設了面向三、四年級學生的3D打印社團課——“3D打印創意工作室”，后經學生自主選課，同年9月對三、四年級中選修了此課的24位學生進行正式授課。

1 課程建設目標

面向小學生開設“3D打印創意工作室”，并非想把孩子們培養成技術高手，而只是想讓孩子們通過接觸3D打印技術，并在學習過程中運用這一新興技術，來促進他們計算思維、空間思維、設計思維和創新思維的發展，從而形成虛擬世界、實體世界以及學生內心世界的聯通，激發孩子們的創造力和想象力。

具體的課程建設目標包括:（1）通過系統訓練，使學生熟練掌握3D建模軟件——Rhinoceros的基本指令，能利用該軟件自由創作簡單的三維模型；（2）激發學生的建模興趣，啟迪他們的創造意識，培養他們用創新視角分析、解決問題的能力，提高他們的信息及綜合素養；（3）借助繪畫、動畫創作、實驗設計等活動，寓教于樂，讓學生在愉悅的氛圍中了解3D打印技術；（4）引導學生了解3D打印技術的基本原理，并學會使用3D打印機；（5）在將自行設計的3D產品進行創作的過程中，引導學生理解3D打印產品的實際作用，并將其融入自己的實際生活之中。

2 課程實施策略

在課程的具體實施方面，根據“3D打印創意工作室”的教學目標，在教學過程中主要采取以下策略:

（1）創設教學情境，提高學習動機

當學生對某一課程產生學習興趣時，他們的學習動機就強，就會產生力求掌握知識的緊迫感，并采取積極主動的學習手段，提高自己的學習效率。Rhinoceros軟件、3D作品建模的內容學習相對比較枯燥，因此在教學過程中有效利用學生感興趣的動畫、人物、生活小常識，并從他們的學習經驗、知識結構出發，適時創設具有趣味性、探索性、延伸性教學情境，將有助于激發他們強烈的學習意識和探究動機。

（2）任務驅動，自主協作學習

任務驅動教學法是以任務為核心展開教學活動，通過學生自主、獨立地發現問題，進行實驗、操作、調查、搜集與處理、表達、交流信息等探索活動，獲得知識、技能與態度的發展。在學習過程中，學生按照任務項目組成協作學習小組，在信息老師和美術老師的指導下通過小組協作、自主探究等方式完成作品的設計和開發，使學生在參與作品設計和開發實踐的過程中，熟練掌握課程內容，學會團隊協作與交流，共同完成作品的建模與打印。

3 課程教學過程

根據建構主義理論、多元智力理論和活動理論帶來的啟示，“3D打印創意工作室”采用主題式的教學方式，將課程教學分為海底總動員、玩具制作和生活小幫手三個主題，如表1所示。通過對這三個主題的不同體驗，來引導學生感受3D打印給生活和學習帶來的便利，從而逐步構建學生在虛擬、實體與想象之間的聯通，最終實現融會貫通。

表1 課程實施的三個主題

（1）海底總動員。從電影《海底總動員》中的一個小片段開始:小海星和尼莫被困在魚缸里，想要出去卻無能為力，視頻就暫停在“詛咒你，讓我們出去”。課堂由此開始，孩子們需要做的就是以小組為單位設計一個劇本來拯救魚缸中的海星和小魚，而劇本中涉及到的海星和小魚正是利用3D打印的方式獲得——孩子們在信息老師的指導下，利用Rhinoceros軟件繪制個性化的海星和小魚模型（如圖2所示）；在美術老師和信息老師的共同幫助下，打印自己建模的海星和小魚。由于采荷三小使用的是FDM技術的3D打印機，打印完的成品為純色，因此還需要孩子們在后期對打印的海星和小魚用丙烯顏料進行上色（上色后的部分成品如圖3所示）。最后，孩子們利用自己設計、打印、上色的海星和小魚，結合“定格動畫工作室”軟件，將之前設計好的紙質劇本拍攝成定格動畫，與其他師生進行交流、展示與共享。

圖2 小魚建模現場

圖3 海星與小魚上色后的部分成品

（2）玩具制作。該主題以蜘蛛俠和降落傘為例進行教學，其中降落傘作為蜘蛛絲的支撐物出現在本案例中。首先，教師通過“蜘蛛俠是用什么方法進行攀爬的？如果蜘蛛俠的手掌突然沒有掌紋之后，他還能拉住蜘蛛絲并往上爬嗎？”等問題來引發學生對蜘蛛俠攀爬過程受力情況的思考，從而得出結論:影響蜘蛛俠爬升的因素主要有小孔的開孔方向、蜘蛛俠腳的張開角度、蜘蛛俠手臂的粗細以及蜘蛛俠手擺動的頻率。其次，在考慮這些因素的基礎上，引導孩子們利用Rhinoceros軟件對蜘蛛俠和降落傘進行三維建模（如圖4所示），并利用3D打印機完成蜘蛛俠和降落傘的成品。再次，在美術老師的指導下，利用丙烯顏色對蜘蛛俠和降落傘進行上色。最后，以小組為單位開展蜘蛛俠攀爬蜘蛛絲比賽，并于比賽完成之后通過對比分析得出結論:蜘蛛俠的手臂不是越粗越好，在一定范圍內隨著手臂寬度的增加，速度會不斷增加；但是超過最佳值后，則會減速。本案例中，孩子們在學習3D打印技術、繪畫的同時還學習了相關的科學知識，不僅高效達成各學科的學習目標，還讓孩子們感受到了不同學科知識之間的相通、相融性，并認識到:只有具備不同的學科知識，才能更有效地解決所遇到的現實問題。

圖4 蜘蛛俠建模

（3）生活小幫手。課堂以“當媽媽走進衛生間時，總是一不小心就被地上濕滑的肥皂液而弄得差點滑倒。這些調皮的肥皂液總是從肥皂盒里流淌出來，作為媽媽的小幫手，你如何幫助媽媽解決這個問題呢？”這一問題情境開始，并拋出如圖5所示的現實問題，引導孩子們分析并得出結論:我們打印的肥皂盒應該可以放下最常見的肥皂，并且可以長期保存，還要具有個性化的外觀。在此基礎上，引導孩子們對常見的肥皂尺寸進行測量，并利用Rhinoceros軟件，通過自主協作的方式對肥皂盒進行三維建模（如圖6所示）。然后，在信息老師的指導下完善肥皂盒模型，最終打印出個性化肥皂盒成品。最后，在美術老師的指導下進行上色，并帶回家送給媽媽。通過這樣的主題，孩子們既學了知識，又豐富了情感，有助于發展他們的多元智力。

圖5 目前肥皂盒存在的問題

圖6 個性化肥皂盒建模

4 課程實施成效

（1）提高了學生的動手和參與能力

在“3D打印創意工作室”中，學生通過實物設計、操作體驗、分組交流，正確領會了 3D打印技術的基本操作要點。從設計到打印都需要學生參與完成，這充分提升了他們的操作能力、觀察能力和制作能力，同時也全面增強了他們的動手和參與能力。

（2）培養了學生的創新思維和創造能力

“3D打印創意工作室”特色課程的主要內容是利用Rhinoceros軟件建模，學習Rhinoceros軟件的基本操作方法和設計創新之作的基本思路，將創新的想法用3D打印機實現。尤其是在最后一個主題中，要求孩子們結合之前學過的Rhinoceros軟件基本指令，進行個性化肥皂盒的設計。盡管有難度，但孩子們的表現非常不錯，他們充分發揮想象，設計出了各具特色的肥皂盒作品。該課程通過將孩子們的創新想法及時變成實物，有效開發了他們的創新思維和創造能力。

四 結束語

雖然“3D打印創意工作室”特色課程取得了一些成效，在一定程度上提高了學生的動手和參與能力，也獲得了學生的一致認可，但放眼未來，隨著科學技術的突飛猛進，如何在未來為學生提供更適宜的空間去想象、去創造，是需要繼續探討的重要話題。今后，“3D打印創意工作室”特色課程還需在想象創建、虛擬創造等內容上，進一步激發學生用所學的知識自行構建模型，最終讓他們真正跨越想象—虛擬—實體三者之間的鴻溝。期待本研究能為今后的課程建設與研究提供借鑒，助力教育培養出更多具有想象力、設計力和創造力的人才。

[1]童宇陽.3D打印技術在中小學教學中的應用研究[J].現代教育技術,2013,(12):16-19.

[2]制造業經理人網.3D打印技術在英國學校試點 由教育部門發起[OL].

〈http://cn.world3dassociation.com/dong/2013-01-04/20495.html.〉

[3]Leslie L. National program is the first of its kind to put 3D printers in high school students’ hands[OL].

〈http://www.makepartsfast.com/2011/09/2349/national-program-is-the-first-of-its-kind-to-put-3d-printers-in-high-school-students-hands/.〉

[4]黎加厚,楊曉哲,楊高云.三維打印技術的發展對教育的啟迪[J].中國醫學教育技術,2013,(2):1-5.

[5]肖平.基于主題教學的教學設計應用研究[D].上海:華東師范大學,2006:8-11.

[6]張燕翔,朱赟,董東,等.從“經驗之塔”理論看增強現實教學媒體優勢研究[J].現代教育技術,2012,(5):22-25.

Research on Characteristic Course Based on 3D Printing Technology——Taking “3D Print Creative Studio” as an Example

WANG Mei1WANG Liang-hui2LIU Zhong-xiao3CHEN Yuan-yuan1
(1. Hangzhou Acknowledge the Third Primary School Education Group, Hangzhou, Zhejiang, China 310016; 2. Insititute of Education, Zhejiang Normal University, Jinhua, Zhejiang, China 321000; 3. Dean’s Office, Zhejiang University of Water Resources and Etectric Power, Hangzhou, Zhejiang, China 310018)

In recent years, 3D printing has become the focus of attention, and gradually began to enter the field of education. In order to make children better adapt to the times, our school introduced the 3D printing technology into the“third educational space”, and opened the special course of “3D print creative studio”. The course had a clear teaching goal, and created teaching situation with the task-driven method. Based on the above analysis, the thematic teaching method was applied during the implementation process which is according to the enlightenment of constructivism theory, multiple intelligence theory and “experience tower” theory. The course effectively stimulated the enthusiasm of students’ study and made some remarkable achievements and accumulated some classic cases in improving students’practical, learning and creative ability, which can provide reference for the construction and research in curriculum.

3D printing; special courses; curriculum construction

G40-057

A【論文編號】1009—8097（2015）08—0120—07【DOI】10.3969/j.issn.1009-8097.2015.08.018

編輯:小米

本文為2015教育科研課題（教師小課題）“基于3D打印的小學中段校本課程設計與實踐”（項目編號：15X17034）的階段性研究成果，并受全國教育科學“十二五”規劃課題“信息技術與學校教育的整合研究——基于教育變革的視角”（項目編號：DAA140198）和浙江省教育廳科研項目“教學技術性的現象學解釋”（項目編號：Y201328106）資助。

王美，碩士，研究方向為現代遠程教育，郵箱為zxc5639@126.com。

2014年12月15日