3D打印進課堂，看上去很美

謝作如

接到雜志社邀請為這個專題寫文章的電話時，我剛剛和同事修好一臺3D打印機，整整折騰了一個下午。不用說，還是打印機噴頭堵塞的問題。應(yīng)付這樣的故障，我已經(jīng)算久經(jīng)沙場了。幾乎所有以FDM為原理的桌面級3D打印機，在使用過程中都出現(xiàn)過噴頭堵塞的故障。運氣好的，用材料或者鋼絲直接通就能解決。運氣不好的就要拆下噴頭處理。還是解決不了的，就要送廠家維修了。

看著眼前剛剛修好的3D打印機和一片狼藉的工作臺，我說，3D打印進中小學(xué)課堂看上去很美，其實未必，不是嗎？

觀點之一：3D打印進入中小學(xué)課堂的意義

2015年8月21日下午，國務(wù)院第一會議室變成了一間臨時講堂。主講者是一位70歲的白發(fā)院士，而“聽眾”則是國務(wù)院總理、副總理、國務(wù)委員，以及各部部長、央企、金融機構(gòu)的負(fù)責(zé)人。這位主講人是中國工程院院士、“高檔數(shù)控機床與基礎(chǔ)制造裝備”重大專項技術(shù)總師、西安交通大學(xué)機械工程學(xué)院院長盧秉恒，題目是“先進制造與3D打印”。

李克強總理對3D打印的重視，是關(guān)注其在我國制造業(yè)轉(zhuǎn)型中的重大意義。因為3D打印技術(shù)目前受到了媒體和大眾的熱烈追捧，被認(rèn)為是最近20年世界制造技術(shù)領(lǐng)域的一次重大突破，將與其他數(shù)字化生產(chǎn)模式一起推動新的工業(yè)革命。但在教育領(lǐng)域，3D打印同樣有著重要價值。教育技術(shù)圈中人人皆知的《地平線報告》，已經(jīng)連續(xù)幾年關(guān)注3D打印技術(shù)了。

如果要分析3D打印的教育價值，我們可以從教師和學(xué)生兩個角度去觀察。

1.教師角度

3D打印技術(shù)降低了制作作品的難度，教師借助3D打印技術(shù)開發(fā)實物模型（教具），能夠讓學(xué)生更加真實地感知事物。例如，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，快速幫助學(xué)生建立三維空間想象思維；在地理課上，3D打印能夠幫助學(xué)生更好地理解地質(zhì)構(gòu)造的規(guī)模；在歷史課上，古文物的復(fù)制品能夠使學(xué)生獲得更多做中學(xué)的體驗。

2.學(xué)生角度

學(xué)生利用3D打印技術(shù)，可以在實驗室親歷從想象到圖紙再到實物的全過程。的確，3D打印對于藝術(shù)表現(xiàn)形式與科學(xué)概念的表達(dá)是一種新穎并且非常被看好的方式，特別有助于科技與藝術(shù)相結(jié)合的學(xué)習(xí)，即STEAM。只有將圖紙上的個性化創(chuàng)意作品真正“造”出來，創(chuàng)造性探究學(xué)習(xí)才能得以“落地”，而不是停留在畫畫草圖、紙上談兵的階段。

觀點之二：3D打印是校園創(chuàng)客空間必備的工具

和3D打印一樣，“創(chuàng)客空間”也受到地平線報告的關(guān)注，2014年和2015年的《地平線報告（基礎(chǔ)教育版）》中，“創(chuàng)客空間”入選未來5年內(nèi)影響基礎(chǔ)教育12項關(guān)鍵技術(shù)名單，是促進基礎(chǔ)教育學(xué)習(xí)變革的數(shù)字策略之一。“創(chuàng)客”（maker/hacker）起源于美國，麻省理工學(xué)院發(fā)起了一間個人制造實驗室（Fab Lab），為創(chuàng)新提供平臺，使得發(fā)明創(chuàng)造不再受地點（如具有昂貴設(shè)備的實驗室）和人群（如專業(yè)科研人員）的限制，它的發(fā)展掀起了個人設(shè)計和制造的浪潮，創(chuàng)客由此涌現(xiàn)。

幾乎所有的校園創(chuàng)客空間建設(shè)方案中，3D打印機都是必選的工具。因為創(chuàng)客關(guān)注“造物”，沒有比3D打印機更便于“造物”的了。自從“RepRap”3D打印機項目開源后，一些動手能力較好的教師，都開始自己設(shè)計、制作3D打印機了，如山東淄博的于方軍教師團隊，他們不僅自己做普通的3D打印機，還折騰出國內(nèi)首創(chuàng)的陶泥打印機來。

問題之一：3D打印廠商，你們準(zhǔn)備好了嗎？

3D打印要進入中小學(xué)課堂，肯定需要3D打印機廠商的支持。短短幾年，3D打印機從數(shù)萬元一下子降到數(shù)千元。一些精度不高的DIY打印機套件，價格甚至降到1500元左右，簡直是白菜價了。從去年開始，北京、杭州、濟南等地的教育局先后推出“3D打印進校園”的計劃，政府采購了一大批打印機，然后分發(fā)到各所學(xué)校。

但對于“3D打印進校園”，3D打印廠商真的準(zhǔn)備好了嗎？我看未必，機器價格僅僅是一方面，要在校園扎根，還需要做很多工作。不可否認(rèn)，當(dāng)前的3D打印機還存在很多硬傷。

1.打印作品的速度慢

行內(nèi)人都知道，3D打印機打印速度很慢，一個20cm×20cm×20cm的模型，如果要稍微打印精細(xì)些，一般需要50～70小時。你沒有看錯，是至少50小時，你要開著打印機沒日沒夜地等著。哪怕再小巧一點的模型，從開始加熱到模型打印完畢，總得要半個小時左右吧。這對追求當(dāng)堂打印作品的教師來說是不可承受的。他們總希望3D打印應(yīng)該像激光打印一樣，幾分鐘就能完成。

我們常常看到，一些不熟悉技術(shù)的教師，一開始因為好奇而紛紛來圍觀3D打印機。看到打印速度慢就嫌棄，看到快速打印出來的成品質(zhì)量不高又失望。等體驗了一次完整的打印過程后，又為打印一個作品居然要調(diào)這么多參數(shù)而表示不可理解。

2.機器維修困難

早期玩桌面級3D打印機的都是創(chuàng)客，他們動手能力強，買些散件自己就能折騰出一臺打印機來。對創(chuàng)客們來說，往往還會改造打印機結(jié)構(gòu)，零部件壞了自己做一個。我校的打印機噴頭處的亞克力板壞了，學(xué)生都能自己用激光切割機切一塊補上去。但是，一旦3D打印機大面積普及就不同了，總不能要求每所學(xué)校都有一位非常精通機械和電子且動手能力超強的教師。有些設(shè)計不好的機器，一旦壞了還要整臺快遞回廠家維修，很不方便。

我曾經(jīng)和上海一家3D打印機廠商聊起打印機維修的問題。他們自豪地表示，他們的打印機在噴頭方面做了獨特的設(shè)計，一旦堵頭，卸掉幾個螺絲，更換一個即可。但是一問價格就失望了，一個用來更換的噴頭價格得數(shù)千，這不是普通學(xué)校能夠承受的。

3.很多模型無法打印

我校開設(shè)了3D打印課程，學(xué)生也設(shè)計了好多有趣的模型，如學(xué)校里的亭臺樓閣，很漂亮。既然設(shè)計了，總要打印出來吧。一打印就發(fā)現(xiàn)問題來了。很多模型有懸空或者凸起的部件，沒有加一些特殊的支撐，根本無法打印。要把這些稀奇古怪的模型打印出來，師生都要對打印機本身非常熟悉，了解其工作原理和各種參數(shù)。

問題之二：要開設(shè)怎樣的3D打印課程？

打印機買來了，接下來做什么？根據(jù)前面的分析，打印機要么教師用要么學(xué)生用。讓各學(xué)科教師學(xué)會設(shè)計3D模型，然后打印出各種各樣的教具用于教學(xué)，這幾乎是不可能完成的任務(wù)。除非3D設(shè)計軟件如同PowerPoint一樣簡單易用，且成為教師的必修技能。要知道，3D設(shè)計比做PPT的難度不知道要高出多少個等級。所以，目前只有部分有條件的學(xué)校能開設(shè)3D打印課程，讓學(xué)生學(xué)習(xí)3D設(shè)計，并打印出作品。

3D打印機剛剛流行的時候，國內(nèi)就有好幾所敢于吃螃蟹的學(xué)校開設(shè)了3D打印課程。這些課程也是良莠不齊，問題多多。例如，有的學(xué)校是讓學(xué)生上網(wǎng)找現(xiàn)成的3D模型，然后打印出來，美其名曰體驗3D打印；也有的學(xué)校教師購買了3D打印機散件，讓學(xué)生從裝搭開始到最后的打印，親歷整個過程。

不可否認(rèn)，這些課程都有一定的教育價值，有問題也屬正常，所謂“初生之物，其形必丑”。但是僅僅打印現(xiàn)成模型，這當(dāng)然不能凸顯3D打印的教育價值。自行裝搭3D打印機的課程，是不可復(fù)制和普及的課程。試想一下，一輪課程結(jié)束后，學(xué)生搭出了十來臺打印機。那下次是拆了再來一次，還是繼續(xù)搭出新的打印機？可見，最終要將目光放在3D設(shè)計方面才對。據(jù)說在新一輪的高中技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)修訂中，3D設(shè)計是其中一個課程模塊，這是非常令人期待的事情。

3D設(shè)計的軟件選擇哪一款？這也是重點。我曾經(jīng)把常見的3D設(shè)計軟件都試用了一次，如UG、SolidWorks、Rhino（犀牛）等，最后還是選擇了SketchUP。理由很簡單，SketchUP是開源軟件，安裝包也最小，對計算機系統(tǒng)的要求也最小。既然是普及教育，總不能選擇只有貴族學(xué)校才能使用的軟件吧。現(xiàn)在國內(nèi)已經(jīng)有教師編寫了基于SketchUP的教材，如常州天寧區(qū)管雪沨老師的團隊。除此之外，中學(xué)生也可以嘗試用OpenScad軟件來研究3D建模。OpenScad也是開源軟件，我校的3D打印課程“數(shù)學(xué)視野下的3D打印”就是基于OpenScad開發(fā)。

其實3D設(shè)計跟STEM領(lǐng)域結(jié)合才是最有生命力的。和數(shù)學(xué)的結(jié)合，是大家最容易理解也最關(guān)注的。有專家分析數(shù)學(xué)和3D打印結(jié)合會經(jīng)過以下幾個步驟：①教學(xué)中，學(xué)習(xí)者可以看見具體的實物，現(xiàn)實中從三維的角度去觀察物體，在概念的學(xué)習(xí)中能讓學(xué)習(xí)者有一個真實的、三維的認(rèn)識。體現(xiàn)了數(shù)學(xué)是來自于生活的理念。②歸納總結(jié)規(guī)律的過程。這一過程，是學(xué)習(xí)者將生活中的問題歸納為數(shù)學(xué)問題的過程，借助3D模型，學(xué)生可以重新探索知識發(fā)生的過程，讓缺少空間想象力的學(xué)生有一個真實的認(rèn)知過程。③總結(jié)規(guī)律，嘗試制作。學(xué)習(xí)者在學(xué)會知識后，利用所學(xué)知識，可以制作一個3D模型，通過打印檢驗所學(xué)的知識是否正確。④創(chuàng)新過程。學(xué)會知識，就有了創(chuàng)新的條件，學(xué)生可以利用所學(xué)知識進行創(chuàng)新，并通過3D打印的方式進行檢驗，同時在創(chuàng)新的過程中讓知識得到升華。

結(jié)語

諾貝爾獎獲得者埃德蒙·費爾普斯在《大繁榮》一書中說到，真正的創(chuàng)新并非源于少數(shù)精英和自上而下的推動，而是一個基于大眾的、草根的、以人為本的、自下而上的全民創(chuàng)造進程。只有大眾參與的創(chuàng)新，才能帶來經(jīng)濟社會的繁榮興盛。盧秉恒院士在國務(wù)院的講座中設(shè)想了未來制造業(yè)可能的前景：一半以上的制造為個性化定制，一半以上的價值由創(chuàng)新設(shè)計體現(xiàn)，一半以上的企業(yè)業(yè)務(wù)由眾包完成，一半以上的創(chuàng)新研發(fā)由極客、創(chuàng)客實現(xiàn)。所謂創(chuàng)新2.0是以人為本、以應(yīng)用為本的創(chuàng)新活動，利用技術(shù)手段讓所有人都有參與創(chuàng)新的機會。從這個意義上看，3D打印進入中小學(xué)課堂的意義則非常重大，不僅看上去很美，其本質(zhì)更美，值得我們?nèi)L試。