三維打印，課堂不止步于“打印”

楊曉哲

學生學習三維打印技術是一個循序漸進的過程。從掌握基本操作技術到應用拓展，都需要學習者不斷挑戰自己。許多學校開設的三維打印課程從課程體系上是螺旋式上升的，在應用層面上又是分類延伸的，很好地激發了學生創新的想法和創造的實現。下面以幾個不同學校的實踐案例，來呈現多樣化的教學過程，讓我們一起感知學生在學習過程中不一樣的收獲，以及不同案例中精巧的教學設計。以下案例分別來自北京市朝陽實驗小學、上海市世界外國語小學和上海市和田路小學。

發現生活，創造物品

北京市朝陽實驗小學的三維打印課程面向感興趣的學生開設，注重設計的靈感來自生活，學習的技術運用于生活。通過一個階段的學習，學生們已經掌握了如何利用三維建模軟件的基本工具，創建出具體的三維模型，并知道如何使用三維打印機將自己設計的模型打印出實體的物件。而后，學生們需要更好地提升自己的三維建模能力，能夠更加自然流暢地完成設計。

教師首先設置了這樣一個專題——重新設計花瓶。學生先嘗試設計了一些基本花瓶的形狀。而后，教師引導學生尋找和發現外形別致的花瓶。于是學生們在課下查閱了很多資料，發現花瓶的樣式實在是太多了，瓶口有寬有窄，瓶頸有長有短。學生們還了解到傳統花瓶的不同形狀是為了配合插各種各樣的花，同時還發現設計花瓶的樣子是由畫線稿決定的，所以要把線稿畫得流暢平滑一些，線條的變化要豐富一些。通過尋找資料，根據找到的圖片進行加工，學生們都覺得比之前做的作品好看多了，都想著等作品打印出來回家買些花試著插一下，看看不同的花瓶適合插什么樣的花（如圖1）。

通過這樣的課程，學生能夠把自己腦海里的想象與設計變成實現，可以做出以前有想法但是很難做出的實物，也能夠很好地理解各種各樣的立體造型。

觀察校園，三維立體

上海市世界外國語小學面向四年級的學生開設三維打印選修課。首先，教師拋出這樣一個課題：試著畫出校園的三維模型圖，然后根據自己的想法給出改造方案。雖然學生們身處校園之中已有四年的時間，對朝夕相處的校園環境已經非常熟悉，但是讓學生們自己嘗試去構建整個校園的三維立體圖卻會有不少的挑戰。平日里看到的墻壁、走廊、過道、樓梯和窗戶等，這些事物的比例如何、位置如何、又構成什么樣的空間關系等都值得細細揣摩，憑借腦海里的模糊印象很難直接畫出三維模型圖。因此，學生們開始分小組度量每一棟樓房、每一間教室的長寬高，開始認真關注花圃嵌套在樓道里的具體位置，仔細地度量建筑物中那些拐彎的角落。通過一次次的小組討論和嘗試，學生們找到了一些比較準確的比例關系，發現了一些既定的結構規律。通過2～3周的小組合作設計，大多數小組完成了校園三維立體圖的設計。

而后，開始征求意見，著手改造校園的三維模型圖。有的成員認為，操場應該更大一些，便于在上體育課的時候分組進行比賽活動；體育館可以設計得更有張力一些，讓大家更有想去的渴望；教室窗戶可以更多一些，這樣在教室里能感受到更多的陽光。這些不一樣的想法有理有據，得到小組認同的想法開始進入校園的整體修改方案。學生們重新設計了校園的三維模型。這個活動的意義在于有助于學生們在合作中把握三維建模中事物的空間結構，并借助了學生們觸手可及的校園讓其能夠不斷思考驗證，有助于模型的不斷完善。

科學探究，體驗原理

上海市世界外國語小學的三維打印課程設計在不斷探究中逐步深入到以三維打印作為工具與科學研究相互結合。教師發現學生們在學習科學原理公式的時候，常常會停留在符號層面上。而真正在實踐探究中運用到公式原理的機會又非常少。因而，三維打印技術與科學探究結合能夠很好地幫助學生們深入科學探究的過程，更多地參與體驗與設計。教師拋出設計小船承載的專題，先通過簡短的介紹，向學生們介紹各種各樣的船體結構，包括小舟、木船、海盜船、戰艦、潛艇、航空母艦等。學生們通過不同的船體結構和功能特征初步研究它們之間的關系。而后，教師提出挑戰性題目，要求學生們在一定材料額度限制的條件下進行船體模型的設計，設計好后需要放在水槽中用一角錢的硬幣進行稱重測驗，看哪個小組承載的重量最多。

學生們的設計往往超出教師的設想。在課堂上，教師欣喜地發現了學生不一樣的設計。第一組設計的船體樣子有點像飛鏢，但是學生解釋是一個徽章般的船。這艘船能夠承載3個一角錢的硬幣。雖然看上去很漂亮也很特別，但是這艘船并沒有很好的承載能力（如圖2）。

第二組的船更加特別，這組同學通過多次設計，發現如果只是設計成一個正方體或圓柱體，容易在放硬幣的時候翻船。所以，這組學生的改進方案特別注重了船體平衡方面的設計，將船體放置硬幣的地方設計成5個小圓柱，這樣這艘船就具備了比較好的平衡性（如圖3）。第二組的方案在實際檢驗中能夠承載15個一角錢的硬幣。

第三組的設計更像一艘連體船，船壁很高，連接的部分為空心串聯，這艘船在設計過程中充分地運用了阿基米德的浮力原理，具備更大的體積，能夠有更大的排水量。并且船體通過連體的設計也讓放置硬幣的過程中容易保持重心的平衡。這樣的設計在實際檢驗中能夠承載35枚一角錢的硬幣（如圖4）。

這就是三維打印與學科探究的相互結合，能夠讓學生在創作中設計，在設計中摸索并運用科學原理。學生獲得更大成就感的同時，也加深了對科學原理本身的理解與應用。

藝術人文，立體畫卷

上海市和田路小學面向全體三、四年級的學生開設三維打印課程。三維打印技術能夠讓學生們的更大膽的想象與藝術創造得到充分地展現。這一節課中，教師先通過三維設計軟件SketchUP畫出一個圓形，然后問學生：“你們能夠想到生活中哪些最具有圓形立體感的事物嗎？”“大餅、乒乓球、籃球。”接著教師又畫了一個三角形。“你們能夠想到生活中哪些最具有三角形立體感的事物嗎？”“埃及金字塔”“帽子”“錐子”緊接著，教師又拋出了另一個問題：你們可以想到哪些物體是由三角形和圓形組成的？學生們繼續爭先恐后地回答：“圓筒冰淇淋。”“風車。”“太陽從山上落下。”各式各樣的想法層出不窮。這個時候，教師說道：“現在請大家把想象的事物構建出來，畫出虛擬的三維模型。”沒過多久，學生們就將自己想象的場景的三維模型構建了出來。

有了這樣的簡短啟發后，學生們開始用雕塑、立體畫等不一樣的藝術表現方式進行創造（如圖5）。每一個不一樣的設計背后，都彰顯著新工具帶來的新藝術形態，更凸顯著學生們不受已有條條框框的束縛，大膽地創造著不一樣的藝術感受。

組件設計，實現功能

上海市和田路小學的學生們在生活中發現很多實物都是通過結構的組合實現一定的功能。例如，茶壺通過壺嘴、壺蓋、壺柄的組合實現了茶壺的一些基本功能。又如，桌子通過桌面、桌腳的組合實現基本功能。如圖6所示，學生們設計出來的安全剪通過雙面斜度的設計和中間旋鈕的組合實現了其它的基本功能。學生開始嘗試通過多個組件的組合達成物體的功能。從設計單個形狀的三維物體到涉及多個形狀物體的銜接與拼合，挑戰學生們在設計過程中的精準性以及對于物體真實功能的準確把握。通過組件設計的活動，學生們進一步提升了三維打印技術，也更清楚地感知到實際上已經有非常多的事物，他們都可以通過三維打印設計完成，并可以通過修改組件，達到不一樣的功能。