3D打印課程在小學(xué)信息技術(shù)領(lǐng)域的探索與實(shí)踐

徐振宇

【摘 要】當(dāng)下3D打印技術(shù)快速發(fā)展，學(xué)生對(duì)于3D打印技術(shù)的興趣非常濃厚。筆者開設(shè)了小學(xué)信息技術(shù)領(lǐng)域拓展性課程——3D打印課程。筆者通過對(duì)3D打印課程的探索實(shí)踐，對(duì)教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行了歸納說(shuō)明，提出了教學(xué)過程的整體框架，并以具體案例輔助說(shuō)明教學(xué)過程中主題的選擇、導(dǎo)入的方式、設(shè)計(jì)與創(chuàng)作的方法及評(píng)價(jià)的過程，盡可能詳細(xì)地展現(xiàn)課堂實(shí)施過程，與大家分享交流。

【關(guān)鍵詞】3D打印；小學(xué)信息技術(shù)；拓展性；探索實(shí)踐

【中圖分類號(hào)】G434 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B

【論文編號(hào)】1671-7384（2016）10-0074-04

在當(dāng)下的創(chuàng)客時(shí)代，各種先進(jìn)技術(shù)飛速發(fā)展，3D打印等新興技術(shù)也不斷影響著教育的發(fā)展。隨著這些技術(shù)逐步進(jìn)軍教育領(lǐng)域，生活在較發(fā)達(dá)城市的孩子容易接觸到這些新技術(shù)，同時(shí)也深深地被這些技術(shù)所吸引。孩子有學(xué)習(xí)新興技術(shù)的需求，而小學(xué)階段又是人的一生當(dāng)中最具有創(chuàng)造力的階段之一，3D打印技術(shù)能更直觀、便捷地讓學(xué)生們的夢(mèng)想變成現(xiàn)實(shí)。由此可見，對(duì)小學(xué)信息技術(shù)課程進(jìn)行拓展性校本探索和實(shí)踐是一種必然趨勢(shì)。

3D打印技術(shù)及應(yīng)用現(xiàn)狀

1. 3D打印技術(shù)

3D打印就是使用特殊的材料，例如塑料、尼龍、陶瓷、金屬等，通過電腦將打印材料一層一層的疊加起來(lái)，最后形成想要的實(shí)物的一個(gè)過程。目前主要的3D打印技術(shù)類型有：熔融沉積成型技術(shù)（FDM）、數(shù)字光學(xué)處理技術(shù)（DLP）、立體光固化成型技術(shù)（SLA）、選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（SLS），分層實(shí)體制造技術(shù)（LOM）等。其中熔融沉積成型技術(shù)在市面上最為常見。

2. 3D打印技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

3D 打印技術(shù)被譽(yù)為“第三次工業(yè)革命的重要生產(chǎn)工具”，新媒體聯(lián)盟（New Media Consortium，NMC）在2013年地平線報(bào)告中，首次將3D打印技術(shù)列為教育領(lǐng)域未來(lái)4-5年內(nèi)普及應(yīng)用的創(chuàng)新型技術(shù)。當(dāng)前3D打印不再是成人設(shè)計(jì)師的專有權(quán)利了，越來(lái)越多的信息顯示，兒童3D打印教育正逐步在科技館、博物館、學(xué)校等地開展（Pringle， 2015）。 美國(guó)的3D System公司于2014年實(shí)施了MAKE.DIGITAL計(jì)劃，該計(jì)劃提供集成了工具、軟件和課程等各種資源的完整系統(tǒng)，從而逐步形成了成熟而健全的3D打印教育體系，使各個(gè)層次的學(xué)生和教育機(jī)構(gòu)都能從中受益。諸如此類的豐富特色課程資源和產(chǎn)品，將3D打印以一種簡(jiǎn)單、有趣的方式帶入小學(xué)課堂。

3D打印技術(shù)在我校應(yīng)用的基本現(xiàn)狀

1. 開展3D打印課程的硬件環(huán)境

2015年9月，我校利用每周三下午三課時(shí)時(shí)間開展拓展性課程研究與實(shí)踐，筆者設(shè)計(jì)開發(fā)了3D打印課程。在此基礎(chǔ)上，我校配備了3D打印實(shí)驗(yàn)室，設(shè)有1臺(tái)3D打印機(jī)、1臺(tái)激光打印機(jī)、10支3D打印筆、計(jì)算機(jī)等設(shè)備，本著以學(xué)生為本的原則，將實(shí)驗(yàn)帶入課堂，為學(xué)生的實(shí)踐提供可能。

2. 師生的3D打印知識(shí)水平分析

3D打印對(duì)我校的全體師生是一個(gè)新生事物，我校與公司合作，定期邀請(qǐng)技術(shù)人員來(lái)校分享3D打印知識(shí)與操作技術(shù)。通過一段時(shí)間的學(xué)習(xí)與了解，教師與學(xué)生對(duì)于3D打印的基本常識(shí)及原理已經(jīng)心中有底。在整個(gè)學(xué)習(xí)過程中，師生對(duì)于3D打印興趣濃厚，都非常期待3D打印走進(jìn)課堂，通過3D打印技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)自己想要的東西。通過一個(gè)多學(xué)期的探索與學(xué)習(xí)，我們逐步開始了3D打印課程的探索與開發(fā)。盡管3D打印在學(xué)校并沒有較為廣泛的應(yīng)用，無(wú)論是對(duì)于老師還是學(xué)生都是一個(gè)全新事物，甚至是個(gè)挑戰(zhàn)，我們都有很強(qiáng)的信心將3D打印課程開展好，在學(xué)習(xí)中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，共同進(jìn)步。

探索我校3D打印課程設(shè)計(jì)

1. 3D打印工具的選取

3D打印分為3D打印機(jī)與3D打印筆兩種打印形式。3D打印機(jī)開展課程的方式主要是預(yù)先在電腦上進(jìn)行三維模型設(shè)計(jì)（可借用內(nèi)置模型或掃描所得的三維模型），然后連接3D打印機(jī)并將模式設(shè)計(jì)的參數(shù)信息傳送至打印機(jī)，3D打印機(jī)接收到指令后，可以逐層打印，最終形成3D模型。在整個(gè)過程中，主要需要的是學(xué)生三維建模能力，這個(gè)要求對(duì)于只有二維平面概念小學(xué)生來(lái)說(shuō)，有一定的難度，可以用于輔助學(xué)習(xí)。

因此，我們?cè)谡n程實(shí)施的過程中，主要采用3D打印筆開展課程。所謂的3D打印筆是具有3D打印功能的筆，操作它無(wú)需電腦或電腦軟件支持。通電后，就可以開始創(chuàng)作。基于3D打印，擠出熱融的塑料（PLA、ABS），然后在空氣中迅速冷卻，最后固化成穩(wěn)定的狀態(tài)，如圖1所示。

2. 3D打印課程的實(shí)施

3D打印課程是由學(xué)生自主選擇，學(xué)生的主體構(gòu)成為3-6年級(jí)學(xué)生。為了更全面地呈現(xiàn)3D打印課程在我校實(shí)施的具體過程，筆者將以3D打印課堂實(shí)施的具體內(nèi)容進(jìn)行說(shuō)明。

（1）教學(xué)目標(biāo)分析

在知識(shí)與技能方面，掌握利用3D打印筆通過二維平面圖搭建三維立體模型方法，擴(kuò)大學(xué)生的知識(shí)面。在過程與方法方面，通過學(xué)生課前搜集資料、主題探討、圖形設(shè)計(jì)、作品分享的過程，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立學(xué)習(xí)思考的能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。在情感態(tài)度方面，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)3D打印的興趣，創(chuàng)新作品，與當(dāng)下的創(chuàng)客環(huán)境接軌。

（2）教學(xué)實(shí)施過程

課堂中教師以主題的形式開展教學(xué)，在交流中向?qū)W生提出挑戰(zhàn)性的問題。提出問題后，學(xué)生開始用畫圖軟件中進(jìn)行平面圖形設(shè)計(jì)，通過創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)后，將設(shè)計(jì)圖打印出來(lái)修改調(diào)整。調(diào)整后，利用3D打印筆打印平面圖形，再進(jìn)行拼接或直接創(chuàng)作，形成三維立體模型，點(diǎn)綴裝飾。最后將設(shè)計(jì)出的成果在課堂上與同學(xué)們交流討論，提出可行性建議，學(xué)生微調(diào)修改，得到完美作品。具體過程如圖2所示。

主題的選擇

3D課程作為我校一門全新的課程，在課程實(shí)施的過程中，首先面對(duì)的就是如何選擇適合小學(xué)生的主題來(lái)開展課程。基于貼近生活、源于生活的原則，我們確定以衣食住行四個(gè)大主題（如圖3）為我們3D課程的研究主題。穿衣、吃飯、住房、行路是每個(gè)人生活的基本需要，也是小學(xué)生能輕易產(chǎn)生聯(lián)想并進(jìn)行再創(chuàng)造的有效途徑。

導(dǎo)入的方式

積極的思維活動(dòng)是課堂教學(xué)成功的關(guān)鍵，而富有啟發(fā)性的導(dǎo)入語(yǔ)可以激發(fā)學(xué)生的思維興趣，所以教師上課伊始就應(yīng)當(dāng)注意通過導(dǎo)入語(yǔ)來(lái)激發(fā)學(xué)生的思維，以引起學(xué)生對(duì)新知識(shí)、新內(nèi)容的熱烈探求。課堂導(dǎo)入是課堂教學(xué)的主要環(huán)節(jié)之一，一堂課導(dǎo)入的成與敗直接影響著整堂課的效果。筆者的課堂導(dǎo)入一般是基于3D打印的設(shè)計(jì)原理進(jìn)行有效提問，從而引導(dǎo)學(xué)生明確操作思路，提高課堂效率。下面將通過案例1進(jìn)行說(shuō)明。

案例1：如何基于3D打印設(shè)計(jì)進(jìn)行提問

在以美食主題的課程中，教師首先提出問題：你最愛的美食有哪些？”緊接著根據(jù)3D設(shè)計(jì)原理提問：你打算用平面拼湊三維立體圖形的方式（如圖4）還是基于平面圖形鏤空操作（如圖5）？

進(jìn)行這樣提問，教師能明確地引導(dǎo)學(xué)生掌握基于3D打印筆制作模型的原理，更準(zhǔn)確、迅速地找到相對(duì)應(yīng)的制作方法，節(jié)約時(shí)間，提高課堂效率。

設(shè)計(jì)、創(chuàng)作的方法

3D模型設(shè)計(jì)對(duì)于小學(xué)生來(lái)說(shuō)，具有一定的難度，除了在3D打印工具的選擇上做了精挑細(xì)選外，我們?cè)谀Ｐ偷脑O(shè)計(jì)上了也做了大文章。3D打印筆打印三維模型，首先需要平面圖形設(shè)計(jì)，再根據(jù)平面圖形打印平面圖形，最后根據(jù)平面圖形拼接形成三維立體模型。因此，在整個(gè)三維模型創(chuàng)建的過程中，需要二維平面設(shè)計(jì)的融入，在課程設(shè)計(jì)上將與畫圖軟件運(yùn)用進(jìn)行整合。學(xué)生可以通過畫圖軟件、3D打印筆設(shè)計(jì)創(chuàng)造性作品，給學(xué)生的學(xué)習(xí)增添樂趣和色彩。

案例2：學(xué)生如何利用畫圖軟件設(shè)計(jì)平面圖形和進(jìn)行創(chuàng)作

學(xué)生在構(gòu)思好想要?jiǎng)?chuàng)作的主題，并尋得采用的方法后，便需要進(jìn)行平面圖形創(chuàng)作。目前，筆者的課堂采用的是畫圖軟件進(jìn)行平面設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)后學(xué)生再根據(jù)3D打印筆選擇拼接或鏤空操作，最終成型（如圖6）。

這樣的操作過程，能讓學(xué)生對(duì)自己創(chuàng)作作品過程非常明確。此外，該過程充分利用學(xué)生在信息技術(shù)常規(guī)課中所學(xué)的畫圖軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，既是對(duì)原有所學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)的回顧，又是進(jìn)一步的升華。

評(píng)價(jià)的過程

課堂教學(xué)評(píng)價(jià)是促進(jìn)學(xué)生成長(zhǎng)、提高課堂教學(xué)質(zhì)量的重要手段。為了更有效地、更全面地評(píng)價(jià)學(xué)生作品，并推動(dòng)其完善自己的作品，筆者采用小組交流分享的方式完成課堂的評(píng)價(jià)。這樣不僅能有效地促進(jìn)小組內(nèi)學(xué)生的交流與合作，還能更好地幫助學(xué)生再創(chuàng)作完善自己的作品。

案例3：如何通過小組交流分享，完善自己作品

學(xué)生在制作3D牛排成功后，教師便組織其在組內(nèi)進(jìn)行分享交流。在交流過程中，小組內(nèi)成員給其建議，建議其再制作糖心蛋，組合成牛排套餐。制作牛排的學(xué)生覺得意見很不錯(cuò)，采納后成功制作了牛排套餐（如圖7）。

圖7 再創(chuàng)造后的牛排套餐作品

在小組“分享—交流—建議—修改”的過程中，學(xué)生在初次體驗(yàn)成功的基礎(chǔ)上得到了跨越性的進(jìn)步，學(xué)生的成就感也會(huì)隨之增強(qiáng)，創(chuàng)造思維也隨之打開。同時(shí)，這樣的過程，充分地發(fā)揮了小組合作所帶來(lái)的課堂效應(yīng)。

3D打印課程實(shí)施后的成效

1. 拓展了學(xué)生的視野，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

在3D打印課程實(shí)施一個(gè)多學(xué)期以來(lái)，學(xué)生對(duì)3D打印產(chǎn)生了濃厚的興趣，從剛開始的對(duì)于3D打印技術(shù)的不了解到現(xiàn)在的自己設(shè)計(jì)創(chuàng)作的過程，很好地拓展了學(xué)生視野，提高了學(xué)生的信息獲取能力與應(yīng)用能力，提升了學(xué)生的信息素養(yǎng)。

筆者從參與課程的兩批次共60名小學(xué)生的反饋里發(fā)現(xiàn)，95%以上的學(xué)生喜歡3D打印課程，并對(duì)課程的安排感到滿意（如圖8）。

2. 豐富了學(xué)生想象力，激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)造能力

美國(guó)加州理工大學(xué)的多林·尼爾森認(rèn)為：基于設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)模式中，教師挑戰(zhàn)學(xué)生去創(chuàng)建實(shí)物來(lái)反映主題、概念和標(biāo)準(zhǔn)，有了這些實(shí)物，學(xué)生在互動(dòng)中促進(jìn)信息的回憶和重用。3D打印課程不僅在理論上給學(xué)生充電，還增加了學(xué)生接觸空間模型的機(jī)會(huì)。學(xué)生在通過小組協(xié)作等方式，相對(duì)獨(dú)立地完成設(shè)計(jì)過程，通過設(shè)計(jì)身邊感興趣的實(shí)體化的東西來(lái)驗(yàn)證自己的設(shè)計(jì)是否符合要求，在實(shí)踐中不斷地完善自己，最終獲得成功，這就是激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造思維能力的一個(gè)途徑。

3. 增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)三維圖形的認(rèn)識(shí)，培養(yǎng)圖形感知能力

在3D打印過程中，學(xué)生通過平面圖形設(shè)計(jì)到三維立體物品的呈現(xiàn)，清晰地明確了三維立體圖形的構(gòu)建過程。由想象到圖形設(shè)計(jì)再到打印出實(shí)物，強(qiáng)烈的感知刺激使學(xué)生具有較強(qiáng)的圖形感知力。

3D打印技術(shù)滿足了小學(xué)信息技術(shù)領(lǐng)域課程教學(xué)改革的多種需要。隨著課程在每周三下午的開展與實(shí)施，我們希望看到學(xué)生們更輕易地通過電腦軟件設(shè)計(jì)自己的3D作品，并最終通過3D打印將自己的設(shè)計(jì)得以實(shí)現(xiàn)，低成本的3D打印將逐步推廣與應(yīng)用。

3D打印是一個(gè)新生事物，仍然處于建設(shè)初期，其課程建設(shè)還不是很成熟，還需要突破。不過，隨著技術(shù)的不斷更新以及制造功能的不斷成熟，3D 打印將被推向更高的層面，同時(shí)也需要各個(gè)學(xué)校高度重視，注重交流合作，資源共享，為學(xué)生提供一個(gè)良好的學(xué)習(xí)氛圍，豐富小學(xué)階段信息技術(shù)學(xué)科拓展性課程的建設(shè)。

（作者單位：浙江杭州市濱江區(qū)教育局）

參考文獻(xiàn)

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