3D打印技術與學科融合中的應用與探索

李劍鳴+周競超

【摘 要】 依據所想即所得的特點，3D打印技術在學生“理解抽象知識的過程”及“獲得學習成果的表達”上起到重要作用。本文通過對《探秘青銅器》這一綜合實踐課的設計，探討3D打印技術在與學科融合過程中的應用與探索。

【關 鍵 詞】 3D打印技術；教學應用；信息技術

3D打印技術是一種快速成型技術，自誕生以來被廣泛應用于工業設計、建筑、汽車、航空航天、醫療、教育、等多個領域，并取得一定的進展。3D打印技術作為新興技術手段，在核心素養的養成以及新興教育模式的推廣中備受關注。3D打印技術其實可以分為“計算機3D建模”和“使用可融合材料逐層打印”兩個部分。前一部分重視對空間、結構、藝術設計的理解，而后一部分會對材料、溫度、建構等物理性質加深認識。所以它可以在不同的教學階段中承擔起不同的作用。本文以初一學生研究性學習項目《探秘青銅器》為例，探討3D打印技術與學科融合過程中的應用與探索。

一、課程背景

研究性學習作為一種學習方式，提倡發現問題，并且提供研究方法，在整個學習的過程中，有助于培養學生的學習與分析能力。也會為創客教育過程提供支撐。利用項目體驗式的教學設計，讓學生在項目生成的過程中實踐研究性學習的整個流程，會讓學生更容易理解并習得這種學習方式。為了打開學生的思維，激發他們的研究興趣，提高他們的自主研究能力，我們需要精心設計與開展綜合實踐課的研究性學習項目。

二、課程實施

在內容的選取上，與學生相關且具備一定知識儲備的項目會更容易引入。基于steam教育思維，如果在項目中能體現各學科的知識交融會更有利于學生的綜合實踐。初一歷史“燦爛的青銅文明”模塊為學生提供了基礎的文化訊息，學校組織的博物館參觀活動使學生有機會親自觀摩其外形及銘文特征。因此，學生對青銅器具備了一定的知識基礎。而上海博物館2016年舉辦的文化創意設計大賽為這一基礎提供了發揮的空間。模擬這一賽事，將中國古代青銅器的藝術文化符號融合到新的設計中，會涉及歷史、美術、數學、物理等多個學科的知識，而探索的過程也是研究性學習的過程。于是，這次項目的主題選定為“探秘青銅器”，目的是獲取青銅文化符號，復制并制作屬于自己的“青銅”特色生活用品。

第一節課從有趣的青銅器引入，我們為學生提供了子仲姜盤等造型奇特、用途貼近生活的青銅器圖片，引導學生去思考如果我們是古代人，我們可以設計哪些有趣的青銅制品？根據上海博物館的文化創意設計大賽的公告，與學生一起確定項目的選題：“設計制作屬于自己的青銅文化生活用品”。

確定了項目之后學生遇到了第一個問題：如何制作青銅用品？

在人教版中國歷史第五課中對這個問題有詳細的解釋。學生通過對此材料的認真研讀，得到古人制作青銅器是以泥范鑄造法為主。這個步驟使學生初步感受文獻研究這一研究方法，并為接下來的實驗研究法提供理論支撐。我們為學生提供了橡皮泥和尺子來制作泥模，要求是嘗試復制兩塊同為長2CM×寬1cm×高0.5cm的立方體。

通過同組和異組之間相互觀察、調查同學們得出一致的結論：手工制作精美的泥模非常困難，很難實現對器型的嚴格控制。

在文獻研究的過程中，黃獻源的《古代青銅器的現代復制方法淺談》一文被大部分學生認可。經過對文章的分析，大部分小組選擇用3D打印技術來實現自己的設計，個別小組選擇了失蠟法來實現目標。

通過對博物館官博中文物的詳細查閱和描摹，以及其他文獻的瀏覽，學生們對青銅器銘文、紋飾、器型、歷史意義等進行了調研，并記錄了自己喜愛的銘文或紋飾。在設計自己的作品之前，我們引導學生從創意、文化符號來源、器型、結合度等幾個方面賞析了文化創意大賽的獲獎作品，并從中獲取靈感。

之后，學生對設計圖的繪制、青銅文化的賦予、設計器型的了解、藝術性的表現、器物功能性設定五個方面進行了小組討論，并最終完成手稿的設計和繪制。

其中設計圖的繪制、器型及器物功能性設定等方面需要學生進行立體空間的想象，這時候學生在對器型進行長、寬、高三維數據的設計時就已經為3D建模做好了數據和思維上的準備。

將設計付諸實踐面臨的是技術操作的問題。3D打印技術前期的三維建模需要學生進行點—面—體的連接性想象，需要對空間直角坐標系有一定認識。現階段面向學生的3D建模軟件操作都比較簡單，基本原理都是通過點數據確定線，通過線完成面的數據設定，通過面拉伸出形體，然后通過其他命令進行更多要求的雕琢。簡單來說就是從平面到立體，從簡單到復雜。而在塑形的過程中，學生很容易實現空間的想象，直觀地體驗直角坐標系中物體的建立過程，會對三維數據和結構有更深刻的認識。學生在學習中，對線生成面，面生成體的原理有一定的接受難度，但在實際操作了幾次后就將這一過程內化了。這種內化正是個人空間感形成的一種方式，這會為接下來平面及立體幾何的學習形成積極的影響。

經過學生觀察，打印的過程實際上是一種立體繪制的過程，是將材料溶解然后依據預先建立的坐標數據重塑，這里涉及多種化學和物理交織的成型方法，最常見的是“熔積成型”和“激光燒結”，當然還有更多的堆疊技術，這些對材料的選擇及熱熔方法的探討會讓學生對物質的物理、化學性質產生更多的興趣。

少部分學生選擇以失蠟法來完成鑄造，是用蜂蠟做成鑄件的模型，再用別的耐火材料填充泥芯和敷成外范。加熱烘烤后，蠟模全部熔化流失，使整個鑄件模型變成空殼。再往內澆灌熔液，便鑄成器物。傳統的工藝需要多年的技術和經驗積累才能完成好的作品，相比之下，3D打印技術確實是實現個性化實體設計的最佳之選。

三、探究結果與反思

1. 3D打印技術可以表達學生的內在習得。教學的輔助工具從想象到圖畫再到圖片和視頻，經歷了一個漫長的階段，而在信息技術高速發展之后，信息化教學輔助工具越來越多，學生對知識的感受越來越“深入”，但大部分的工具都是感官外部的支撐和數據的量化和監測。3D打印技術卻更多地用在學生的表達上，學生學習收獲的成果用3D打印的手段表達出來，比直接用數據和理論表達更讓學生有成就感，也更加清晰明確。

2. 3D打印技術與各學科融合更有利于學科知識的理解。3D打印技術涉及的數理化知識不僅會為學生提供獲取的興趣，直接的觸感，更會為學生增加學習的動力。學習和應用一直難以掛鉤，各種應用類問題讓學生覺得抽象而沒有實際的意義，項目和3D打印技術的實現方式會讓學生直觀地感受知識的用武之地。提高他們對知識獲取的興趣和研究的動力。而這種直觀也會更有利于理解不同領域的知識誕生的過程。

3. 3D打印技術只是一種工具，需要教師的設計來實現它的價值。3D打印技術并不是開啟學生創意思維的方式方法，而只是一種工具，促進學生學習不能依靠3D打印技術本身，而要依靠教師的教學設計，教師能看到這種工具對教學某一個環節的加強作用，并進行靈活應用，這才是3D打印技術在教學上的真正意義。

【參考文獻】

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