3D打印課程實踐探索

沙潔

[摘 要] 文章從校本課程中創客是一種理念、3D打印是一種創意、創客+技術構建3D打印校本課程這三個方面闡述了課程實踐中的理念、技術和課程體系。在基于項目的教學實踐過程中，始終以學生的創意構思為主體構建整個課程內容，在課程的實施過程中以學生對設計、技術、藝術領域的概念形成真實的體驗為主要手段，提升了學生研究問題和探索問題的能力。

[關鍵詞]創客；3D打印；校本課程

[中圖分類號] G632.4 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-6058（2018）30-0047-02

創客精神融夢想、創造、實踐、工匠精神為一體，為虛擬與現實兩個世界搭起了可通行的橋梁。而真正能夠引領我們通過大橋走向彼岸的載體就是3D打印，也是增材制造中最有前途和發展空間的技術。哥本哈根未來研究學院名譽主任約翰彼得帕魯坦曾說過一句話：我們的社會通常會高估新技術的可能性，同時卻又低估它們的長期發展潛力。3D打印技術的應用性很強，領域也非常廣泛，對于中小學校開設的校本課程，應該立足于啟蒙和基礎，一步一個腳印地用3D打印技術激發學生的學習興趣，拓展學生創造、設計、想象的空間和能力。

一、校本課程中創客是一種理念

2011年，張浩（北京創客空間創始人之一）首次將“Maker”譯為“創客”，是指一群熱愛科學、樂于進行科技實踐的人。隨著創客1.0時代到3.0時代的發展，有了創客文化，就是一種用于創新和冒險，敢于將想法和創意付諸實踐的人文意識。在我國提出的一系列戰略、政策中，創客也已經成為經濟和教育“互聯網+”中最有生命力和創新意識的一個群體，在國內迅速得到發展，并逐步延伸到校園。2016年，全國兩會政府工作報告中提出了“工匠精神”，相信通過不斷地創新變革、激發創造力，打造我們中國制造的品牌，能進一步推進創客的理念——創意和創新。

創客理念能在中小學校園中推進，需要兩種技術的支持：一是創新制造的技術，如：3D打印、開源硬件、易于學習的塊語言編程等；二是比較成熟的在線學習平臺支撐，超越課堂的局限性，使得自主學習更加簡單和方便。以往學校開設的科技實驗活動給予了學生較多想象和設計的空間，提高了學生的動手能力，而現在基于創客理念的科技活動有了“想象創意—動手設計—制作作品—作品展示—交流分享”整個一系列的環節，并在這些活動環節中完成學習，使得活動本身更能抓住學生的興趣點，更具有創新和實踐性，提升和培養了學生科技研究和探索的精神與學科素養。

因此，就是這樣的一種理念，成為筆者構建中小學3D打印校本課程的核心思想和目標，也想通過這樣的課程設計能夠長效、機制地使創造創新成為孩子們學習和思考問題的一種習慣。在《2014年地平線報告（高等教育版）》中指出：要加快學生從單純的知識消費到知識生產者的轉變。其實也就是希望在創客的背景下，學生不局限于課本、不局限于課程的學習，而是通過自我的思考、想象、設計、制作、分享、交流的方式成為知識的生產者。這樣的理念和潛能需要從小培養，因此在中小學相關課程中有意識地滲透和推進創客理念是發展的必然性，也是推進教育“互聯網+”的關鍵和重要環節。

二、3D打印是一種創意

美國《時代》周刊將增材制造列為“美國十大增長最快的工業”。工業革命的歷史和進程就是技術革命的歷史和進程，3D打印技術的發明和興起將推動工業的發展，并且將改變未來生產和生活的模式。隨著互聯網的發展，我們清楚地看到了工作、學習、生活模式的改變，而這個“互聯網+”3D打印技術相信會徹底顛覆人們工作、學習、生活的習慣。

《3D打印未來》這本書有一句話說得很好：3D打印，打印夢想，打印未來！3D打印正逐步改變我們的生產方式，從而改變我們的生活方式。它可以按我們自己的設計生產出產品，并使用自己的產品來享受生活。例如，首飾服飾的設計、家里餐具的設計、節日禮物的設計、蛋糕巧克力的食物設計等，我們可以按照自己的設計定制形狀、樣色和材質等，然后通過3D打印機打印出想要的物品。這使得每一件商品更具有自己獨特的風格，也讓設計者把自己的創意變成現實，從而更有成就感，更有創造的信心。

隨著3D打印機的普及，3D打印技術的創造性正在逐步融入我們的生活中，創造也在逐步成為生活樂趣的來源。3D打印使制造變得簡單易行，使我們的幻想可以飛舞、創意可以無限。我們今天無法預見3D打印技術的長遠影響，就像每次工業革命能給我們帶來不同的世界一樣，但是這樣的新技術已經在我們周圍，而且有可能改變世界。我們不能預見未來，但是我們可以締造現在，最本質的素養就是創意，設計者、創造者、制造者很可能就是你自己。

三、創客+技術構建中小學3D打印校本課程

中小學3D打印校本課程的宗旨和目標是創客的理念——創意和創造。在市場上有很多關于3D打印課程的書，但大部分都是純粹的機械技術知識講述、大型的項目設計，在目前中小學的實際情況下完不成精細度高的操作實踐，因此筆者想通過“創意設計—制作作品—作品展示—交流分享”的一系列活動構建中小學3D打印基礎入門課程，下面從三個層次來開展。

1.設計平臺

如何把自己的創意、設想展現出來？這是3D打印課程的第一個部分——模型構建，有了設計好的模型，3D打印機才會把你的創意、設想打印成實物展示出來。3D設計可以使設計對象更有立體感、更形象化，因此，需要學習者有很好的空間想象能力。其實在我們的生活中，孩子接觸的都是實實在在的立體實物。例如，各種各樣的玩具汽車、絨毛小動物、拼接積木、機器人、無人機、生活用品、玩具等，孩子對于立體的感性認識非常豐富。因此，對于空間的理解能力只存在每個學段學生認知上的區別。

目前，一個簡單易懂的3D設計軟件——3DONE，可以讓學生簡單上手設計自己創造的模型。在這部分課程設計中，重點培養學生空間造型方面的能力，從二維空間模型的設計（平面設計）向三維空間模型設計拓展。在日常生活中就要求學生仔細觀察物體的構成，學習構成的基本形狀，并能夠熟悉縮放、旋轉、平移、平視、俯視等角度的圖形，逐步建立起三維空間的造型視線，由簡及難地完成物品的軟件模型構建。

2.內容體系

有了合適的平臺更關鍵的還要有合理的課程設計，對于一個貫穿小學和中學的課程，需要全面合理地構建完整體系。在教學實踐中，根據學生的成長結構和認知體系可把課程分成兩大體系：3D打印構建課程（小學段）和創意設計師課程（中學段）。每個體系都由三部分課程組成，如下圖所示。

小學段的三個部分課程如下。

第一部分，創意空間的構建課程是從二維空間的平面圖形借助3D打印筆的實踐操作，完成由二維空間到三維空間拉伸的空間建立學習。由實踐感知讓小學三四年級的學生建立空間三維的概念，從而由手中觸摸的立體物件認知變成視覺效果的動態三維實體模型的構建。通過這樣的實踐操作，為下一個建模課程打好視覺空間的基礎。

第二部分，創意模型的構建課程是利用模型設計軟件3DONE來操作實踐體驗，讓四五年級的學生初步學會該軟件的基本操作。通過對于簡單積木設計（學會基本工具使用）、七巧板設計（學會簡單構圖）、簡單玩偶模型（學會通過基本形狀進行組合構圖）、創意筆筒（綜合構圖創意設想）這四個項目的體驗學習，把作品用3D打印機打印出來進行展示，這樣學生對于3D打印建模設計的關鍵性和重要性就有了實踐上的了解，也進一步推進了軟件操作的熟練程度。

第三部分，創意作品的構建課程是通過前期學習的入門基礎，讓五六年級的學生進行簡單的入門式項目理念的設計學習。包含玩具剪刀手的設計組裝、簡單樂高零件的設計組裝、創意地球儀的設計組裝、弩和箭的設計組裝這四個項目課程。其中包括了前期的知識鞏固和操作，又增加了設計的難度：組件的大小匹配問題。這樣在設計模型的時候各參數之間就要兼顧，也就是設計數據的關聯性，使學生思考問題更全面，設計更完美。

中學段的三個部分課程中，主要以項目主題式體驗進行，創意的要求更高，設計的難度和關聯性更強。根據初中生的特點：感性認識逐步向理性認識過渡，學科知識逐步完善和細化，因此更多地融入抽象設計的理念和模塊化設計的思想來進行課程內容的構建。

第一部分，創意初級設計師課程（實用小物品的設計）。在小學階段學習的基礎上針對初一年級的學生鞏固一些動手的操作，增加了學生自己的想法和設計的空間，利用平時常見的一些物品（如花瓶、水杯、花盆、鑰匙扣、手機支架等）進行改造和創新設計。打印出來的作品能夠在自己的生活學習中使用，這樣提高了設計的有效性和成就性。當孩子捧著一個種植了多肉植物的花盆作為節日禮物送給教師和父母的時候，他們是開心的、有成就的，而教師和父母也是自豪的。

第二部分，創意中級設計師課程（生活案例主題設計）。這個課程主要針對初二年級的學生，培養學生開發項目的整體意識。例如，創意家居主題設計所設計的物品不是一個而是一套，在整個設計的過程中，所有家具的風格、尺寸、樣式等方面都要考慮。因此，筆者就針對學生最熟悉的內容開設了三個項目主題：學習工具套件、簡易創意家居、簡單益智玩具的設計。通過這些項目的體驗，學生的創造意識和興趣有了很大的提升，思考問題更周全，作品設計的精細程度有了改進，打印作品的成功率也有明顯的提高。

第三部分，創意高級設計師課程（合作創意項目設計）。對于一些要求比較高，并且學生實用的創意設計物品來說，學校課程時間有限，沒有更長的時間來完成有復雜度和難度系數的作品。于是，我們設計了一些分工合作的項目來進一步提高學生創作的成功率和實用性。雖然這一部分課程不是所有學生都能到達的境界，但是總有一些內容會給你意想不到的收獲和喜悅。因此，這部分課程是針對學有余力、對3D打印有濃厚興趣的學生開設的，操作的難度、設計的復雜度都進階了。本課程開設的項目有：3D世界地圖項目、創意建筑模型項目、飛行器項目等，要求學生分小組進行設計活動。

3.生態課程

一個課程的構建，不僅需要的是理念和技術的支撐，還需要我們精心的打造和實施。北京八十中的校長田樹林寫的書，標題就是：“一人一天地，一木一自然——讓學校里的每一個生命因教育而精彩”，如果一顆種子，獲得最自然的生態環境，那么就一定能長成它最本真最自然的樣子。這就是它的唯一性，而每一個唯一，就構成了大自然的多樣性，構成了豐富多彩的世界，這就是構建這個課程的初衷。3D打印校本課程的實施就是打造一個生態的課程，放飛學生的創意。

在整個課程的實踐過程中，學生始終是課堂的主體，所有課程內容的打造也是從學生的角度和興趣出發設計的，根據不同學段學生的特點和需求，多元化地構建整個課程的體系內容。設計可由簡單到復雜；由單個物件到多個物件；由簡單形狀到組合形狀；由不相關的組件到關聯組件等等，而且設計作品多種多樣，學生可以根據自己感興趣的方面來選擇設計的內容。在掌握了基本的入門操作后，學生有自己的創意設計選擇，這充分提升了課程的自由度、層次度、自主度，并且在課程的最后還有作品的展示和交流分享。開設的創客空間，學生可以把自己的作品展示在這個空間中，甚至包括僅僅是設計模型應為機器設備的限制而不能打印成品。在學習交流平臺上，開設了專題論壇，交流自己創作設計的心得，作品設計的靈感還有失敗與成功。自由、平等、充滿靈感創意的學習氛圍讓學生積極投入到3D打印的學習體驗中，真正激發了學生的創造力、學習力、想象力。

隨著科技、人工智能的發展，3D打印技術和創客還會逐步推向更高的層次。這樣的一種新學習體驗方式，給學生提供了新的學習思維空間，培養了學生研究問題、探索問題、解決問題的能力。筆者希望像這樣的探索、像這樣的課程有更多的內容和形式，在實踐中不斷充實和推進，讓學生一直健康成長。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 趙光輝.創客時代[M].廣州：廣東人民出版社，1016.

[2] 中國機械工程學會編著.3D打印未來[M].北京：中國科學技術出版社，2013.

[3] 田樹林.一人一天地 一木一自然[M]. 北京：人民日報出版社，2013.

（責任編輯 諾 依）