3D打印技術的中學創客教育中的運用

雷蔓 羅佐云 李永湘 馬秀勤

摘要：在“大眾創業、萬眾創新”的大環境下，開展中學生的創客教育能夠激發學生的創新思維，三維建模技術、3D打印技術能夠把中學生的設想變為實際模型，從而可以驗證設想的可行性。團隊把三維建模技術、3D打印技術融入中學創客教育，在分析了創客教育理念的基礎上，按照創客教育理念，以設計一個能降暑的作品作為案例，介紹了創客教育案例的開發過程、3D打印步驟和裝配流程。該案例在七星關區鴨池中學實施過程中，學生積極性高，起到了培養學生創新意識、鍛煉學生動手能力、提升學生科學素養的效果，教學效果良好。

關鍵詞：創客教育;3D打印;案例;創新

1 引言

創客的英文為“Maker”，指制造者的含義，特指出于興趣與愛好，通過努力奮斗，能夠把各種想法創意轉變為現實的人，與DIY（Do It Yourself）有相似的含義。把創客與教育融合，就有了現在的創客教育，目的是通過實踐，做中學、學中做，提升學生的動手能力，鍛煉學生的創新思維能力。

李克強總理提出，要在960萬平方公里的土地上掀起“大眾創業”、“萬眾創新”的新勢態，要健全創新創業輔導指導制度，支持舉辦創新創業訓練營、創業創新大賽等活動，培育創客文化，讓創業創新蔚然成風[1]。在此背景下，創客教育已經在全國各地初高中開展了起來。

在“貴州省青少年3D打印創意設計大賽”的推動下，3D打印技術得到了貴州省中小學創客教育界的重要關注[1] ，目前貴州省很多中小學也都具有桌面型FDM 3D打印機。

在具備了3D打印機后，把3D打印技術引入中學創客教育，開發基于3D打印機的創客教育案例，能夠使中學生很快掌握3D打印機的使用，拓展學生的創新思路，使學生很快把小制作小發明的想法變為現實。

2 中學生3D打印創客教育案例開發的理念

“SCS 創客教學法”由傅騫教授提出，分為七個步驟（圖 1），又稱為SCSCSCS 創客教學法，這七個步驟依次是情景故事引入S（story）、簡單任務模仿C（copy）、知識要點講解S（state）、擴展任務完成C（copy extended）、創新激發引導S（stimulate）、協同任務完成C（cooperation）、成功作品分享S（share）[2]。

SCS 創客教學法符合創新的思維過程，創新源于生活，故事引入就是創新點。引入故事，提出問題，分析問題。要解決問題，首先要簡單的模仿，通過講解分析協同創新得到解決問題的較好方案，再協同完成任務，分享成果和為之奮斗的過程，得到幸福感與收獲感。

“做中學”也叫探究式教育（Inquiry based science education）是以學生為主，以學生為中心的教育理念。該教育理念吸取了美國Hands-OnInquiryLearning教育理論與法國的LaMainaLaPate教育理論，從生物、地理、物理化學、科技四大自然科學領域，培養學生的思維能力、觀察能力、解決問題能力、創造能力、表達能力、合作能力和社會情緒控制能力，使孩子主動學習，快樂學習，提高學習效率，提高考試成績。

杜威指出，由于人們最初的知識和最牢固地保持的知識，是關于怎樣做（how to do）的知識。因此，教學過程應該就是“做”的過程。“從做中學”也就是“從活動中學”、從經驗中學，學生只有在活動中得到的經驗才算是真正的知識[3]。

“經驗之塔”理論由美國視聽教育家戴爾在其著作《視聽教學法》中提出（圖 2）。他認為，學生的學習過程要從具體到抽象，學習之路應該充滿具體經驗[4]。

經驗之塔依次是做的經驗、觀察的經驗、抽象的經驗。

做的經驗有直接有目的的經驗、設計的經驗、演戲的經驗。通過我們自己的眼睛看、耳朵聽、身體觸、嘴巴嘗和鼻子嗅得到的經驗為直接有目的的經驗，直接有目的的經驗學到的知識最牢固;設計的經驗與創客的經驗是一致的，通過自己設計、自己做的模型得到的知識也不易忘記;演戲的經驗相當于是角色扮演，深入其境、沉浸于其中，得到的知識也難以忘記。

觀察的經驗包括觀摩示范、見習旅行、參觀展覽、電視、電影、廣播錄音照片幻燈片。觀摩示范即邊看邊學，通過看別人的演示示范，記下步驟后，自己再練習。觀察的經驗學到的知識沒有做的經驗學到的知識牢固，但是觀察的經驗學知識所用的時間少，利用好了能夠大幅度的提高學習的效率。

可以用看出，上述教育理念都強調了 “邊做邊學”、“ 邊學邊做”的重要性。基于3D打印機，開發中學創客教育案例，讓學生自己動腦動手完成模型的設計制作，符合上述教育理念的要求，下面以一個任務為例，介紹案例的開發過程。

3案例開發及三維建模

3.1 任務提出

創新任務的提出不需要太具體，比如針對目前天氣炎熱這個問題，不能提出“讓同學們設計制作一個扇子”、 “讓同學們設計制作一個電風扇”等這樣的任務，這樣會限制學生創新思維，可以提出“請同學們自己設計制作一個能夠降暑的作品”這樣的任務。

3.2 方案的確定及三維建模

作品的設計制作可以根據不能動、手動控制、電動控制、自動控制來劃分其難易程度。一個方案的確定可能要經過幾天或者較長時間的思考、可以通過團隊頭腦風暴確定。方案來源于生活、高于生活，最后方案的樣子可能不是最初設想的樣子，設計過程是一個不斷更新、不斷調整的過程。

在“設計制作一個能夠降暑的作品”的任務中，老師可以給出一種方案，不是參考，不是最好，目的是講述其設計與制作過程和相關的技術。

降暑的原理有很多，風、水、冰都可以，每種原理可以設計出很多作品，方案的表達先確定原理，再畫出草圖，使用建模軟件畫出其模型。適合中學生使用的建模軟件很多，比如3done，其操作簡單方便。經過思考與討論，給出了一個能夠降暑的作品，其模型如圖 2所示，該作品通過一個大齒輪帶動小齒輪旋轉，這樣小齒輪能夠得到比較高的轉速，帶動葉片旋轉吹風。

4 作品的3D打印及安裝

3D打印技術又稱為增材制造技術，3D打印機采用的原理很多，按照原理的不同，常用的3D打印機可以分為：（1）熔融沉積成型打印機（FDM），其主要材料為ABS和PLA;（2）光固化成型（SLA）3D打印機，其使用的材料主要是光敏樹脂;（3）三維粉末粘接（3DP）3D打印機，其主要材料為粉末材料，如陶瓷粉末、金屬粉末、塑料粉末等;（4）選擇性激光燒結（SLS）3D打印機、其主要材料也是粉末材料。

最常用且成本最低的是采用FDM（Fused Deposition Modeling）原理的3D打印機（圖 4），材料為絲狀，在噴頭里面加熱融化被擠出，通過計算機控制噴頭沿切片層的X-Y輪廓運動得到一層實體，然后Z軸（打印平臺）下移一層的厚度，按照同樣的原理打印下一層，這樣材料能夠噴出來一層一層的堆疊形成三維模型。

該作品需要打印的零件有大齒輪、小齒輪、機架、葉片、蓋帽和轉動手柄，因為零件多，一次不能全部打印完成，需要分批打印，由于軸承可以購買，所以不需要3D打印。

3D打印過程中，零件的擺放位置很重要，為了減少支撐，很多打印面需要45°擺放，總體要求是支撐少且方便去除支撐材料，該作品各個零件打印時的擺放如圖 5所示。

3D打印的流程為：建模→分零件導出STL模型文件→導入3D打印機控制軟件→調整零件打印放置位置→切片→3D打印→取出零件并去除支撐→打磨裝配，裝配后的作品如圖 6所示。

5 總結

將三維建模技術、3D打印技術融入中學創客教育，有助于提升創客教育的科技水平與課程的吸引力。該方法能夠很快把學生的想法變為模型再變為實物，能夠鍛煉學生的創新思維、動手能力、分析問題和解決問題的能力。

該案例在七星關區鴨池中學的實施過程中，學生的積極性很高，很多學生也在此作品的基礎上提出了很多可行的改進意見，證明了學生確實在思考。創新的源泉來自生活，創新的成果改變生活，該案例的實施啟發了學生的創新思維，得到了很好的教學效果。

參考文獻：

[1]曾玉如，伍權，羅國宇，等.基于創客教育的中學3D打印課程教學實踐研究[J].教育觀察，2019（37）：29-31.

[2]徐海賢.SCS 創客教學法在高中信息技術教學中的應用—以3DS MAX三維動畫設計入門課為例[J].教育信息技術，2018（6）：59-62.

[3]鄭賢.基于STEAM 的小學 3D 打印課程設計與教學實踐研究[J].中國電化教育，2016（08）：82-86.

[4]許玄玄.中小學3D打印課程設計與實踐研究[J].中國教育信息化，2019（08）：21-24.