从“思”到“造”

陈纲

2013年，《地平线报告》中第一次提出了3D打印是未来四到五年值得关注的新技术，将带来教学、学习和研究领域的创新。在2014年和2015年的报告中再次强调。3D打印是什么？为什么能够受到《地平线报告》的青睐，成为未来教育的方向？3D打印，又称三维打印，是一种快速成型技术，为用户提供了新的设计、创作和制作方法，实现了“设计即生产”的创想，具有快速生成的特点，支持更有创意的设计与生成。因此，近年来在机械制造、生物医药、建筑设计、艺术创造等多个领域受到越来越多的关注。在教育领域，3D打印近年来也越来越受到关注。3D打印神奇之处在于，不论多么复杂的东西，只要有数据，都可以做出来。而且过程本身不需要复杂的程序，即使是小学生也可以熟练操作。这不仅能培养学生的创新思维能力，还能培养学生的创造能力，从“思”到“造”，让学生的想象力可以得到实现。随着技术的不断革新，3D打印正逐渐走出象牙塔，融入我们的生活、工作和学习中，3D打印技术及3D打印教育必将成为开拓基于创造的创新能力培养的必要组成部分。

3D打印教育的创新实践

1. 理论基础

【做中学】美国著名教育家杜威的“做中学”的基本教育原则是：“以学生活动来架构课程，以直接经验的获得为核心旨趣，在情境化的教学场域中，通过学生的各种‘做——观察、实验、探究、劳作、游戏等来组织实施教学”。通过3D打印教育，让学生在3D打印这个“做”中完成知识、技能的“学”，达成最终的教育目标，培养学生的创新能力。

【项目学习】项目学习（Project-based Learning，简称PBL）指的是一套能使教师指导儿童对真实世界主题进行深入研究的课程活动，具体表现为构想、验证、完善、制造出某种东西。在3D打印教育中，运用项目学习就是指以运用3D打印技术制作作品并将作品展示给他人为目的，在真实世界中借助多种资源开展探究活动，主动学习研究完成项目所需的多个学科领域的概念和原理，并在一定时间内解决一系列相互关联着的问题的一种新型的探究性学习模式。

【设计思维】设计思维是以解决方案为导向的思维形式，它不是从某个问题入手，而是从目标或者是要达成的成果着手，探索问题的解决方案，是一种独特的“在行动中进行创意思考”的方式。在21世纪的教育领域中，设计思维有着越来越大的影响。3D打印教育所倡导的就是设计思维。通过发现生活中的问题，以解决问题作为要达成的成果，独立思考，合作分享，利用3D打印技术进行解决。这有别于“教师教，学生做”的常规方式，所有任务的解决都需要学生自己用创意、效率、合作来独立设计、独立执行，完成从“思”到“造”的完整过程。3D打印为问题的解决方案提供了有效的实施途径。

在我校3D打印创新教育实践中，我们以设计思维为教育主旨，用做中学的策略，借助项目学习的模式深入开展3D打印教育。

2. 教学案例

3D打印教育创新应用，不仅是技术工具的运用，也是创新学习模式的有益探索。根据实践经验，我们将3D打印课程归入学校的纵向课程群，即在学过基础的3D建模、3D打印知识和技能后，学生根据自己的兴趣爱好向不同的方向分流和发展，成为以3D打印教育为主题的、由不发散的独立课程构成的课程群。下面介绍三个不同研究方向的3D打印教育案例。

【鲁班锁】小学四、五年级是学生立体概念建立的关键时期。鲁班锁正是这样一个挑战空间想象力的益智玩具。在以往的数学教学中，学生仅仅是通过拆解鲁班锁来学习，学生理解有难度。但在3D打印教学中，学生从观察模块、测量、绘制开始，通过数据的计算，从原理上对鲁班锁增加了理解。

对数学感兴趣的孩子通过鲁班锁3D打印的学习，不仅仅对鲁班锁的立体图形有了更加直观的认识，更是通过学习绘制原型图、三视图（正视图、俯视图、侧视图），经历了从实物模型到平面图形的过程。这是一个从具体到抽象再到具体的过程，借助绘制三视图，让学生提高空间想象力和几何直观能力。

【我的校园】“我的校园”是对建筑感兴趣的学生进行的第一个3D打印实践项目。史家小学的校园外形现代气息浓厚，结构复杂，有别于板式建筑，对学生的3D建模能力是一个极大的挑战。

在3D建模的时候，我们按照先部分再整体，通过小区域的绘制构建整体概念掌握完整数据，再逐渐增加绘制难度，挑战完整校园的3D建模。而在实际的操作过程中，学生还要先后独立解决平面图识图、校园丈量、等比例缩放等相关知识的学习和操作。最后，还向模型组的同学学习模型涂色的方法，将3D打印出来的校园模型涂成了彩色的。项目实施过程使学生切身感受到所学知识与实践应用密切相关，提高学生自主探究学习的意识，拓宽了学习的领域。

【创客挑战赛】创客挑战赛是模拟网络上流行的“创客24小时”项目，设定一个电子科技类的项目主题，要求必须使用3D打印和Arduino模块在规定时间内完成作品。这个项目正是采用以解决方案为导向的思维形式，从要达成的成果着手，探索问题的解决方案。此次的项目主题是“能与人交互的灯光装置”，学生们结组完成，第一次经历了头脑风暴，因为设计方向不同而争吵，但是有了碰撞才能产生火花，设计就在争吵中不断完善。第一次在测量了Arduino模块后，信心满满，打印的灯具却小了，由此学会了检查、调整，认识到即使是一个小小的疏忽也可以毁掉一件大大的作品。第一次完成具有实际使用意义的全自主设计、打印、编程、组装的灯具，可以实现在周围光线变暗时光带闪烁并响起校歌的音乐，学生们的成就感得到了极大的满足。正是因为有了3D打印，才让学生在抽象概念和直观经验之间自由转换，实现将学生的设计想法有效地可视化，更早地发现错误和不足，引导学生走向创新驱动的设计过程，这不仅仅培养了学生的创新精神，更增强了创新行动力。

我校3D打印教育未来发展方向

（1）进一步促进跨学科整合的学习样态的形成。跨学科整合一直是教育界探讨的问题，通过实践，在3D打印教育中进行跨学科整合是可行的、有效的。在未来的教育实践中，探索通过设计更加科学的3D打印学习项目，促进更多学科融入其中，形成多学科整合的学习样态，使学生实现跨学科的多元学习。

（2）搭建创新能力培养网络学习资源平台。搭建包括3D打印教育在内的创新能力培养网络学习资源平台，使学生的学习不仅仅发生在课堂。设计、创造自己的作品时，可以根据需要进行个性化的学习。创建教师资源库、专家资源库，甚至学生小老师资源库，向别人学习的同时也成为别人的指导者，将“单脑”智慧增容为“多脑”智慧。

（3）创设模拟情境，促进创新能力的培养。通过3D打印不仅可以将学生的创新成果物化，还可以重复制造使物化的成果得到批量生产。基于学习科学理论，搭建模拟的商业情境，让学生对自己的创新成果进行推广展示，进一步增强学生的成就感；学会市场分析和销售方法，以市场的实际需求促进其创新能力的不断增强。

（作者单位：北京市东城区史家小学）