中小学3D打印课程的“根”与“魂”

高勇 姜盼 赵莹莹 赵祎 李岩 杨屹

2015年至2016年期间，“3D打印课程”在全国各地的中小学中如雨后春笋般蓬勃发展，越来越多基础教育阶段中的学校参与到了这场“3D打印课程”牵引下的创新教育改革热潮中来。其中比较典型的有：北京市东城区形成的以“三维创意设计与3D打印课程”为起点的小、初、高一体化创新课程人才培养模式，并建立了打破学段限制的创新课程整体评价方式；各类适合中小学生使用的三维设计软件，在网络上每天都有近千人的下载量，每周都有近千所的中小学进行注册，每月在线学习“3D打印课程”的人数正在呈几何倍数的增长态势。那么究竟是什么原因，导致了这场以“3D打印课程”为核心的中小学创新教育改革呢？

3D打印课程将成为中小学创新教育发展的核心

国家领导人的高度重视。国家主席习近平，国务院总理李克强，曾在多地考察，及国内、国际会议中强调“3D打印技术”的重要性。2016年3月5日，第十二届全国人民代表大会第四次会议中， 3D打印被列入“十三五”国家规划纲要。

时代发展的必然产物。近年来，“创客”“互联网+”“政府和社会资本合作模式”等新概念首次进入到了我国政府工作报告中，引发了海内外的关注。“3D打印” “三维设计”“创客”“STEM”“STEAM”“创客空间”等新词、热词，不断出现在社会的各个领域中。“大众创业，万众创新”的国家政策扶植，是培育和催生经济社会发展新动力的必然选择；是扩大就业、实现富民之道的根本举措；是激发全社会创新潜能和创业活力的有效途径。时代的要求催生社会的需求，继而带动教育的发展。在基础教育阶段的创新教育，最关键的是要在相对安全的前提下，培养学生的创造潜能与实践能力。3D打印技术在充分保证学生操作安全的基础上，有效地解决了我国基础教育阶段中学生动手能力弱、工艺水平无法保证的问题。

基础教育阶段中3D打印课程的核心

在基础教育阶段中，3D打印课程的核心是利用3D打印技术将学生头脑中的创意、创新思想更加规范、科学、严谨地表现出来。其中，3D打印机使用技巧的学习固然重要，但利用计算机辅助设计手段对作品进行尝试设计的能力才是“3D打印课程”的核心。

除此以外，学生在设计过程中对不同种类材料实现产品设计特性的认知，以及设计结束后从结构力学、材料力学的角度对设计作品进行不同角度试验并加以改进的过程，也是3D打印课程在基础教育阶段中开设的核心所在。

3D打印课程在学生创新设计中的表现

在对中小学阶段实施3D打印课程的过程中，我们发现源自学生们头脑中的设计作品主要由以下八类构成。

校园主题类设计：校园沙盘、校徽班徽、专用特色教室。

学具教具类设计：理科教师实用型或展示型教具（数学工具、原子结构、地理地图、物理天平、小孔成像、印章、杨辉三角、VR眼镜等）、文理科课程学生实验或试验型学具（活字印刷、结构力学测试、字母牌、水平仪、多功能调色盒等）。

玩具生活类设计：益智型玩具（悠悠球、孔明锁、七巧板、八音盒、陀螺、拨浪鼓、乐高积木等）、解决生活问题型（小件物品收纳器皿、声控小夜灯、手机支架，组合家居、存钱罐、可调光台灯、笔筒、时钟、花盆、相框，拧毛巾机械臂，不倒杯托、野营折叠桌、文具盒、风扇、二维码等）。

军事模型类设计：航空模型（四旋翼飞行器、直升飞机等）、陆地模型（侦察车、汽车结构认知、工程车等）、航海模型（军舰、航母、潜水艇等）、兵器模型（冷兵器发展史，古代军用机械装置等）。

建筑结构造型类设计：桥梁模型（桥梁外观设计、桥梁结构设计等）、房屋模型（凉亭、宋式门拱、中西建筑合并设计、动画片中房屋设计等）、榫卯模型（榫卯桌椅、榫卯结构种类展示等）。

开源硬件结合类设计：传感器应用（智能牙杯、智能垃圾桶、智能浇花、植物研究、智能马桶盖、PM2.5机器人、智能充电器等）。

简单机械类设计：齿轮传动（棑齿自行车、密码锁、逆风小车、机械玩偶等）。

传统文化类设计：艺术摆件（新年桌面摆件、中国风窗框、古筝沉香盒、算盘等）、非遗传承（3D打印皮影、快板等）。

上述的学生设计作品类型，既体现了我国中小学生目前正处于揭开创新设计神秘面纱的初级层面，又体现出学生对创新设计的渴望与追求。解决生活中问题的设计成为了学生最容易下手的创新设计起点；校园主题、学具教具的设计成为了学生在学习的道路上体现自身价值的平台；玩具、建筑、军事、机械结构、传统文化的设计体现着学生们丰富多彩的业余生活；与开源硬件结合的设计体现着学生对先进科技的渴望。

3D打印课程在教师授课中的表现形式

作为基础教育的工作者——教师，我们不但要看到学生的梦想，更要想办法帮助他们逐步将梦想变为实现。3D打印课程，改变着传统学校的课程体系。教师用3D打印课程教会学生基本的设计能力与创新能力；学生在技能学习的过程中尝试改变、尝试创新。教师从开始的单一技能传授，逐步发展到在技能传授的过程中尝试多学科的融合，尝试多领域的跨越。中国式STEAM课程正在悄然兴起。

案例1

语文—— 用3D打印“复活”活字印刷

一次偶然的机会，学生和一位年轻的语文老师聊天，听说“活版”这节课是一篇古文中的科技说明文，毫无现实感，学生听着昏昏欲睡，这位学生正好是学具教具团队的成员，于是想到为什么不用3D打印为老师打印一个活字印刷的教具呢？

这样在主题创作课堂上，他们的创作开始了，从前期研究古文到确定尺寸到分工看似都非常顺利。不到40分钟的时间，小组成员把各自的部分都建模完成，孩子们非常兴奋，可装配完，发现了很多问题，比如字太密，不容易取出来。活字是正的，印出来是反的。火的模型制作的不美观且尺寸不对，托盘支不住，等等。这时候学生开始觉得很沮丧，以为可以享受成果了，结果忙活40分钟的东西可能需要大改动，其中一名同学开始抱怨说咱们应该事先画出图，确定好所有东西再做的，这下白做了。看到这种情景，我的心里也一紧，故作轻松地和大家说，其实你们做到这一步已经很好了，至少看到了原型，哪有复杂的事情必须一次成功的道理呢？所以大家现在列出关键问题，集思广益，一起讨论解决就可以了。学生马上投入到下一轮的修改和制作中，当遇到火的造型如何设计这个问题的时候，组长提议做几个柴火一样的小棍儿搭成的造型，但是另外一位同学说这样作为教具会增加携带的难度。还有一位同学提议在网络上找一些灵感，最后决定将火与柴的造型结合起来模拟火，在大家头脑风暴的过程中，我看到了大家的努力，在最后解决问题的瞬间，我也看到了大家抑制不住的喜悦流露在脸上。或许，他们从心理上认可了这个团队，认可了自己的队友，更加肯定了自己只要用心就能够做到这样的事实吧。

其实三维创意设计与3D打印这门课程，确实能够让学生体会造物的乐趣，并且培养学生分析、批判、创造等高阶思维能力。在设计的过程中，对学生多鼓励，少插手，相信他们能够自己解决问题，在适当的时候给予情感的支持，让他们相信，遇到困难的时候再试一试，一定能够成功！

案例2

物理—— 小孔成像

在现阶段物理学科教学中，演示实验不能下放给学生操作是中学物理一个亟待解决的问题。由于部分演示教具体积大、数量少，学生不能够实际操作体会实验过程，部分学生对知识掌握情况不理想。针对这一问题，我们尝试将演示实验的器材进行缩放并创新，通过这样一个学习方式的转变，大大提高了学生的参与度，学生学习的难度也降低了，从而可以快速地掌握知识点，同时也学会使用身边物品进行实验研究。在初二物理学习光学“小孔成像”特点时，为了能够直观呈现现象，让学生充分参与探究过程，设计小孔成像演示仪，学具灵动小巧，吸引了学生的眼球，清晰的实验现象使学生对知识的理解更加深入。

案例3

地理—— 中国地图

在传统的课堂教学中我们发现，教师使用大量的挂图、PPT图片等平面工具，或购买现成教具进行教学，但由于教学中的实际需求不同，现有的教具不能实现教学预期效果。根据这一问题，设计了集拼接、移动、吸附、标注等特点于一身的中国地图。当老师提问大家“这是哪个省份”时，为了验证学生的答案，老师可以把它翻到背面，答案就可以清晰地看到。同时，学生可开展小组研讨，借助学生版地图这一学具，通过触觉感知等方式更快速地识别各省份。

案例4

化学—— 球棍模型

在高中学习有机化学的课堂上，往往分子结构比较抽象，学生难于理解同一分子不同结构的特点。利用3D技术设计完成后的教具，可以将球、棍按原子半径大小自由组合、拼插成不同的有机物质，在体验学习中加深了同学们对知识的深入了解。

案例5

通用技术—— 结构强度教具设计

在《结构与强度》这节课中，运用3D打印技术设计了教具。为了让学生更易掌握本节课的重点及难点：影响结构强度的主要因素，笔者设计了若干技术试验。在探究结构的形状是影响结构强度的因素中，起初我想到的是搭建纸牌承重结构，但由于无法控制纸牌的数量以及纸牌间的连接方式这两个试验变量，使得试验结果不具备说服力。因此，笔者想到了三维设计，它能精确地控制所设计作品大小、质量等。笔者以悬臂梁结构为载体，通过计算，设计了两根长度相等、质量相等而分别为方形和三角形的教具，它能精确控制悬臂梁结构的试验变量，使试验结果更具说服力。

在探究构件的截面形状是影响结构强度的因素中，由于市面上可买到的截面形状不同的构件都是较细的、较软的，在做承重试验时只会被弯折，而不会被破坏，试验效果不显著。而且可选择的尺寸较少，无法控制试验变量。因此，笔者利用三维设计自己制作了一套长度相等、横截面积相等，而横截面形状分别为圆形、方形和工字型的教具。

三维设计及3D打印技术很好地服务于通用技术课堂，使所设计的教具更精准，所得到的试验结果更具有效性。打印多套教具，充分利用资源为学生设计了丰富的学习活动，学生通过分组进行技术试验，既加深了学生对知识的理解，又提高了学生的课堂参与度，全面培养了学生的综合素质。

3D打印课程对学生、教师未来的影响

人的左脑，被称为“理性脑”，主要处理文字和数据等抽象信息，具有理解、分析、判断等抽象思维功能，有理性和逻辑性的特点。右脑，被称为“超级脑”，主要处理声音和图像等具体信息，具有想象、创意、灵感和超高速反应（超高速记忆和计算）等功能，有感性和直观的特点，所以又称“直觉脑”。人在诞生之初，右脑的能力是非常发达的。右脑具备了超越常识的那种几乎可称为全然未知的天才似的能力。但是目前人类世界是以教导、开启左脑为主，让学生努力学习语言以及往后生存所必需的知识，久而久之，左脑越来越发达，右脑却因为少用而日渐退化。这也是目前在我国基础教育阶段中常见到“越小的孩子想象力越丰富，越大的孩子思想越禁锢，越缺乏想象力与创新能力”的根本原因了。

在许多脑科学研究证明中，对学生进行“创新思维”与“创新能力”训练，将会对开发人的右脑起到非常关键的作用。右脑的信息处理能力如果被开发出来，那么人的创新发展将会产生一个质的飞跃。因此，在我国要提升中小学生的“创新思维”与“创新能力”，最有效的解决措施就是有针对性地研发一系列的“创新课程”。创新课程是以右脑开启为主的课程，是以“求异思维”为主的保护学生个性发展的课程。从理论上来讲，创新课程在基础教育阶段，是以培养创新人才为目标，在培养学生创造欲望的前提下，以培养和提高学生创造潜能和人文素养为主的综合性课程。

3D打印课程是已经被实践证明的，对中小学生创新能力培养非常重要的手段。与时代结合、与先进技术结合、与具体学科结合的多种创新能力培养，将是激发学生自主创新意识的最佳途径。创新思维的培养应伴随学生在基础教育不同阶段的全过程。随着学生知识的积累、人生阅历的不断丰富，创新思维能力将在学生日常的实践过程中得以螺旋式的稳步提升。学生不同发展阶段教师的正向引导，将使学生创新人格得到不断完善。

学生的需求促进教师的发展。教师将从传统的单学科背景教师，逐步转向具备跨学科能力的综合型教师。未来课堂将会出现双师同堂，甚至三师同堂的场面；当然也会出现以项目为中心的，多学科协同合作完成项目的课程。这些转变将促使我们传统的学校教学模式发生根本性的变革，学生想学什么内容，未来我们就要提供什么样的课程；学生想怎样学，未来我们就要提供怎样的学习方式。学生将从知识的消费者变为知识的创造者；从教育的被评价者转变为教育真正的主人！希望我们的教师都能够行动起来，积极迎接未来的转变与挑战，使自己早日蜕变成为一名具备跨学科素养的综合型教师！