3D打印课程在小学信息技术领域的探索与实践

徐振宇

【摘 要】当下3D打印技术快速发展，学生对于3D打印技术的兴趣非常浓厚。笔者开设了小学信息技术领域拓展性课程——3D打印课程。笔者通过对3D打印课程的探索实践，对教学目标进行了归纳说明，提出了教学过程的整体框架，并以具体案例辅助说明教学过程中主题的选择、导入的方式、设计与创作的方法及评价的过程，尽可能详细地展现课堂实施过程，与大家分享交流。

【关键词】3D打印；小学信息技术；拓展性；探索实践

【中图分类号】G434 【文献标识码】B

【论文编号】1671-7384（2016）10-0074-04

在当下的创客时代，各种先进技术飞速发展，3D打印等新兴技术也不断影响着教育的发展。随着这些技术逐步进军教育领域，生活在较发达城市的孩子容易接触到这些新技术，同时也深深地被这些技术所吸引。孩子有学习新兴技术的需求，而小学阶段又是人的一生当中最具有创造力的阶段之一，3D打印技术能更直观、便捷地让学生们的梦想变成现实。由此可见，对小学信息技术课程进行拓展性校本探索和实践是一种必然趋势。

3D打印技术及应用现状

1. 3D打印技术

3D打印就是使用特殊的材料，例如塑料、尼龙、陶瓷、金属等，通过电脑将打印材料一层一层的叠加起来，最后形成想要的实物的一个过程。目前主要的3D打印技术类型有：熔融沉积成型技术（FDM）、数字光学处理技术（DLP）、立体光固化成型技术（SLA）、选择性激光烧结技术（SLS），分层实体制造技术（LOM）等。其中熔融沉积成型技术在市面上最为常见。

2. 3D打印技术应用现状

3D 打印技术被誉为“第三次工业革命的重要生产工具”，新媒体联盟（New Media Consortium，NMC）在2013年地平线报告中，首次将3D打印技术列为教育领域未来4-5年内普及应用的创新型技术。当前3D打印不再是成人设计师的专有权利了，越来越多的信息显示，儿童3D打印教育正逐步在科技馆、博物馆、学校等地开展（Pringle， 2015）。 美国的3D System公司于2014年实施了MAKE.DIGITAL计划，该计划提供集成了工具、软件和课程等各种资源的完整系统，从而逐步形成了成熟而健全的3D打印教育体系，使各个层次的学生和教育机构都能从中受益。诸如此类的丰富特色课程资源和产品，将3D打印以一种简单、有趣的方式带入小学课堂。

3D打印技术在我校应用的基本现状

1. 开展3D打印课程的硬件环境

2015年9月，我校利用每周三下午三课时时间开展拓展性课程研究与实践，笔者设计开发了3D打印课程。在此基础上，我校配备了3D打印实验室，设有1台3D打印机、1台激光打印机、10支3D打印笔、计算机等设备，本着以学生为本的原则，将实验带入课堂，为学生的实践提供可能。

2. 师生的3D打印知识水平分析

3D打印对我校的全体师生是一个新生事物，我校与公司合作，定期邀请技术人员来校分享3D打印知识与操作技术。通过一段时间的学习与了解，教师与学生对于3D打印的基本常识及原理已经心中有底。在整个学习过程中，师生对于3D打印兴趣浓厚，都非常期待3D打印走进课堂，通过3D打印技术来实现自己想要的东西。通过一个多学期的探索与学习，我们逐步开始了3D打印课程的探索与开发。尽管3D打印在学校并没有较为广泛的应用，无论是对于老师还是学生都是一个全新事物，甚至是个挑战，我们都有很强的信心将3D打印课程开展好，在学习中总结经验，共同进步。

探索我校3D打印课程设计

1. 3D打印工具的选取

3D打印分为3D打印机与3D打印笔两种打印形式。3D打印机开展课程的方式主要是预先在电脑上进行三维模型设计（可借用内置模型或扫描所得的三维模型），然后连接3D打印机并将模式设计的参数信息传送至打印机，3D打印机接收到指令后，可以逐层打印，最终形成3D模型。在整个过程中，主要需要的是学生三维建模能力，这个要求对于只有二维平面概念小学生来说，有一定的难度，可以用于辅助学习。

因此，我们在课程实施的过程中，主要采用3D打印笔开展课程。所谓的3D打印笔是具有3D打印功能的笔，操作它无需电脑或电脑软件支持。通电后，就可以开始创作。基于3D打印，挤出热融的塑料（PLA、ABS），然后在空气中迅速冷却，最后固化成稳定的状态，如图1所示。

2. 3D打印课程的实施

3D打印课程是由学生自主选择，学生的主体构成为3-6年级学生。为了更全面地呈现3D打印课程在我校实施的具体过程，笔者将以3D打印课堂实施的具体内容进行说明。

（1）教学目标分析

在知识与技能方面，掌握利用3D打印笔通过二维平面图搭建三维立体模型方法，扩大学生的知识面。在过程与方法方面，通过学生课前搜集资料、主题探讨、图形设计、作品分享的过程，培养学生独立学习思考的能力，培养学生的创新意识。在情感态度方面，培养学生对3D打印的兴趣，创新作品，与当下的创客环境接轨。

（2）教学实施过程

课堂中教师以主题的形式开展教学，在交流中向学生提出挑战性的问题。提出问题后，学生开始用画图软件中进行平面图形设计，通过创造性的设计后，将设计图打印出来修改调整。调整后，利用3D打印笔打印平面图形，再进行拼接或直接创作，形成三维立体模型，点缀装饰。最后将设计出的成果在课堂上与同学们交流讨论，提出可行性建议，学生微调修改，得到完美作品。具体过程如图2所示。

主题的选择

3D课程作为我校一门全新的课程，在课程实施的过程中，首先面对的就是如何选择适合小学生的主题来开展课程。基于贴近生活、源于生活的原则，我们确定以衣食住行四个大主题（如图3）为我们3D课程的研究主题。穿衣、吃饭、住房、行路是每个人生活的基本需要，也是小学生能轻易产生联想并进行再创造的有效途径。

导入的方式

积极的思维活动是课堂教学成功的关键，而富有启发性的导入语可以激发学生的思维兴趣，所以教师上课伊始就应当注意通过导入语来激发学生的思维，以引起学生对新知识、新内容的热烈探求。课堂导入是课堂教学的主要环节之一，一堂课导入的成与败直接影响着整堂课的效果。笔者的课堂导入一般是基于3D打印的设计原理进行有效提问，从而引导学生明确操作思路，提高课堂效率。下面将通过案例1进行说明。

案例1：如何基于3D打印设计进行提问

在以美食主题的课程中，教师首先提出问题：你最爱的美食有哪些？”紧接着根据3D设计原理提问：你打算用平面拼凑三维立体图形的方式（如图4）还是基于平面图形镂空操作（如图5）？

进行这样提问，教师能明确地引导学生掌握基于3D打印笔制作模型的原理，更准确、迅速地找到相对应的制作方法，节约时间，提高课堂效率。

设计、创作的方法

3D模型设计对于小学生来说，具有一定的难度，除了在3D打印工具的选择上做了精挑细选外，我们在模型的设计上了也做了大文章。3D打印笔打印三维模型，首先需要平面图形设计，再根据平面图形打印平面图形，最后根据平面图形拼接形成三维立体模型。因此，在整个三维模型创建的过程中，需要二维平面设计的融入，在课程设计上将与画图软件运用进行整合。学生可以通过画图软件、3D打印笔设计创造性作品，给学生的学习增添乐趣和色彩。

案例2：学生如何利用画图软件设计平面图形和进行创作

学生在构思好想要创作的主题，并寻得采用的方法后，便需要进行平面图形创作。目前，笔者的课堂采用的是画图软件进行平面设计，设计后学生再根据3D打印笔选择拼接或镂空操作，最终成型（如图6）。

这样的操作过程，能让学生对自己创作作品过程非常明确。此外，该过程充分利用学生在信息技术常规课中所学的画图软件进行设计，既是对原有所学基础知识的回顾，又是进一步的升华。

评价的过程

课堂教学评价是促进学生成长、提高课堂教学质量的重要手段。为了更有效地、更全面地评价学生作品，并推动其完善自己的作品，笔者采用小组交流分享的方式完成课堂的评价。这样不仅能有效地促进小组内学生的交流与合作，还能更好地帮助学生再创作完善自己的作品。

案例3：如何通过小组交流分享，完善自己作品

学生在制作3D牛排成功后，教师便组织其在组内进行分享交流。在交流过程中，小组内成员给其建议，建议其再制作糖心蛋，组合成牛排套餐。制作牛排的学生觉得意见很不错，采纳后成功制作了牛排套餐（如图7）。

图7 再创造后的牛排套餐作品

在小组“分享—交流—建议—修改”的过程中，学生在初次体验成功的基础上得到了跨越性的进步，学生的成就感也会随之增强，创造思维也随之打开。同时，这样的过程，充分地发挥了小组合作所带来的课堂效应。

3D打印课程实施后的成效

1. 拓展了学生的视野，激发了学生的学习兴趣

在3D打印课程实施一个多学期以来，学生对3D打印产生了浓厚的兴趣，从刚开始的对于3D打印技术的不了解到现在的自己设计创作的过程，很好地拓展了学生视野，提高了学生的信息获取能力与应用能力，提升了学生的信息素养。

笔者从参与课程的两批次共60名小学生的反馈里发现，95%以上的学生喜欢3D打印课程，并对课程的安排感到满意（如图8）。

2. 丰富了学生想象力，激发了学生的创造能力

美国加州理工大学的多林·尼尔森认为：基于设计的学习模式中，教师挑战学生去创建实物来反映主题、概念和标准，有了这些实物，学生在互动中促进信息的回忆和重用。3D打印课程不仅在理论上给学生充电，还增加了学生接触空间模型的机会。学生在通过小组协作等方式，相对独立地完成设计过程，通过设计身边感兴趣的实体化的东西来验证自己的设计是否符合要求，在实践中不断地完善自己，最终获得成功，这就是激发学生创造思维能力的一个途径。

3. 增强了学生对三维图形的认识，培养图形感知能力

在3D打印过程中，学生通过平面图形设计到三维立体物品的呈现，清晰地明确了三维立体图形的构建过程。由想象到图形设计再到打印出实物，强烈的感知刺激使学生具有较强的图形感知力。

3D打印技术满足了小学信息技术领域课程教学改革的多种需要。随着课程在每周三下午的开展与实施，我们希望看到学生们更轻易地通过电脑软件设计自己的3D作品，并最终通过3D打印将自己的设计得以实现，低成本的3D打印将逐步推广与应用。

3D打印是一个新生事物，仍然处于建设初期，其课程建设还不是很成熟，还需要突破。不过，随着技术的不断更新以及制造功能的不断成熟，3D 打印将被推向更高的层面，同时也需要各个学校高度重视，注重交流合作，资源共享，为学生提供一个良好的学习氛围，丰富小学阶段信息技术学科拓展性课程的建设。

（作者单位：浙江杭州市滨江区教育局）

参考文献

韩荣雷，孙雪冬.创客时代3D打印在高校课程开发的应用研究[N]. 沈阳师范大学学报（自然科学版），2016（1）.

林常青. 小学信息技术学科拓展性课程的开发与实践[J]. 浙江教育技术，2015（4）.

李宇昂.儿童3D打印：在小学创意课程中的应用与创新[J].设计，2015（15）：22-25.