3D打印 体验看得见的学习

白晓晶 李国云

3D打印，在2013年的地平线报告[1]和2015年的地平线报告[2]中都作为重要的技术进展预计在2018年左右成为学校的主流应用。而且伴随着STEAM学习(Science，Technology，Engineering，Art，Mathematics：科学、技术、工程、艺术、数学)的兴起，越来越多的学校开始意识到在多学科和跨学科的融合下培养创新意识和动手能力对于学生未来发展的重要性。作为助推学生创新能力培养的重要技术手段之一，3D打印为学生开展设计、构建、创造、实现等自主探究活动提供了“脚手架”，成为支持学生翱翔创新天空的有力羽翼。

一、3D 打印及其发展历史

3D打印是一种以三维数字形式构造物理对象的快速成型技术。在3D打印的过程中，使用者通过特定的软件设计物品的模型，然后通过3D打印机及其特定的材质让物体立体呈现出来。3D打印技术最早出现在美国德州大学奥斯汀分校，随后在麻省理工学院得到进一步发展，研究生们尝试将非传统的物质应用于喷墨打印机，由此创造出了当今的3D打印技术。而且，随着3D打印技术的发展，3D打印机的价格也越来越便宜。

3D打印在应用于学校教育之前，就已经广泛应用在建筑、工业设计、珠宝设计、土木工程等许多领域。例如，帮助美国国防部生产航空零件，帮助建筑师创建出建筑模型，帮助医疗专业人士制造出用于器官移植的身体部位等。在2004年首次推出地平线报告时，3D打印技术就进入到报告中。2013年底，人大附中在校园内举办了“激情圣诞——3D打印体验”活动[3]，创新性地开设课程研究如何制造3D打印机，并将创作的3D作品在活动中展示出来。此外，还有许多学校都进行了3D打印课程的尝试，我们将在案例中进一步展示。

二、3D 打印的教育价值

3D打印对于教学和学习的重要价值主要体现在三方面。第一，它能够更加真实地呈现特定事物，并让学生获得深刻的认知体验。通过3D打印，学生可以对被打印物体的内在结构形成动态的、多维的、形成性的认知过程，而这种认知与传统教学中使用的平面图片、立体模型是完全不同的，学生实现通过“做”的方式开展学习(Learning by making)，带给自身的认知体验具有震撼性、丰富性、深刻性且是饱含情感的，很显然这种认知方式具有不可替代性。例如，在科学课、历史课上，学生可以制作像化石、文物之类的易碎品，大胆开放的接触到原本不可能近距离观察到的物件，并对其构造开展直观的观察。在数学课上，3D打印能够帮助学生看到更为立体化的图形和数学模型，能够帮助学生深度挖掘概念。再如，在语文课上，通过分析、绘图与打印形成对小说形象的理解等。

第二，3D打印是一种产出性的学习方式。3D打印让“设计”成为一种学习方式，学生通过在设计中学习，将技术与知识相结合，从而带动跨学科的知识运用，并将自身的设计理念变为现实。可以说是3D打印最具魅力的应用是学生可以创造出完全属于自己的东西，让自己的设计理念变为可以感知的现实，成为真正的“创客”。

第三，3D打印是一种问题解决式的、可视化的、合作式的学习。借助3D打印的项目，让学生通过自身的创新理念，解决现实中的问题，并在此过程中培养他们的创新意识和创新能力。这种学习过程，也是一种可视化的学习过程，可以对学习的成果不断进行检验与完善，带给学生的成就感也更强。同时学生在问题解决过程中也可以形成学习共同体，培养团队合作意识与合作能力，促进自身的能力成长。

三、3D 打印的教育实践案例

作为进入地平线报告的第一个中国3D打印的实践案例，在2013年的地平线报告中，上海协和国际学校的学生基于美国航天局免费提供的小行星——灶神星的3D扫描图像，通过3D打印创造了他们自己的微缩模型，并通过动手实践来探索小行星(如图1所示)。

图1　学生展示他们借助3D打印的小行星灶神星微缩模型

2014年，朝阳区实验小学引进了3D打印技术，并在2015年转化为学校的综合实践课程。针对孩子们特别想要创造，发现问题解决问题的兴趣，学校根据年级和项目难度，对3D打印进行了分层的课程设计，在五年级后让3D打印成了必备科技探索工具。他们认为，3D打印不仅仅提供了创造和想象的空间，而且培养了学生对从二维到三维空间转化的认识。此外，他们在课程中融入了学生对于身边事务的情感、观察以及问题意识，如在校园设计、家庭设计中引入3D打印，培养学生整合数学、创意、思维以形成服务校园、家庭以及身边事务发展的意识和能力。他们认为：“通过3D技术和课程的结合，孩子们感受到了3D技术并不像想象中的那么神秘，是小学生也能看懂，也能设计，也能实践的技术。他们将是这些新技术的应用者和创造者。”[4]该校的3D打印综合课程经过几年的发展取得了显著成果。例如，学校的3名学生为了探寻中国古代传统工艺——榫卯结构的奥秘，用3D打印对鲁班锁进行设计和制作，通过自己的思考和尝试，设计出了结构更加简单实用的新型榫卯结构。2017年，3D打印鲁班锁(如图2所示)获得国家知识产权局颁发的外观设计专利证书[5]。

图2　3D打印的鲁班锁建模界面及其成果

对于3D打印促进STEAM教学的探索，上海世外小学开设的3D打印课程已经成为世外小学信息化教学的一张重要标签。他们和上海交通大学合作研发将3D打印嵌入STEAM课程，通过以项目设计为驱动，将数学、工程、艺术、科学等多学科融合在一起，让学生在探究中设计制作作品，并验证自己的科学假设。他们还特别提出了3D打印项目的3个实施阶段。第一阶段是前期准备阶段，为学生介绍3D打印机的原理和应用，激发学生的兴趣，开阔眼界。第二阶段是走进虚拟搭建，通过案例教学，让孩子们掌握“谷歌草图”的使用技巧和方法，并且能在此基础上简单发挥自己的想象。第三阶段是点醒想象空间。3D打印作为探究课程，主要在小学四年级中进行了推广。在实践成果方面，收获颇丰。例如，有的学生通过数学测算，购买材料，借助3D打印设计和制作月球车(如图3所示)，打印的部件与轮子一次性匹配成功，在太阳能板的动力驱动下，月球车能够成功跑动，极大增强了学生的自信。再如，五年级数学课上综合项目“校舍平面图和模型的设计与制作”，这是测量、计算、绘图、3D打印、建模等结合后的完美展现(如图4所示)[6]。上海世外小学在3D打印课程的教学实验结果表明：心理旋转能力在10岁时有迅猛发展，而3D打印的学习会加速心理旋转能力的发展；3D打印的学习利于学生创新个性、创新思维能力、创新实践能力的发展，特别是在动手操作上得到的促进最显著。3D打印的学习对男生创新能力的提升比女生更显著，尤其是对传统学业评价中成绩优异的男生[7]。

图3　学生设计的月球车

图4　学生开展“校舍平面图和模型的设计与制作”项目

四、对3D 打印教学应用的思考与建议

(1)第一，要促进教师的角色转变，加强对起始项目教师的专项培训。培训的目的是促进教师理念的转变，让教师能够认识到3D打印对于教学的促进作用，以及在学生能力发展上所表现出的不可替代的价值。第二，要培训教师的基于3D打印技术的教学设计能力，让教师可以把3D打印技术顺利的衔接到现有的教学计划中。并在培训中重点加强对教师基于项目的学习、基于设计的学习，基于挑战的学习等新型学习模式的培训，让自己的角色随着这些新模式的落地而实现转变。第三，要培训教师熟练掌握3D打印相关的操作和技术，让3D打印机不再成为学校又一个“昂贵的摆设”。

(2)建议学校的管理层把3D打印作为必备的教学工具和耗材进行配置。虽然已经有不少学校配备了3D打印机，但是仍有许多中小学没有关注到它，学校也没有配备有关的设备。欠缺探索的可能工具，也会在一定程度上制约学生的发展空间，失去承载学生想象力的平台。3D打印机根据性能材质有不同的价位，没有配备的学校可以根据自身情况先考虑购置简单入门的打印机。3D打印机和传统的打印机一样，需要耗材，学校要考虑相应的财政预算并提供必要的资金购买相应的耗材。

(3)建议学校将3D打印作为多学科融合的载体之一，要融入STEAM课程的整体实践中。3D打印机在投入学校之后，有些学校会把它作为孤立的尝试打印各种有趣事物的工具，在开始的新鲜感退却后，往往会陷入使用3D打印的迷茫期。本文中提到的上海世外小学的案例是一个较好的借鉴，在学校现有课时紧张的情况下，3D打印无须是一门单独的课程，而是嵌入STEAM有关课程中，成为提升学生综合素养，实现梦想与创新的工具。

(4)借助3D打印的项目或课程形成具有创新精神、团结协作的学生成长共同体。在3D打印过程中，需要对设计的物体进行精确扫描或构思、需要用到相应的软件建模、需要借助多学科的知识实现创意并在其中反复实验，在这个过程中，就可以基于兴趣结成跨年级的学习共同体，借助团队的力量有分工、有合作、有商讨、有反思，在团队的共同成长下实现每个个体的能力发展。

总之，围绕3D打印的教学实施，教师改变自身角色，成为学生开展创新项目及其活动的设计者和指导者，让学生获得有价值的学习体验，促进学生的能力成长是基础所在。

(致谢：本文得到了朝阳区实验小学提供的案例支持，在此表示感谢！)

[1]L·约翰逊,S·亚当斯贝克尔,M.卡明斯,V·埃斯特拉达,A·弗里曼,H·卢德盖特.新媒体联盟地平线报告:2013基础教育版[R].张铁道,白晓晶,季瑞芳,吴莎莎,殷蕾,译.德克萨斯:美国新媒体联盟,2013.

[2]L·约翰逊,S·亚当斯贝克尔,V·埃斯特拉达,A·弗里曼.新媒体联盟地平线报告:2015基础教育版[R].张铁道,白晓晶,李国云,季瑞芳,吴莎莎,译.德克萨斯:新媒体联盟,2015.

[3]“激情圣诞:3D打印体验”展魔法打印魅力[EB/OL].(2014-12-28)[2018-02-12].http://www.rdfz.cn/xysh/xstd/201401/t20140106_26205.html.

[4]华挺,李珂.“3D技术不神秘，小学生探索幻想有空间”:3D技术进课堂课程展示活动[N].光明日报,2014-12-18.

[5]朝阳区实验小学学生研制“学生版”鲁班锁获国家专利[EB/OL].(2017-9-13)[2018-02-12].http://edu.qianlong.com/2017/0913/2027569.shtml.

[6]不增加课时，但要增加STEM教育！这个题目好难，但上海世外小学做出来了[EB/OL].(2017-9-22)[2018-02-26]http://www.sohu.com/a/193766767_227364.

[7]在上海世外小学读书是怎样一种体验？[EB/OL].(2015-7-6)[2018-02-26].https://www.jianshu.com/p/f9a2689372cf.