3D打印课程实践探索

沙洁

[摘 要] 文章从校本课程中创客是一种理念、3D打印是一种创意、创客+技术构建3D打印校本课程这三个方面阐述了课程实践中的理念、技术和课程体系。在基于项目的教学实践过程中，始终以学生的创意构思为主体构建整个课程内容，在课程的实施过程中以学生对设计、技术、艺术领域的概念形成真实的体验为主要手段，提升了学生研究问题和探索问题的能力。

[关键词]创客；3D打印；校本课程

[中图分类号] G632.4 [文献标识码] A [文章编号] 1674-6058（2018）30-0047-02

创客精神融梦想、创造、实践、工匠精神为一体，为虚拟与现实两个世界搭起了可通行的桥梁。而真正能够引领我们通过大桥走向彼岸的载体就是3D打印，也是增材制造中最有前途和发展空间的技术。哥本哈根未来研究学院名誉主任约翰彼得帕鲁坦曾说过一句话：我们的社会通常会高估新技术的可能性，同时却又低估它们的长期发展潜力。3D打印技术的应用性很强，领域也非常广泛，对于中小学校开设的校本课程，应该立足于启蒙和基础，一步一个脚印地用3D打印技术激发学生的学习兴趣，拓展学生创造、设计、想象的空间和能力。

一、校本课程中创客是一种理念

2011年，张浩（北京创客空间创始人之一）首次将“Maker”译为“创客”，是指一群热爱科学、乐于进行科技实践的人。随着创客1.0时代到3.0时代的发展，有了创客文化，就是一种用于创新和冒险，敢于将想法和创意付诸实践的人文意识。在我国提出的一系列战略、政策中，创客也已经成为经济和教育“互联网+”中最有生命力和创新意识的一个群体，在国内迅速得到发展，并逐步延伸到校园。2016年，全国两会政府工作报告中提出了“工匠精神”，相信通过不断地创新变革、激发创造力，打造我们中国制造的品牌，能进一步推进创客的理念——创意和创新。

创客理念能在中小学校园中推进，需要两种技术的支持：一是创新制造的技术，如：3D打印、开源硬件、易于学习的块语言编程等；二是比较成熟的在线学习平台支撑，超越课堂的局限性，使得自主学习更加简单和方便。以往学校开设的科技实验活动给予了学生较多想象和设计的空间，提高了学生的动手能力，而现在基于创客理念的科技活动有了“想象创意—动手设计—制作作品—作品展示—交流分享”整个一系列的环节，并在这些活动环节中完成学习，使得活动本身更能抓住学生的兴趣点，更具有创新和实践性，提升和培养了学生科技研究和探索的精神与学科素养。

因此，就是这样的一种理念，成为笔者构建中小学3D打印校本课程的核心思想和目标，也想通过这样的课程设计能够长效、机制地使创造创新成为孩子们学习和思考问题的一种习惯。在《2014年地平线报告（高等教育版）》中指出：要加快学生从单纯的知识消费到知识生产者的转变。其实也就是希望在创客的背景下，学生不局限于课本、不局限于课程的学习，而是通过自我的思考、想象、设计、制作、分享、交流的方式成为知识的生产者。这样的理念和潜能需要从小培养，因此在中小学相关课程中有意识地渗透和推进创客理念是发展的必然性，也是推进教育“互联网+”的关键和重要环节。

二、3D打印是一种创意

美国《时代》周刊将增材制造列为“美国十大增长最快的工业”。工业革命的历史和进程就是技术革命的历史和进程，3D打印技术的发明和兴起将推动工业的发展，并且将改变未来生产和生活的模式。随着互联网的发展，我们清楚地看到了工作、学习、生活模式的改变，而这个“互联网+”3D打印技术相信会彻底颠覆人们工作、学习、生活的习惯。

《3D打印未来》这本书有一句话说得很好：3D打印，打印梦想，打印未来！3D打印正逐步改变我们的生产方式，从而改变我们的生活方式。它可以按我们自己的设计生产出产品，并使用自己的产品来享受生活。例如，首饰服饰的设计、家里餐具的设计、节日礼物的设计、蛋糕巧克力的食物设计等，我们可以按照自己的设计定制形状、样色和材质等，然后通过3D打印机打印出想要的物品。这使得每一件商品更具有自己独特的风格，也让设计者把自己的创意变成现实，从而更有成就感，更有创造的信心。

随着3D打印机的普及，3D打印技术的创造性正在逐步融入我们的生活中，创造也在逐步成为生活乐趣的来源。3D打印使制造变得简单易行，使我们的幻想可以飞舞、创意可以无限。我们今天无法预见3D打印技术的长远影响，就像每次工业革命能给我们带来不同的世界一样，但是这样的新技术已经在我们周围，而且有可能改变世界。我们不能预见未来，但是我们可以缔造现在，最本质的素养就是创意，设计者、创造者、制造者很可能就是你自己。

三、创客+技术构建中小学3D打印校本课程

中小学3D打印校本课程的宗旨和目标是创客的理念——创意和创造。在市场上有很多关于3D打印课程的书，但大部分都是纯粹的机械技术知识讲述、大型的项目设計，在目前中小学的实际情况下完不成精细度高的操作实践，因此笔者想通过“创意设计—制作作品—作品展示—交流分享”的一系列活动构建中小学3D打印基础入门课程，下面从三个层次来开展。

1.设计平台

如何把自己的创意、设想展现出来？这是3D打印课程的第一个部分——模型构建，有了设计好的模型，3D打印机才会把你的创意、设想打印成实物展示出来。3D设计可以使设计对象更有立体感、更形象化，因此，需要学习者有很好的空间想象能力。其实在我们的生活中，孩子接触的都是实实在在的立体实物。例如，各种各样的玩具汽车、绒毛小动物、拼接积木、机器人、无人机、生活用品、玩具等，孩子对于立体的感性认识非常丰富。因此，对于空间的理解能力只存在每个学段学生认知上的区别。

目前，一个简单易懂的3D设计软件——3DONE，可以让学生简单上手设计自己创造的模型。在这部分课程设计中，重点培养学生空间造型方面的能力，从二维空间模型的设计（平面设计）向三维空间模型设计拓展。在日常生活中就要求学生仔细观察物体的构成，学习构成的基本形状，并能够熟悉缩放、旋转、平移、平视、俯视等角度的图形，逐步建立起三维空间的造型视线，由简及难地完成物品的软件模型构建。

2.内容体系

有了合适的平台更关键的还要有合理的课程设计，对于一个贯穿小学和中学的课程，需要全面合理地构建完整体系。在教学实践中，根据学生的成长结构和认知体系可把课程分成两大体系：3D打印构建课程（小学段）和创意设计师课程（中学段）。每个体系都由三部分课程组成，如下图所示。

小学段的三个部分课程如下。

第一部分，创意空间的构建课程是从二维空间的平面图形借助3D打印笔的实践操作，完成由二维空间到三维空间拉伸的空间建立学习。由实践感知让小学三四年级的学生建立空间三维的概念，从而由手中触摸的立体物件认知变成视觉效果的动态三维实体模型的构建。通过这样的实践操作，为下一个建模课程打好视觉空间的基础。

第二部分，创意模型的构建课程是利用模型设计软件3DONE来操作实践体验，让四五年级的学生初步学会该软件的基本操作。通过对于简单积木设计（学会基本工具使用）、七巧板设计（学会简单构图）、简单玩偶模型（学会通过基本形状进行组合构图）、创意笔筒（综合构图创意设想）这四个项目的体验学习，把作品用3D打印机打印出来进行展示，这样学生对于3D打印建模设计的关键性和重要性就有了实践上的了解，也进一步推进了软件操作的熟练程度。

第三部分，创意作品的构建课程是通过前期学习的入门基础，让五六年级的学生进行简单的入门式项目理念的设计学习。包含玩具剪刀手的设计组装、简单乐高零件的设计组装、创意地球仪的设计组装、弩和箭的设计组装这四个项目课程。其中包括了前期的知识巩固和操作，又增加了设计的难度：组件的大小匹配问题。这样在设计模型的时候各参数之间就要兼顾，也就是设计数据的关联性，使学生思考问题更全面，设计更完美。

中学段的三个部分课程中，主要以项目主题式体验进行，创意的要求更高，设计的难度和关联性更强。根据初中生的特点：感性认识逐步向理性认识过渡，学科知识逐步完善和细化，因此更多地融入抽象设计的理念和模块化设计的思想来进行课程内容的构建。

第一部分，创意初级设计师课程（实用小物品的设计）。在小学阶段学习的基础上针对初一年级的学生巩固一些动手的操作，增加了学生自己的想法和设计的空间，利用平时常见的一些物品（如花瓶、水杯、花盆、钥匙扣、手机支架等）进行改造和创新设计。打印出来的作品能够在自己的生活学习中使用，这样提高了设计的有效性和成就性。当孩子捧着一个种植了多肉植物的花盆作为节日礼物送给教师和父母的时候，他们是开心的、有成就的，而教师和父母也是自豪的。

第二部分，创意中级设计师课程（生活案例主题设计）。这个课程主要针对初二年级的学生，培养学生开发项目的整体意识。例如，创意家居主题设计所设计的物品不是一个而是一套，在整个设计的过程中，所有家具的风格、尺寸、样式等方面都要考虑。因此，笔者就针对学生最熟悉的内容开设了三个项目主题：学习工具套件、简易创意家居、简单益智玩具的设计。通过这些项目的体验，学生的创造意识和兴趣有了很大的提升，思考问题更周全，作品设计的精细程度有了改进，打印作品的成功率也有明显的提高。

第三部分，创意高级设计师课程（合作创意项目设计）。对于一些要求比较高，并且学生实用的创意设计物品来说，学校课程时间有限，没有更长的时间来完成有复杂度和难度系数的作品。于是，我们设计了一些分工合作的项目来进一步提高学生创作的成功率和实用性。虽然这一部分课程不是所有学生都能到达的境界，但是总有一些内容会给你意想不到的收获和喜悦。因此，这部分课程是针对学有余力、对3D打印有浓厚兴趣的学生开设的，操作的难度、设计的复杂度都进阶了。本课程开设的项目有：3D世界地图项目、创意建筑模型项目、飞行器项目等，要求学生分小组进行设计活动。

3.生态课程

一个课程的构建，不仅需要的是理念和技术的支撑，还需要我们精心的打造和实施。北京八十中的校长田树林写的书，标题就是：“一人一天地，一木一自然——让学校里的每一个生命因教育而精彩”，如果一颗种子，获得最自然的生态环境，那么就一定能长成它最本真最自然的样子。这就是它的唯一性，而每一个唯一，就构成了大自然的多样性，构成了丰富多彩的世界，这就是构建这个课程的初衷。3D打印校本课程的实施就是打造一个生态的课程，放飞学生的创意。

在整个课程的实践过程中，学生始终是课堂的主体，所有课程内容的打造也是从学生的角度和兴趣出发设计的，根据不同学段学生的特点和需求，多元化地构建整个课程的体系内容。设计可由简单到复杂；由单个物件到多个物件；由简单形状到组合形状；由不相关的组件到关联组件等等，而且设计作品多种多样，学生可以根据自己感兴趣的方面来选择设计的内容。在掌握了基本的入门操作后，学生有自己的创意设计选择，这充分提升了課程的自由度、层次度、自主度，并且在课程的最后还有作品的展示和交流分享。开设的创客空间，学生可以把自己的作品展示在这个空间中，甚至包括仅仅是设计模型应为机器设备的限制而不能打印成品。在学习交流平台上，开设了专题论坛，交流自己创作设计的心得，作品设计的灵感还有失败与成功。自由、平等、充满灵感创意的学习氛围让学生积极投入到3D打印的学习体验中，真正激发了学生的创造力、学习力、想象力。

随着科技、人工智能的发展，3D打印技术和创客还会逐步推向更高的层次。这样的一种新学习体验方式，给学生提供了新的学习思维空间，培养了学生研究问题、探索问题、解决问题的能力。笔者希望像这样的探索、像这样的课程有更多的内容和形式，在实践中不断充实和推进，让学生一直健康成长。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 赵光辉.创客时代[M].广州：广东人民出版社，1016.

[2] 中国机械工程学会编著.3D打印未来[M].北京：中国科学技术出版社，2013.

[3] 田树林.一人一天地 一木一自然[M]. 北京：人民日报出版社，2013.

（责任编辑 诺 依）