“比赛化”3D打印教学的探索与实践

摘 要：随着3D打印技术的不断成熟，當前已经在中小学教育中得到了广泛的应用。在中学开展3D打印教学，应打破固定的课时，面向真实的情境。开展“比赛化”的3D打印教学，通过多学科融合、团队合作和答辩机制等手段，从设计思维、社会参与感、表达能力和逻辑思维能力等方面，全面提升中学生核心素养。

关键词：3D打印；核心素养；多学科融合；团队合作

作者简介：陆少超，浙江省宁波市镇海蛟川书院教师。（浙江 宁波 315200）

基金项目：本文系宁波市教育科学规划课题“STEAM视野下的‘i畅想工坊的实践与研究”（项目编号：2016年YGH-162）的阶段性研究成果之一。

中图分类号：G40-057 文献标识码：A 文章编号：1671-0568（2018）25-0053-03

3D打印，即一种快速成型技术，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。目前，无论是小巧灵活的3D打印笔，还是高端大气的3D打印机，在学校教育教学中已经非常普及，[1]大部分学校都开设了“3D打印课程”。但是这些课程往往只停留在教学表面，教会了学生单一的技术能力，却忽略了对学习者核心素养的关注和培养。

课堂是主体，课外是延伸，3D打印教育不应该仅仅停留在课堂教学阶段，还应该给学生创造参加3D打印比赛的机会。3D打印比赛一般都有一个明确的主题，这个主题从未来的生产和生活角度出发，搭建某种建筑型结构，或者实现某种特殊型功能。比赛分为多个阶段，如设计阶段、打印阶段、答辩阶段，这不仅丰富了3D打印教学的内容，而且在每个阶段都可以融入对中学生核心素养的培养和实践。笔者认为，“比赛化”的3D打印教学，从设计、测试、答辩三个阶段，实现了对中学生核心素养的培养。

一、3D打印比赛之设计阶段——多学科融合，助推学生的设计思维

根据主题，3D打印在作品的设计阶段，学生需要运用数学知识计算出各部件的尺寸，结合物理知识设计各部件之间的链接结构，并运用信息技术能力在建模软件中绘制出3D模型，最后还要从美学的角度修改3D模型，使其更贴近生活实际。除此之外，建议和鼓励知识储备丰富的学生结合诸如仿生学、工程学、建筑学等各方面的知识来进一步拓展设计思维。由此可见，在3D打印比赛的设计阶段，充分发挥多学科融合的作用力来助推学生的设计思维，是可行且必要的。

例如，在深圳举行的2017年3D打印创新设计与制造挑战赛中，赛题为“天梯挑战”——太空电梯自20世纪70年代提出来之后，不断有科学家提出新的设计方案并做出种种尝试，请运用150克3D打印材料（PLA），构建一座尽可能高的“天梯”，并且能够承受不少于2.1千克砝码的压力不垮塌或断裂。这个比赛主题有三大要点：①层层叠高的塔式结构；②在有限材料范围内承重能力越强越好；③高度越高越好。对此，有的学生在3D设计思路上提出“碳60”的想法（如图1），这是一种足球状的结构，具有强度高、外观美等许多优异性能，并且巧妙地将化学知识引入到建筑中来；有的学生对中国古代建筑感兴趣，在3D设计思路上提出“榫卯”结构的想法（如图2），外观非常精致，这种凹凸相扣式的结构不但可以承受较大的荷载，而且允许产生一定的变形，合理地将古建筑文明硕果应用于未来设计。以这两种创意为代表的设计是对多学科融合的最佳诠释，更体现了自然和人文的相互交融。

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，而是从目标或者要达成的效果着手探究问题的解决方案，是一种独特的“在行动中进行创意思考”的方式。要推动学生设计思维的培养和发展，需要教师善于挖掘3D设计中丰富的文化信息和思维内涵。在3D设计过程中，教师要激发学生的想象力，不仅鼓励学生发挥数学、物理、化学等理科类学科培养的逻辑推理和抽象思维，还要融入语文、历史、美术等文科类学科的直觉感受和形象思维，[2]为创新打开设计思维之门。

二、3D打印比赛之测试阶段——团队合作，提升学生的社会参与感

3D打印比赛体现时代进步，反映现实社会生活，符合学生的兴趣和要求。相较于普通的3D打印课堂而言，比赛是一种将团队合作的教育思想落到实处的活动，其实质是根据学生个体间的差异分配任务，明确个人职责，分工到位。参赛者需要组成3～4人的团队，从草图设计、物理计算、3D模型绘制、3D打印机操作等职责中挑选各自擅长的任务，共同完成一个3D成品。在3D打印测试阶段，团队成员之间的互动可以在最大程度上提升学生的社会参与感。

为了培养团队合作精神，教师应该传递给学生的思想是：所有的设计创作没有对错之分，必须通过实际打印出物体模型后才能检验合不合理，即“建模——打印——再建模”的迭代过程。例如，“天梯挑战”赛中，负责3D打印机操作的学生打印出实物后，放到现实环境中测试其是否满足要求。结果发现第一次设计的天梯（如图3）由于横向连接件太细，使得整个天梯在测试承重时，未达到2.1千克就垮塌了。根据这一测试结果，问题被反馈到负责草图设计的学生那里，由他和负责物理计算的同学探讨改进方案。改进后的天梯部件（如图4），其纵向连接件变细，横向连接件加粗，同时再增加一圈三角形。这一改进方案再交由负责3D模型绘制的学生修改，完成作品的“再建模”任务。最后由负责3D打印机操作的学生再次打印并实际测试。整个过程如同一个市场化的产业链，每个“部门”（学生）各司其职，3D测试工作井然有序地开展，作品修改可能要反复好多次，直至满足实用性指标。通过打印实现、实地测试、修改模型、重新测试等几个环节，“比赛化”的3D打印教学活动让学生体验到了团队合作的真正意义。

通过团队合作提升学生的社会参与感，这就需要教师善于把握自己在3D打印比赛中的角色。教师既不是旁观者，也不是控制者，而是适时的指点者。在实际测试作品遇到问题时，学生往往第一时间想到求助教师，如果此时给予帮助给出答案，无异于扼杀了学生团队合作的机会；相反，教师在此时给予引导，使他们集体进入“建模——打印——再建模”的迭代过程，就等同于把主动权交还给学生，在生生互助和产出过程中，学会与不同人的沟通艺术，加深对团队合作的理解，提升学生的社会参与感。

三、3D打印比赛之答辩阶段——答辩机制，培养学生的表达和逻辑思维能力

传统的3D打印教学，虽然着力于学生的技术素养和创新素养，但要全面培养中学生的核心素养，笔者认为表达和逻辑思维能力也必不可少。“比赛化”的3D打印教学，亮点在于引入答辩机制，就像大学生在完成毕业论文时需要答辩一样，需要面对来自各个专家的质疑和追问。但答辩活动不应简单等学生考到大学后由大学来做，而是要在中学阶段利用现有条件，如3D打印比赛，让学生提前领略科研的过程与乐趣。[3]答辩机制，从3D打印比赛的角度来说，要求学生用5分钟介绍自己的作品，并回答专家评委组的提问。在这个阶段，如何向专家介绍自己的想法和设计方案，让他人理解就显得非常重要。教师可以指导学生围绕以下几个方面展开：通过调查发现了什么问题，想到了哪些解决的办法，每种办法各有什么优缺点，最后选择了哪个，本设计方案的最大特点是什么，是否实现了之前的想法，还有什么不足需要改进等。

例如，学生在回顾“天梯”作品设计的过程中，总结出三大优势：三角形结构多则稳定性强、“榫卯”结构联结既古典又方便、多条天梯轨道增加客运量。学生能做出这样高度概括性的表达既让人意外又在情理之中，因为他们在准备答辩的时候找不同的人推销作品，了解了大家对同一事物的不同想法。更令人欣慰的是，他们甚至考虑到人文关怀，把对人的生存、发展和幸福等因素考虑到答辩内容中。他们指出：“天梯”设置有参观平台，未来人类在进入太空的旅途中，既可以中途休息又可以鸟瞰地球之美。精彩的表达、人性化的思考，这些由答辩机制带来的裨益是传统课堂教学无法企及的。

在自我展示完成后，進入评委问答环节，这对学生逻辑思维的严谨性是一种考验。例如，教师提出了一个问题，你们的“天梯”有几个连接处为什么很松，而其他几处又很紧，学生回答可能是机械误差造成的。但这没有进行实验验证，仅仅是理论猜测。当他们经过互联网搜索和检验后才发现，3D打印的打印喷头有粗细之分，而学校所使用的3D打印喷头是0.4mm规格，因此1.2mm粗的线条需要喷头打印3次，但是1.3mm粗的线条呢？同样只打印3次，误差显而易见。至此，他们总结出3D模型的尺寸必须是0.4mm的整数倍。严谨的逻辑思维能力不是与生俱来，更不是一蹴而就的，所幸的是答辩机制中的问答环节创造了这样的训练机会。专家评委组从专业角度出发，会不断追问作品存在的缺陷，这一方面迫使学生答辩前必须事先做充分准备，[3]对出现过的问题及解决方法及时梳理，[4]不能想当然，稍有不慎，就会被问倒；另一方面提升了学生的逻辑思维能力，不但要求学生会设计、会操作，更要求他们利用“互联网+”技术使自己具备广博的知识面和充足的实验常识。

如果仅仅完成3D作品，师生之间缺乏直接的思想碰撞。引入答辩机制，学生团队之间的隐性竞争变为显性竞争，不再仅仅是3D模型大小、称重能力等数字高低的较量，而是比拼研究、科研的严谨与规范，从低层次竞争转变为高层次竞争。

四、结论

随着3D打印从象牙塔里的高科技发展成为融入学校、家庭和社会教育常态的具有革命性影响的技术，[5]3D打印教学将成为未来中学教育必不可少的一部分。本文通过对“比赛化”3D打印教学的探索，把中学生核心素养融入教学的各个环节，搭建起中学生核心素养发展所需的良性生态和良好平台，以满足我国未来社会和经济发展对综合型人才的需求。[6]

参考文献：

[1] 刘金鹏.3D打印课程，你关注学生核心素养了吗[J].中小学信息技术教育，2017，（3）：66-68.

[2] 王冠凌等.多学科交叉融合人才培养模式的探讨和实践[J].新余学院学报，2017，（8）：110-112.

[3] 曹葵.中学化学教学中以论文和答辩方式提升学生科学素养[J].化学教育，2016.37，（9）：20-23.

[4] 郑明达.例谈信息技术教学中学生创意与表达能力的培养[J].中小学信息技术教育，2014，（11）：37-39.

[5] 孙江山等.3D打印教育创新：创客空间、创新实验室和STEAM[J].现代远程教育研究，2015，（4）：96-103.

[6] 陆海江.让核心素养在学习3D打印的过程中落地[J].中国信息技术教育，2017，（3）：109-110.

责任编辑 黄 晶