3D打印助力跨学科综合实践

我国中小学生学科基础知识比较扎实，但创新意识和实践能力相对薄弱。近年，各地根据需要陆续开设了综合实践活动课程，以期培养学生的综合实践能力，提高实践、创新水平。一些教师对综合实践活动课程的性质、形态等缺乏准确理解和把握，实施过程中随意性较大。依据教育部于2017年9月发布的《中小学综合实践活动课程指导纲要》精神，人教数字教育研究院结合学校教学实际，在国家级项目“基于3D打印的STEAM数字化课程出版”研究的基础上，编写了《基于3D打印的STEAM课程丛书初中综合实践活动学生用书》，供具备条件的学校选用。以活动主题作为基本单元，根据初中学生各学科知识水平，设计符合学生发展特点的活动项目，引导学生选择制订合理的解决方案，在活动中应用知识解决实际问题、制作成品、培养实践创新能力，这不失为一条好路子。

一、3D打印实现创意物化

将3D打印技术作为STEAM课程中的主要技术支撑方式，有助于实现课程中的知识学习和实践创作。此书有十三个单元，分为两大部分：前三个单元为第一部分，先让学生了解3D打印技术原理，学习三维建模的方法和使用3D打印机的方法;后十个单元为第二部分，主要应用3D打印技术设计、制作生活和工程技术中常用的结构、零件、物品或仪器等，为学生进行创意并将创意物化提供充足的机会。

对初学者来说，学习3D建模方法较难，第一单元不涉及此内容，只是让学生对3D打印有个大概了解，知道3D打印制作的基本步骤以及处理方法。

3D建模方法则安排在第二、三单元，让学生由易到难渐进学习。第二单元只让学生练习调整3D建模软件中已经存在的模型，通过在软件的工作界面中导入模型、多角度观察模型、调整参数框内的参数（或用鼠标）以改变模型的大小、导出模型等步骤，使学生对3D建模软件有初步的感性认识。第三单元，借助设计和制作笔帽，详细介绍3D建模中图形之间“交”“并”“差”三种运算，使学生掌握运用三种运算构造图形的方法。

学生了解了3D打印的原理、3D打印制作的基本步骤，有了应用3D打印方式制作物品的基本能力，再通过适当导引，就能够完成第二部分十个单元的学习任务。

二、3D打印技术与传统文化结合

书中活动主题的选择非常讲究，注重3D打印技术与中国传统文化的结合。例如，公道杯、印章、榫卯结构、桥、日晷等主题都源自中国传统文化。第四单元中介绍的奇妙的公道杯又称“戒盈杯”，是利用虹吸原理制作的，其真实存在竟能追溯到宋代。从“第八单元跨河越堑的梁桥”介绍了我国古今在桥梁方面的重要贡献，如我国现存古代最长的石梁桥、最早的跨海梁式大石桥、长江上第一座公铁两用大桥——武汉长江大桥等。“第九单元架石飞虹的拱桥”则介绍了拱桥在我国的悠久历史。此外，从这两个单元的“扩展阅读”栏目中，还能进一步了解桥的起源与分类、现代的拱桥等。

在活动中展现中国自古以来的科技成就等内容，能够帮助学生在打好扎实的多学科知识基础之上，促进学生实践创新、国家认同、社会责任、人文底蕴、科学精神等多种核心素养的综合提升。

三、融合传统学科，培养实践操作技能

作者和编辑都强调落实“立德树人”的根本任务，突出STEAM课程与传统学科课程之间的融合关系。此书将3D 打印技术与STEAM 课程内容、数字教材结合起来，在以创新为发展核心驱动力的今天，为义务教育创新人才能力的培养提供了一条重要途径。

书中与物理学科融合的案例包括：第二单元通过设计和制作读书架，使学生了解物体的重心、支撑面与支架稳定性之间的关系;第四单元通过制作公道杯，使学生知道传统样式公道杯的结构和能够排水的原因，从而知道什么是虹吸现象，初步了解虹吸现象的原理;第六单元则揭示，人们使用螺丝钉时，利用了斜面省力的原理，而螺丝钉能保持紧固状态，则与静摩擦有关。

第十一单元日晷的设计和制作，涉及多个学科，包括数学、物理等知识。

除此之外，在各单元的3D设计中融入了对艺术素养的培养。实用性和艺术性兼具的印章（“第五单元雅致的印章”）的制作、对八仙桌模型的二次设计（“第七单元精巧的榫卯”），都使得学生既能发挥各自的艺术修养，又能在此过程中得到艺术方面的锻炼。“第九单元驾石飞虹的拱桥”介绍我国形式多样的拱桥，不仅坚固耐用，而且体现出一种艺术的美感。比如，仅拱形就有半圆、多边形、圆弧、椭圆、蛋形、马蹄形和尖拱形等各种式样。

四、“拓展”类模块激励探究、“扩展阅读”栏目开阔视野

“拓展”类模块分为“拓展探究”和“拓展学习”两种。对不影响基本活动内容的完成，但探究难度和设计制作灵活性有所增加的内容，在“拓展探究”模块中予以呈现，激励有兴趣的学生进一步探究制作。如“第二单元制作我的读书架”中的“拓展探究”，在学生通过测量和估算，在3D建模软件（此书的配套软件）中设置参数调整读书架模型的大小，通过3D打印制作出折叠式读书架的基础上，让他们用类似的步骤，设计和制作其他类型的支架，如插板式读书架、折叠式平板电脑（手机）支架等。第八单元的“拓展探究制作其他类型梁桥的模型”，在学生了解简支梁桥的基本结构和原理，用3D打印设计和制作出其模型的基础上，鼓励学生查找、学习其他梁桥，如悬臂梁桥的有关知识，并尝试设计制作。

技术性较强，有助于进一步认识3D打印的知识性内容被放在“拓展学习”模块中，感兴趣的学生可以探究学习。如第一单元中的“拓展学习认识3D打印机的基本结构”就在学生学习了3D打印的基本原理、体验过3D打印过程之后，让学生简单了解3D打印机的主要构件，如打印机喷头、挤出器、打印平台、控制面板及显示屏，以及3D打印材料等。

此书还设有“扩展阅读”栏目。其中的内容都是与模块相关性较密切的知识和技能，可以拓宽学生的视野，便于有兴趣的学生进一步探索学习。如第三单元的活动3 模块内的“扩展阅读关于笔帽的小知识”，说明了笔帽上设有小孔的目的是防止窒息。第六单元活动3模块内的“扩展阅读”栏目介绍了螺栓的起源和标准化问题。

五、评价方式多样化，促进学生发展

在完成了一个单元的学习后，需要帮助学生对学习结果进行评估，使他们了解经过这一阶段的学习后，应该知道什么、能够做什么，以及通过什么方法、获得哪些证据。此书将终结性评价和过程性评价相结合，不仅在每单元末设置了“学习评价”模块，而且适时在活动进行的主要节点上设有“试一试”“比一比”等具有评价功能的小栏目，由此保证评价的全面、真实、有效性，达到检查效果、诊断问题、明确方向，激发学生学习积极性的目的。

例如，“第五单元雅致的印章”的“活动2”“活动3”模块中都设置了具有评价功能的栏目，并根据活动内容，评价的侧重点也有所不同。其中，“活动2”模块中的栏目是“试一试，比一比”，让学生先自我评价一下：试用制作好的印章，确认实际效果，思考改进方法，然后组间互评：小组代表介绍各组的印章如何设计、有何特点、印制效果怎样，小组之间比印章的外形、印制效果。“活动3”模块中的栏目是“比一比，议一议”则重在组间互评：各小组展示艺术印章，介绍设计思路和文化意义，对比作品，思考改进设计和制作的方法。

单元末的“学习评价”模块中，采用的评价方式除自我评价、组间互评，还有自测等。

六、配套软件提升数字化产品的设计与制作能力

我国有些学校的综合实践活动课程的授课教师，是从其他学科教师转任或兼任的，缺少信息技术专业背景。现有的3D建模软件，往往感觉难以上手，对学生来说使用难度更大。“基于3D打印的STEAM数字化课程出版”项目组为此研发了软件，降低课程实施的门槛。软件与教材配套，能实现教材中的建模和设计要求，且具有一定拓展性。此书配套的3D建模软件有四大功能。

一是预置了长方体、圆柱体、圆锥体、球体、正棱柱等规则三维图形，能在工具主操作界面中导入一个或多个规则三维图形。每个图形为一个独立操作对象，能通过调整长、宽、高参数改变图形的形状，能通过调整位置参数或拖曳等方式改变图形的方位;能对两个三维图形进行“交”“并”“差”运算，以构造复杂图形;能实现平面图形、文字的3D化，预置长方形、菱形、圆形等图形。

二是能保存3D建模过程的工程文件，支持导入和导出3D图形文件（STL文件）。

三是包含螺栓、螺母独立模块，能通过调整参数设计出不同规格的螺栓和螺母，还有圆柱齿轮、锥形齿轮、冠齿轮独立模块，能通过调整参数设计不同规格的齿轮。

四是根据此书13个单元的内容，预置了曲别针、钥匙扣、陀螺、书架、笔帽等模型，并可被3D建模软件调用。

利用此书配套的易学易用的软件，在从熟悉的生活中衍生出的、与多门学科有机联系的各活动主题内容的引导下，学生不仅能够了解与应用3D打印技术，而且能制作出兼具美观性与实用性的物品。这对于培养初中学生的综合素质、发展实践创新意识和审美意识，以及提高他们的创意实现能力，都是十分有益的。

3D打印作为一项新兴的技术，对全球制造业有着巨大的影响，其中的熔融沉积3D打印是目前使用范围最广的，其操作难度小、成本低、打印速度快，非常有利于学生应用它完成多种跨学科的综合实践活动。综观市面上关于3D打印的书籍，其中多为讲述3D打印技术、技术应用、技术入门、建模等方面的，而STEAM教育方面的书籍基本上是一些讲述教育理论、创客、创新教育等内容的。从学生的日常学习生活、社会生活出发，提出了富有教育意义的活动选题，以3D打印作为主要技术支持方式，应用STEAM教育理念，逐步引导学生综合运用各学科知识，将各种创意设计转化为现实的物品，有利于提升学生的综合素质，着力发展核心素养，特别是创新精神和实践能力。核心素养培育任重道远，出版并使用这部创新且使用的教材正当其时。

（作者系人民教育出版社课程教材研究所高级编辑）