小学普及型3D打印课程的开发与实践

严明皓

【摘 要】当前，创客教育正在我国兴起，而作为其中重要课程组成的3D打印技术也在快速发展，学生对3D打印技术也非常感兴趣。但由于课程标准的缺失，课程内容不成体系，教学模式单一，在3D打印课程的教学中，很多教师感到十分迷茫。本文将给教师推荐一套适合小学开设的普及型3D打印课程，希望为相关教育工作者提供参考。

【关键词】三维创意设计 3D打印 实践与创新

一、3D打印技术基本概念

（一）3D打印

3D打印又称为三维创意设计，从形式上来看，它是通过三维立体数字形式创作出现实中的真实物品，采用新型打印技术将数字形式物品转换为实体。不同的制作原料也决定了3D打印技术有着不同的技术类型，比如，分层实体制造技术（LOM）与熔融沉积成型技术（FDM）等。而目前教育系统常见的则是以特殊塑料作为原材料，使用分层实体制造技术进行打印的3D打印技术。

（二）3D打印流程

进行一次完整的3D打印，其基本的流程大致如图1：

而其中最为重要且最能体现3D打印技术价值的就是三维建模，在中小学阶段，学生受本身知识水平所限，他们所能熟练使用的三维建模的软件非常有限，如何为学生挑选出一个适合他们、能够收到事半功倍效果的建模软件也是一项非常重要的工作。

二、开设普及型3D打印课程的现实条件与可行性分析

（一）创客教育的症结

创客空间需要相对宽敞的空间、相应的软硬件设备等，当下这些条件的配备也是十分严苛的。与此同时，很多创客空间由于人员不足，导致管理不到位，设备的损耗率极大，这也进一步增加了经费的投入，形成了恶性循环。

（二）普及型3D打印技术课程的优点

与创客教育中的机器人课程、电子模块课程不同，3D打印课程并不需要做到人手一台设备，根据现在各类中小学的硬件设备状况，只要在每个中型的微机教室中配备2台3D打印机即可开展教学，总体的经费投入应该非常小。而对于三维建模来说，一般的电脑配置就可以满足基本模型的搭建。

与此同时，很多微机教室的布置都是小组式、开放式的，这些对课程的开设是非常有帮助的。在原有的硬件基础上稍做修改即可进行普及型3D打印技术课程面向全校开展教学。

三、3D打印课程的课程设计

（一）3D打印工具的选择

三维建模的软件有很多种，而较为基础容易掌握的软件则有DSM、123D Design等。考虑到小学生的空间构造能力还未发展、抽象性思维能力不强的现况，专业级的软件并不适合开展三维建模的教学。因此，我们针对初级软件展开讨论，比较DSM与123D Design两款软件的异同（见表1），从而挑选出合适的软件。

通过以上表格简单地对比可以发现123D Design相较于DSM来说更适合建立简单模型，其界面相对简单、好看，适合低年级学生使用。而DSM在建立复杂模型的时候具有巨大的优势，比较适用于高年级学生。

（二）教学目标分析

作为创客教育的重要组成部分，3D打印技术课程也有着创客教育的显著特征，即学生的实践与操作。学生在学习打印技术时需要相互交流、相互协作，才能够共同完成任务，由传统教学的“Do it yourself ”转变为“Do it together”。这些都能有效提高学生的观察能力、动手能力、创造力与团队协作能力。

3D打印课程还有一个特殊的方面，即打印的过程也是学生自己动手制作的过程，学生可以使用立体的电脑模型把很多抽象的概念与设计实体化。它可以作为其他课程的辅助，让学生从设想、制造、改进、参与等方面更好地融入学习之中，激发学生的学习热情。

（三）教学理念

3D打印技术的核心是使用相应的软件进行三维建模，教学的理念是基于桑代克“试误”学习的思想，从模仿开始的内化创造的教学方法以及基于项目式的学习。

1.桑代克“试误”学习的思想

桑代克认为，动物的基本学习方式是试误学习，人类的学习方式可能要复杂一些，但本质是相同的。他主张让学生在自主探索的过程中去完成经验的积累，在“试误”的行为中对已有经验进行总结，反复思考问题，归纳吸收，将外部经验转化为自身的经验。这就要求教师在教学过程中为学生创设情境，营造宽松的创客氛围，积极鼓励学生试错，完成经验的积累。

2.从模仿开始的内化创造的教学方法

模仿，是指个体自觉或不自觉地重复他人的外在表现的过程，一般来说在模仿的过程中，就有自己的创造，通过模仿积累经验，学生就能逐渐实现自身个性化。当然，模仿是学习创作的初期准备阶段，足够的模仿，达到足够经验的积累才能够更好地完成质变、引发创新。

3.基于项目式的学习

项目式学习不同于传统的接受式学习，它是一种以自选项目的完成为目标进行小组合作、教师指导、成果反馈、经验总结的新型学习方式，学生的學习过程就是完成一项项任务的过程。基于项目式的学习可以有效地将学生融入学习情境之中，是任务式教学的终极版本，可以让学生自主地、积极地进行经验的总结，完成知识的建构。

（四）教学课程的安排

通过前文对三维建模工具选择的思考与探索，在小学阶段，笔者选取了相对比较简单的三维设计软件——123D Design，让学生能够在零基础的情况下完成相关知识的学习。笔者在长期的教学实践之后，设置了相关的3D打印课程，见表2。

四、教学课程的实施

设备问题与教学课程问题在解决之后并不代表课程就能够拥有生命力，就能够实现学生能力的提高和知识的增长。要想使普及型的3D打印课程收到好的教学效果，教师的努力与引导、课程的良好实施也是十分必要的。教师要在课堂中设计出一套行之有效、结构清晰的教学流程，让每堂课都能在对应的知识架构中进行，让学生在“做中学”（见图2）。

（一）充分使用“共享”资源，提高学生自学与共享意识

“共享”是目前社会中非常活跃的概念，同样，技术的学习也是共享的一部分。目前，在网络中有很多的软件教程，教师可以引导学生合理使用这些共享的资源，达到自己的学习目的，并且鼓励他们在相应的平台中与人交流、分享。在这样的学习过程中学生能够很快地扩大自身的知识容量。最重要的是学生的自学能力以及团队分享意识的提高，对他们未来的发展会有更大的帮助。

实践证明，这种教学方法可以有效提高學生的学习效率与团队合作能力，也尊重了学生个体发展的经验差异。

（二）任务驱动式教学，营造创客氛围与减少原料损耗

课堂中先展示完成的作品，多角度让学生看到作品的美丽之处，目睹了打印模型的神奇后，自己动手做一个属于自己且有自己特色的作品会成为每个学生的追求，这样便会最大限度地调动起学生的主观能动性。3D打印课程的材料消耗很大，开设这样的课程必须将损耗计算在内，教师必须努力将课程外延限定在一定的范围内，然后尽可能地让学生发挥自己的想象力。这种做法颇有“戴着脚镣跳舞”的意思，但这样做不仅可以减少不必要的损耗，还可以有效减少打印机的负荷。

（三）合理评价作品，多角度评析作品，引导学生创意方向

在3D打印技术课程的授课过程中，教师的课堂组织难度是非常大的，小组合作的形式有时并不能让学生热衷于团队协作，转而变成轮番向教师求助，学生会很容易对复杂模型的构建产生倦怠情绪而直接寻求教师求助，忽略了自主探索的过程。如何防止这种情况，教师可以从教学评价的角度下功夫。

第一，将团队合作作为课堂教学评价的一部分。在任务进行的过程中引导学生关注同伴的进度，将个人成果的评价转化为小组成果的评价，让学生树立“小组荣，我荣”的意识，积极交流与沟通，减少重复“试误”，提高效率。

第二，提高创意多样化评价的比重。在任务进行前，向学生说明任务评价中关于创意部分的重要性，督促他们多交流、多沟通，增加创意的多样性；让学生及时了解团队交流的重要性，引导学生通过团队合作增加自身设计的多样性。

希望笔者的教学实践能够为更多的相关的教育工作者提供参考。

【参考文献】

[1]高勇，刘娜. 3D打印与三维创意设计课程牵引下的创新课程体系研究[J].中小学信息技术教育，2016（4）.

[2]徐海贤.中学普及型创客课程的开发与实践——以三维创意设计与3D打印课程为例[J].教育信息技术，2017（5）.

[3]徐振宇. 3D打印课程在小学信息技术领域的探索与实践[J].创新课程，2016（10）.