以建構(gòu)主義為視角分析3D打印在教育中的應(yīng)用——以人物動(dòng)作模型制作為例

☆李淑立 陳仕品 張姍姍

（西華師范大學(xué)教育學(xué)院，四川南充 637000）

前言

3D打印技術(shù)近幾年已家喻戶曉，并在2013年由新媒體聯(lián)盟發(fā)布的《地平線報(bào)告》中被提上日程，列為近4～5年內(nèi)可能會(huì)對(duì)教育教學(xué)產(chǎn)生重大影響的新興技術(shù)。與傳統(tǒng)打印相比，由于其別出心裁的快速成型制造工藝，3D打印被譽(yù)為“第三次工業(yè)革命最具標(biāo)志性的生產(chǎn)工具”。3D打印技術(shù)的出現(xiàn)在飛速發(fā)展著的信息時(shí)代留下了濃重的一筆。

一、3D打印簡(jiǎn)介

3D打印技術(shù)已不再鮮為人知，其原理很簡(jiǎn)單，類似于二維打印機(jī)。在傳統(tǒng)打印中，我們只需點(diǎn)擊電腦屏幕上的“打印”按鈕，一份數(shù)字文件便被傳送到一臺(tái)噴墨打印機(jī)上，它將一層墨水噴到紙的表面以形成一副二維圖像。而在3D打印時(shí)，通過(guò)電腦輔助設(shè)計(jì)技術(shù)（CAD）完成一系列數(shù)字切片，并將這些切片的信息傳送到3D打印機(jī)上，3D打印機(jī)會(huì)將連續(xù)的薄型層面堆疊起來(lái)，直到一個(gè)固態(tài)物體成型。3D打印機(jī)與傳統(tǒng)打印機(jī)最大的區(qū)別在于它使用的是實(shí)實(shí)在在的原材料。

3D打印技術(shù)又被稱為快速成型技術(shù)，是一種可以通過(guò)電腦輔助設(shè)計(jì)（CAD）、三維建模軟件、計(jì)算機(jī)斷層成像術(shù)（CAT）等軟件工具，將三維數(shù)字信息轉(zhuǎn)換成實(shí)物的技術(shù)。3D打印技術(shù)以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，通過(guò)逐層打印的方式將金屬粉末、陶瓷粉末、塑料等可粘合性材料設(shè)計(jì)制造成型，主流技術(shù)有立體光刻造型技術(shù)（簡(jiǎn)稱SLA）、熔融層積成型技術(shù)（簡(jiǎn)稱FDM）、選擇性激光燒結(jié)（簡(jiǎn)稱SLS）。3D打印機(jī)通過(guò)逐層打印將電子文件變成實(shí)體模型，主要有兩種方式：一種是“擠壓”型，即將塑料或其他柔性材料像擠牙膏一樣做成模型；另一種是“噴墨”型，即將黏合劑像噴墨一樣噴到可黏合粉末層上，使其成型。[1]

二、3D打印在教育中的創(chuàng)新應(yīng)用

目前，3D打印技術(shù)已在各學(xué)科領(lǐng)域都有所涉及，例如：電子、化學(xué)、生物、醫(yī)療、數(shù)學(xué)、航空航天、國(guó)防、地理、烹飪、機(jī)電工程、建筑設(shè)計(jì)、歷史、考古、動(dòng)畫設(shè)計(jì)、天文、力學(xué)、消費(fèi)產(chǎn)品等領(lǐng)域。3D打印技術(shù)的引入，為教育教學(xué)的創(chuàng)新開啟了一扇大門。3D打印可以激發(fā)學(xué)生們無(wú)限的創(chuàng)造力，幫助他們?cè)诂F(xiàn)實(shí)世界中了解、保留并測(cè)試自己的創(chuàng)意。作為一種通用的技術(shù)，它可以應(yīng)用到大部分的學(xué)科中去，涵蓋正式學(xué)習(xí)、非正式學(xué)習(xí)和培訓(xùn)等類型的教育，尤其適用于設(shè)計(jì)、工程相關(guān)領(lǐng)域或是需要快速制作模型的領(lǐng)域。[2]今后，工程師、設(shè)計(jì)師和問(wèn)題解決者需要盡一切可能打造光明的未來(lái)。

在建筑領(lǐng)域中，教師可通過(guò)CAD軟件繪制出建筑模型，將相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息輸入至3D打印機(jī)中，即可打印出所設(shè)計(jì)建筑的縮微模型。學(xué)生可以根據(jù)教師的制作方法和步驟直接觀測(cè)到建筑模型，直觀又有效。最后，學(xué)生可模仿教師，在此基礎(chǔ)上制作自己的建筑模型，并可以進(jìn)一步創(chuàng)新。

在動(dòng)畫設(shè)計(jì)中，學(xué)生可以利用3D建模軟件對(duì)動(dòng)漫人物的形象，如：外貌、服飾、發(fā)髻等，進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)和創(chuàng)新性設(shè)計(jì)。然后，利用3D打印的快速成型技術(shù)生成所需的動(dòng)漫模型。

在歷史、考古中，有些文物是獨(dú)一無(wú)二的，專家可以使用3D打印機(jī)制作出更多的文物模型，分派到其他博物館，供更多中華兒女欣賞，以開闊眼界，并對(duì)中國(guó)浩瀚的歷史進(jìn)一步了解。對(duì)于易碎或殘缺的歷史文物，專家同樣可以利用3D打印技術(shù)將其復(fù)原并保存。

在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，醫(yī)生可以利用3D打印技術(shù)制造人類器官，為病患移植。還可以制作人體構(gòu)造的簡(jiǎn)易模型、DNA空間結(jié)構(gòu)模型、細(xì)胞結(jié)構(gòu)模型等，供醫(yī)學(xué)院學(xué)生形象直觀地進(jìn)行學(xué)習(xí)。

三、以建構(gòu)主義為視角分析人物動(dòng)作模型制作案例

以北卡羅萊納州立大學(xué)利用3D打印技術(shù)制作人物動(dòng)作模型為例。[3]作為美國(guó)的頂級(jí)研究機(jī)構(gòu)之一，北卡羅萊納州立大學(xué)在廣泛的研究領(lǐng)域中擁有超過(guò)580項(xiàng)的專利。該所大學(xué)擁有推動(dòng)創(chuàng)新和協(xié)作學(xué)習(xí)的良好環(huán)境，其工業(yè)設(shè)計(jì)系的創(chuàng)新氛圍尤為突出。在這里，教師側(cè)重于使用設(shè)計(jì)和技術(shù)解決從交通設(shè)計(jì)到醫(yī)療儀器等各種領(lǐng)域的問(wèn)題。教師可以指導(dǎo)工業(yè)設(shè)計(jì)系的學(xué)生如何利用可視化技術(shù)和快速原型技術(shù)來(lái)創(chuàng)造性地切實(shí)解決松散定義的設(shè)計(jì)問(wèn)題，并類似于在現(xiàn)實(shí)世界中。

（一）制作人物動(dòng)作模型案例簡(jiǎn)介

北卡羅萊納州立大學(xué)工業(yè)設(shè)計(jì)系助理教授Spencer Barnes在他的“先進(jìn)的數(shù)字化產(chǎn)品建?！闭n程中給工業(yè)設(shè)計(jì)系的本科生和研究生們提出了一項(xiàng)特殊的挑戰(zhàn)，要求他們使用三維表面建模程序和3D打印機(jī)創(chuàng)建人物動(dòng)作模型。

利用3D打印制作人物動(dòng)作模型的項(xiàng)目得益于夏季電影大片《變形金剛》的啟發(fā)，其目的是教學(xué)生如何利用工作流操作來(lái)完成具有挑戰(zhàn)性的設(shè)計(jì)任務(wù)。工作流操作涉及到一個(gè)設(shè)計(jì)問(wèn)題，即使用軟件和輸出流程的新組合，有效且高效地完成任務(wù)。因此，該項(xiàng)目要求學(xué)生創(chuàng)新使用3D打印機(jī)來(lái)制作人物動(dòng)作模型。

學(xué)生們可以以電影、卡通或漫畫中的人物為模型，也可以獨(dú)創(chuàng)一個(gè)新的人物為模型。在學(xué)生們開始建模之前，需要對(duì)人物形象展開設(shè)想，且繪出參考草圖。模型設(shè)計(jì)可高達(dá)六英尺，所以，必須有大量的細(xì)節(jié)描述以供建模。在塑造好人物動(dòng)作模型后，學(xué)生將之轉(zhuǎn)換為可打印的文件格式并送到3D打印機(jī)打印即可。待打印完成后，學(xué)生便可展示他們的作品。

在項(xiàng)目最終評(píng)審中，學(xué)生可以展示他們的設(shè)想和人物參考草圖，以及人物動(dòng)作模型。同學(xué)之間可進(jìn)行評(píng)價(jià)，同時(shí)，教師給予評(píng)價(jià)，最后再做出總結(jié)。

（二）以建構(gòu)主義為視角分析人物動(dòng)作模型制作案例

3D打印技術(shù)對(duì)于教育的重要價(jià)值之一，在于它能夠創(chuàng)造對(duì)事物更真實(shí)、可靠的探索機(jī)會(huì)，而這樣的機(jī)會(huì)對(duì)于大學(xué)來(lái)說(shuō)可能非常難得。[4]3D打印在教育教學(xué)中的創(chuàng)新應(yīng)用，使得對(duì)教師的要求有所提高，教師需要從技術(shù)和教學(xué)設(shè)計(jì)等層面進(jìn)行改善和學(xué)習(xí)，起到帶頭的關(guān)鍵作用。一方面，教師自身是3D打印的使用者，可以通過(guò)3D打印制作個(gè)性化的教學(xué)模型；另一方面，教師要進(jìn)行3D打印課程應(yīng)用的教學(xué)設(shè)計(jì)，幫助和引導(dǎo)學(xué)生展開學(xué)習(xí)活動(dòng)。[5]

1.任務(wù)之初

北卡羅萊納州立大學(xué)工業(yè)設(shè)計(jì)系助理教授Spencer Barnes設(shè)計(jì)的項(xiàng)目適用對(duì)象是本科生和研究生。3D打印機(jī)的使用以及人物動(dòng)作模型的設(shè)計(jì)制作對(duì)參與的對(duì)象有較高要求，不僅在自主學(xué)習(xí)能力上有所要求，而且在技術(shù)制作水平上亦是如此。而項(xiàng)目研究的對(duì)象是本科生和研究生，恰好符合了所需學(xué)習(xí)者的特征。從建構(gòu)主義理論視角來(lái)看，教師正是以學(xué)生為中心，提出了人物動(dòng)作模型制作的項(xiàng)目，該項(xiàng)目富有挑戰(zhàn)性，可激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和意識(shí)。教師在提出任務(wù)之初，遵循了建構(gòu)主義理論中注重學(xué)生為中心的原則，而這一原則又是貫穿于項(xiàng)目始終的。

2.分析設(shè)計(jì)

待任務(wù)提出之后，學(xué)生們便開始了探究之路，他們打開思緒，以電影、動(dòng)漫等為素材，挑選人物造型，或開動(dòng)自己的想象進(jìn)行原創(chuàng)設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮了學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，體現(xiàn)出了學(xué)生的首創(chuàng)精神。在富有挑戰(zhàn)性的情景活動(dòng)中，教師有必要給學(xué)生提供豐富的信息資源，學(xué)生可以利用資源進(jìn)行探索，且學(xué)生之間通過(guò)協(xié)作共同尋找設(shè)計(jì)思路。這一過(guò)程也是學(xué)生在原有知識(shí)基礎(chǔ)上進(jìn)行意義建構(gòu)的過(guò)程。在分析設(shè)計(jì)階段中，該項(xiàng)目活動(dòng)遵循了建構(gòu)主義學(xué)習(xí)環(huán)境下，教學(xué)設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心的原則，強(qiáng)調(diào)情境對(duì)意義建構(gòu)的重要作用，強(qiáng)調(diào)了協(xié)作學(xué)習(xí)對(duì)意義建構(gòu)的重要作用，強(qiáng)調(diào)對(duì)學(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)計(jì)的重要性，強(qiáng)調(diào)要提供各種信息資源以支持學(xué)生的“學(xué)”。[6]

3.設(shè)計(jì)制作

在各種信息資源的支持下，學(xué)生們對(duì)之前的設(shè)想付諸實(shí)施，繪制參考草圖，然后，利用3D建模軟件對(duì)人物動(dòng)作模型進(jìn)行建模。待建模完成后，將之轉(zhuǎn)換成可打印格式發(fā)送至3D打印機(jī)進(jìn)行打印即可。在利用3D打印機(jī)制作模型的過(guò)程中，教師可以用各種設(shè)計(jì)問(wèn)題來(lái)吸引學(xué)生們的注意。例如：在模型的穩(wěn)定性問(wèn)題中或者是模型的站立和平衡問(wèn)題中，如何對(duì)所有運(yùn)動(dòng)部件的草圖和間隙進(jìn)行繪制和設(shè)計(jì)。此外，3D打印機(jī)協(xié)同其他要素對(duì)學(xué)生的創(chuàng)作起到了關(guān)鍵作用，其優(yōu)勢(shì)和潛能為項(xiàng)目所重視。在人物動(dòng)作模型設(shè)計(jì)制作過(guò)程中，遵循了以學(xué)生為中心的原則，強(qiáng)調(diào)了協(xié)作學(xué)習(xí)對(duì)意義建構(gòu)的重要性，強(qiáng)調(diào)各種信息資源支持學(xué)生“學(xué)”的建構(gòu)主義教學(xué)設(shè)計(jì)基本原則。

4.分享交流與評(píng)價(jià)

學(xué)生可以與其他學(xué)生分享自己的設(shè)計(jì)思路，展示自己的作品，相互之間可以交流參加制作模型之后的心得。在向他人展示分享之后，教師和其他學(xué)生可以對(duì)該作品進(jìn)行客觀公允的評(píng)價(jià)，指出作品的成功與不足之處。該階段是學(xué)生與學(xué)生之間相互學(xué)習(xí)、取長(zhǎng)補(bǔ)短的階段，也是學(xué)生開始自我反思的階段。據(jù)Spencer Barnes教授所說(shuō)，學(xué)生們的成果是優(yōu)秀的和多樣化的，一些人物動(dòng)作模型是受電影的啟發(fā)，其他的則是學(xué)生們的原創(chuàng)。人物動(dòng)作模型功能正常，雖是靜態(tài)的姿勢(shì)，卻傳達(dá)出很強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)感。最終階段遵循了建構(gòu)主義理論中以學(xué)生為中心的原則，以及強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)過(guò)程的最終目的是完成意義建構(gòu)(而非完成教學(xué)目標(biāo))的原則。[8]

3D打印機(jī)使師生完成了看起來(lái)幾乎不可能完成的事情，那就是制作可活動(dòng)的動(dòng)作玩偶，而且成本較低，不用通過(guò)服務(wù)機(jī)構(gòu)，也不會(huì)產(chǎn)生相關(guān)的延時(shí)和生產(chǎn)成本。3D打印機(jī)有效地實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)人員的想法可視化，以推動(dòng)設(shè)計(jì)流程走向創(chuàng)新。它為設(shè)計(jì)者評(píng)估和優(yōu)化他們的模型提供了精確參考。

四、總結(jié)

隨著智能技術(shù)的發(fā)展，3D打印技術(shù)也將逐漸走向成熟，“任何技術(shù)都傾向于創(chuàng)造一個(gè)新的人類環(huán)境”，3D打印技術(shù)將繼續(xù)在教育領(lǐng)域熠熠生輝。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，對(duì)3D打印技術(shù)的研究有助于我們把握和預(yù)見(jiàn)技術(shù)在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用方式和應(yīng)用前景，并進(jìn)一步探討如何充分發(fā)揮新技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，通過(guò)技術(shù)在教育中的應(yīng)用體現(xiàn)和提升其價(jià)值。[9]從建構(gòu)主義的視角表明，3D打印在教育中的應(yīng)用充分體現(xiàn)了“以學(xué)生為中心”以及其他建構(gòu)主義教學(xué)設(shè)計(jì)原則，促進(jìn)了教育創(chuàng)新。

[1]3D打印[J].上海教育,2013(26):22-24.

[2]李青,王青.3D打印:一種新興的學(xué)習(xí)技術(shù)[J].遠(yuǎn)程教育雜志,2013,(4):29-35.

[3]Stratasys.North Carolina State U Case Study[EB/OL].2013-03-15.http://www.stratasys.com/resources/case-studies/education/north-carolina-state.

[4][7]Johnson,L.,Adams Becker,S.,Cummins,M.,etal(2013).NMC Horizon Report:2013Higher Education Edition.Austin,Texas：The New Media Consortium.(參見(jiàn)中文版:張鐵道,殷丙山等譯.國(guó)際教育信息化2013地平線報(bào)告(高等教育版)[J].北京廣播電視大學(xué)學(xué)報(bào),2013,(2):8-30.

[5][9]王萍.3D打印及其教育應(yīng)用初探[J].中國(guó)遠(yuǎn)程教育,2013,(8):83-87.

[6][8]何克抗.建構(gòu)主義的教學(xué)模式、教學(xué)方法與教學(xué)設(shè)計(jì)[J].北京:北京師范大學(xué)學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版),1997,(5):74-81.