明明白白看懂3D打印

楊曉哲

在全球經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的今天，人們所面臨的挑戰(zhàn)越來越多，學(xué)生需要學(xué)習(xí)的技能和20年前相比已經(jīng)大不相同了。而從傳統(tǒng)教育走來的教師，面對新時(shí)代的學(xué)生，其間的差異和挑戰(zhàn)可想而知。當(dāng)我們預(yù)感到越來越多的新技術(shù)將成為未來的關(guān)鍵技術(shù)時(shí)，能否讓學(xué)生去接觸，能否引導(dǎo)學(xué)生更深入地探索，直接決定了學(xué)生創(chuàng)新能力的強(qiáng)弱。如果學(xué)生們能夠在小時(shí)候就接觸新技術(shù)，并用來深入地探索生活中的問題，甚至是對科學(xué)與藝術(shù)領(lǐng)域有了新的學(xué)習(xí)切入口，那么，每一位學(xué)生都將成為一個(gè)有創(chuàng)造力的人。要知道，比爾·蓋茨小時(shí)候曾接觸了當(dāng)時(shí)世界上僅有的幾臺(tái)計(jì)算機(jī)，這對比爾·蓋茨的一生產(chǎn)生了至關(guān)重要的影響。

3D打印技術(shù)就是這些新興技術(shù)中的一項(xiàng)?！督?jīng)濟(jì)學(xué)人》雜志認(rèn)為3D打印技術(shù)將成為第三次工業(yè)革命的關(guān)鍵性技術(shù)，將改變大規(guī)模生產(chǎn)的方式。3D打印技術(shù)即快速成型技術(shù)的一種，它是以一種數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通常通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)?？焖俪尚图夹g(shù)是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的一種制造新技術(shù)。3D打印機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)從計(jì)算機(jī)的軟件設(shè)計(jì)虛擬三維模型到打印出實(shí)物的功能，具有打印精度高、易用性、個(gè)性化等特點(diǎn)。3D打印機(jī)所采用的材料基本是一些可以發(fā)生固化反應(yīng)的材料。如今，可以用作3D打印材料的原材料更加多樣化，包括陶瓷、金屬、樹脂、塑料、高纖維等，甚至包括人體細(xì)胞培養(yǎng)液。3D打印機(jī)的種類豐富，根據(jù)目前的應(yīng)用可分為兩大類：一類是粉劑3D打印機(jī)，另一類是噴塑3D打印機(jī)。

粉劑3D打印機(jī)是通過使用粉劑材料和添加劑來創(chuàng)建對象的連續(xù)層，并以疊加工藝的方式，一層一層地構(gòu)建實(shí)體。每一層的打印過程均分為兩步：先在需要成型的區(qū)域噴灑一層特殊膠水，膠水液滴本身不大，且不易擴(kuò)散；然后噴灑一層均勻的粉末，粉末遇到膠水后會(huì)迅速固化黏結(jié)，而沒有膠水的區(qū)域仍保持松散狀態(tài)。這樣在一層膠水一層粉末的交替下，打印成型。打印結(jié)束后只需掃除松散的粉末即可得到模型，而剩余粉末還可以循環(huán)利用。

噴塑3D打印機(jī)的工作原理采取逐層累積的方式。這種方式類似于制作奶油蛋糕的方式，逐步累加上來。但是，3D打印機(jī)需要預(yù)先知道如何進(jìn)行累加，累加成什么樣子。首先，需要在計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)三維模型。而后，將三維模型的數(shù)據(jù)傳送到3D打印機(jī)，打印機(jī)將液態(tài)材料傳送至打印頭，利用打印頭在一個(gè)托盤上噴出超薄的液體層，并經(jīng)過紫外線照射進(jìn)而凝固。

3D打印運(yùn)用于教育教學(xué)中有多種方式。隨著近幾年3D打印技術(shù)的成熟，以及教育工作者的參與，國內(nèi)已經(jīng)有非常多的學(xué)校將3D打印技術(shù)納入到自己的課程體系中，或是出現(xiàn)在不同課程中作為工具使用。有的學(xué)校采取獨(dú)立開設(shè)3D打印設(shè)計(jì)的校本課程，供感興趣的學(xué)生選修學(xué)習(xí)。課程重點(diǎn)基本是掌握桌面級3D打印技術(shù)，并在生活中發(fā)現(xiàn)問題，用3D打印技術(shù)改造事物。也有的學(xué)校將課程重點(diǎn)放在了3D打印技術(shù)與各個(gè)學(xué)科的緊密結(jié)合上，開發(fā)出了不同的3D打印專題領(lǐng)域，包括藝術(shù)類、工程類、科學(xué)類等。還有的學(xué)校甚至將3D打印課程設(shè)置為全年級必修課，給全體學(xué)生更多接觸3D打印技術(shù)、運(yùn)用3D打印技術(shù)的機(jī)會(huì)。

無論以何種方式開展課程，3D打印課程對于學(xué)生來說重點(diǎn)培養(yǎng)的是他們在四方面的能力：空間思維能力、工程改造能力、科學(xué)探究能力和藝術(shù)表達(dá)能力。這四方面的能力并非3D打印課程必須涵蓋的，而是需要在課程深入實(shí)施過程中根據(jù)學(xué)生不同個(gè)性與需求去不斷激發(fā)的。

空間思維能力。學(xué)生在初步接觸三維軟件建模過程中，需要不斷嘗試、試錯(cuò)、驗(yàn)證并尋找空間規(guī)律?？臻g立體思維是建立在真實(shí)三維的場景中的，但是在創(chuàng)建過程中還需要綜合考慮平面透視原理。學(xué)生需要巧妙地運(yùn)用各種切割、推拉、延展、分段、旋轉(zhuǎn)、跟蹤軌跡等工具的，創(chuàng)建不同的三維模型。學(xué)生對點(diǎn)線面有了更進(jìn)一步的認(rèn)識之后，對空間中點(diǎn)線面的關(guān)系才會(huì)有更多可操作性的體會(huì)。

工程改造能力。3D打印技術(shù)可以打印出各種各樣的物件，但是大部分物件需要符合最基本的工程力學(xué)原理、工程結(jié)構(gòu)原理等。通過對不同難度的物件創(chuàng)造，學(xué)生們能在動(dòng)手實(shí)踐與模型設(shè)計(jì)修復(fù)中不斷提升自己的工程改造能力。

科學(xué)探究能力。學(xué)生們可以將科學(xué)原理運(yùn)用于具體的科學(xué)探究活動(dòng)中，借助3D打印技術(shù)能夠更加深入地實(shí)現(xiàn)不同場景的驗(yàn)證過程。學(xué)生們通過設(shè)計(jì)模型投入實(shí)驗(yàn)場景，根據(jù)實(shí)驗(yàn)場景反饋數(shù)據(jù)改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，再到具體的實(shí)驗(yàn)場景。3D打印技術(shù)讓過去很多只能停留于紙面的公式驗(yàn)算，變成了可以“看得見，摸得著”的具體驗(yàn)證?；谠O(shè)計(jì)的科學(xué)探究有了進(jìn)一步的發(fā)展。

藝術(shù)表達(dá)能力。3D打印作為一種工具，同樣可以延伸為一種藝術(shù)表達(dá)工具。學(xué)生可以根據(jù)自己的喜好，將3D打印作為一種新的藝術(shù)表達(dá)形式，創(chuàng)作出更多樣化的作品。

總之，3D打印技術(shù)是一門新興的技術(shù)，其技術(shù)本身還遠(yuǎn)沒有定型。3D打印技術(shù)運(yùn)用于教育也是如此，在不確定中尋找其教育與學(xué)習(xí)的意義。從技術(shù)本身來說，學(xué)習(xí)3D打印技術(shù)有助于學(xué)生們空間思維能力的增強(qiáng)。而從更廣泛的跨學(xué)科項(xiàng)目角度延伸出去，又有助于培養(yǎng)學(xué)生的工程改造能力、科學(xué)探究能力和藝術(shù)表達(dá)能力?；蛟S在這樣一個(gè)快速發(fā)展的時(shí)代，教師和學(xué)生一起擁抱新技術(shù)，一起尋得新的意義本身就是一個(gè)非常有價(jià)值又讓人充滿幸福的教育過程。