3D打印與三維創(chuàng)意設(shè)計(jì)課程牽引下的創(chuàng)新課程體系研究

高勇 劉娜

我國(guó)基礎(chǔ)教育階段對(duì)學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)是：培養(yǎng)出全面而富有個(gè)性發(fā)展的人。從技術(shù)的角度來(lái)分析，在我國(guó)基礎(chǔ)教育階段最需要提升的是學(xué)生規(guī)范的設(shè)計(jì)能力和設(shè)計(jì)思想。技術(shù)教育要在充分保證學(xué)生安全的情況下進(jìn)行，要教會(huì)學(xué)生規(guī)范地理解技術(shù)、使用技術(shù)。現(xiàn)代化技術(shù)加工手段的應(yīng)用是培養(yǎng)學(xué)生技術(shù)能力的最有效解決措施。學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的核心是要教會(huì)學(xué)生運(yùn)用科學(xué)的方法去思考、去創(chuàng)新。中小學(xué)的技術(shù)教育要跟上時(shí)代發(fā)展的步伐，就要讓學(xué)生認(rèn)識(shí)、了解和應(yīng)用先進(jìn)的加工技術(shù)。

中小學(xué)“3D打印”與“三維創(chuàng)意設(shè)計(jì)”課程發(fā)展現(xiàn)狀分析

1.“3D打印”與“3D打印課程”

3D打印，也稱“三維打印”（3D printing），是一種快速成形技術(shù)，它是一種以數(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，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)。過(guò)去其常在模具制造、工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域被用于制造模型，現(xiàn)正逐漸用于一些產(chǎn)品的直接制造。

3D打印課程是以3D打印技術(shù)或3D打印機(jī)應(yīng)用為主的課程。目前，根據(jù)對(duì)3D打印概念不同角度的理解，此類課程在義務(wù)教育階段主要以三種形式呈現(xiàn)。第一，以3D打印機(jī)硬件探究為基礎(chǔ)的課程。課程讓學(xué)生近距離地了解、學(xué)習(xí)、組裝、設(shè)計(jì)3D打印機(jī)。第二，以3D模型打印為基礎(chǔ)的課程。學(xué)生在初步學(xué)習(xí)3D打印技術(shù)后，利用網(wǎng)絡(luò)對(duì)感興趣的或有需求的模型進(jìn)行檢索，進(jìn)而在模型下載后應(yīng)用3D打印機(jī)，最終將模型實(shí)體化，并進(jìn)行表面渲染的學(xué)習(xí)過(guò)程。第三，以“傻瓜型”三維設(shè)計(jì)軟件為基礎(chǔ)的課程。學(xué)生利用不同類型的三維設(shè)計(jì)軟件，快速搭建某種類型的簡(jiǎn)易模型，最終利用3D打印機(jī)將設(shè)計(jì)實(shí)體化的過(guò)程。

2.“三維設(shè)計(jì)”與“三維創(chuàng)意設(shè)計(jì)課程”

三維設(shè)計(jì)，是通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）或計(jì)算機(jī)動(dòng)畫建模軟件建立立體的、有光的、有色的生動(dòng)畫面，虛擬逼真地表達(dá)大腦中的產(chǎn)品設(shè)計(jì)效果。它是建立在平面和二維設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，讓設(shè)計(jì)目標(biāo)更立體化、形象化的一種新興設(shè)計(jì)方法。

三維創(chuàng)意設(shè)計(jì)課程是以三維設(shè)計(jì)軟件和3D打印機(jī)應(yīng)用為主的課程。此類課程在義務(wù)教育階段主要以兩種形式呈現(xiàn)。第一，以專業(yè)三維設(shè)計(jì)軟件的學(xué)習(xí)為基礎(chǔ)的課程。學(xué)生在學(xué)習(xí)應(yīng)用專業(yè)三維設(shè)計(jì)軟件的過(guò)程中，根據(jù)不同開(kāi)放性的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行探究式設(shè)計(jì)并應(yīng)用3D打印機(jī)將設(shè)計(jì)模型實(shí)體化的學(xué)習(xí)過(guò)程。第二，以簡(jiǎn)易三維設(shè)計(jì)軟件的學(xué)習(xí)為基礎(chǔ)的課程。學(xué)生在完成某項(xiàng)任務(wù)或項(xiàng)目中學(xué)會(huì)并應(yīng)用簡(jiǎn)易三維設(shè)計(jì)軟件的某項(xiàng)或某幾項(xiàng)功能完成作品設(shè)計(jì)，并通過(guò)3D打印機(jī)將設(shè)計(jì)實(shí)體化的學(xué)習(xí)過(guò)程。

中小學(xué)“3D打印”與“三維創(chuàng)意設(shè)計(jì)”課程實(shí)踐發(fā)展研究

1. 學(xué)具、教具方面對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)基礎(chǔ)學(xué)科的支撐

“3D打印”與“三維創(chuàng)意設(shè)計(jì)”課程與中小學(xué)具體學(xué)科教學(xué)最恰當(dāng)?shù)慕Y(jié)合點(diǎn)在于學(xué)具或教具的制作與研發(fā)。在語(yǔ)文學(xué)科中，學(xué)生不用跋山涉水就能感受到趙州橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的精妙；不用身臨其境就能理解人民大會(huì)堂的結(jié)構(gòu)和功能。在數(shù)學(xué)學(xué)科中，可以幫助學(xué)生輕松認(rèn)識(shí)幾何體之間的相互關(guān)系；毫不費(fèi)力地理解圓柱體攔腰斜切一刀后得到的幾何圖形。在英語(yǔ)學(xué)科，可以讓學(xué)生迅速地建立對(duì)某種陌生物品的感性認(rèn)識(shí)，從而加深對(duì)單詞的記憶。在物理學(xué)科，電子元件模型的打印與應(yīng)用能夠幫助學(xué)生更好地理解抽象的電路圖原理。在化學(xué)學(xué)科，原子體積的等比例放大，分子結(jié)構(gòu)模型的搭建幫助學(xué)生從宏觀模型認(rèn)識(shí)到微觀的知識(shí)。在地理學(xué)科，仿真的星球位置關(guān)系模型很好地為學(xué)生詮釋了日食、月食和節(jié)氣的概念。在生物學(xué)科，動(dòng)物內(nèi)臟的拼裝模型加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)器官結(jié)構(gòu)和位置的理解。除此以外，無(wú)論是授課教師還是學(xué)生都能夠根據(jù)自己的實(shí)際需求利用三維設(shè)計(jì)軟件開(kāi)發(fā)出最適合自己的學(xué)具或教具。

2. 玩具生活方面對(duì)學(xué)生情商的培養(yǎng)

“愛(ài)玩”是基礎(chǔ)教育階段絕大多數(shù)學(xué)生的特性。如何做到有知識(shí)地“玩”？如何做到有內(nèi)涵地“玩”？如何做到有水平地“玩”？如何做到有創(chuàng)意地“玩”？如何做到有文化地“玩”？如何做到有益于他人地“玩”？這些其實(shí)都可以通過(guò)“3D打印”或“三維創(chuàng)意設(shè)計(jì)”課程的開(kāi)設(shè)對(duì)學(xué)生進(jìn)行積極、正面的引導(dǎo)。例如，學(xué)生喜歡玩“悠悠球”，我們可以引導(dǎo)他們自己進(jìn)行設(shè)計(jì)，而不是到市場(chǎng)上去比價(jià)格、比品牌；學(xué)生喜歡玩四旋翼飛行器，我們可以鼓勵(lì)他們買來(lái)電子元件，利用三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行自主設(shè)計(jì)；學(xué)生需要養(yǎng)成理財(cái)和節(jié)儉的習(xí)慣，我們可以發(fā)動(dòng)他們自己來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)精巧的存錢罐；學(xué)生需要表達(dá)對(duì)學(xué)校的熱愛(ài)，我們可以組織一次設(shè)計(jì)?；栈虬嗷盏幕顒?dòng)，從中讓他們感受自己主人翁的意識(shí)；學(xué)生親近、熱愛(ài)大自然，我們可以調(diào)動(dòng)他們用三維設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)一個(gè)花盆，并種上一顆希望的種子；學(xué)生需要關(guān)心父母，我們可以組織他們?yōu)楦改冈O(shè)計(jì)一款愛(ài)心小禮物；學(xué)生需要交流，我們可以組織他們開(kāi)展一場(chǎng)名片設(shè)計(jì)大賽?？傊?，原來(lái)覺(jué)得只能停留在想象當(dāng)中的事物，通過(guò)“3D打印”與“三維創(chuàng)意設(shè)計(jì)”課程都變成了現(xiàn)實(shí)。

3. 技術(shù)規(guī)范性方面對(duì)學(xué)生行為習(xí)慣的塑造

三維設(shè)計(jì)軟件與3D打印機(jī)的學(xué)習(xí)與應(yīng)用，能夠在安全的實(shí)踐操作環(huán)境下，最大限度地保證設(shè)計(jì)產(chǎn)品的規(guī)范性。在工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，出現(xiàn)1mm的誤差，就有可能會(huì)造成重大的設(shè)計(jì)失誤。在基礎(chǔ)教育階段，我們一方面不希望把學(xué)生培養(yǎng)成技術(shù)工人，另一方面也不愿看到學(xué)生設(shè)計(jì)制作的產(chǎn)品外觀粗糙，結(jié)構(gòu)松散，不具備實(shí)用性，也不能進(jìn)行產(chǎn)品測(cè)試。三維設(shè)計(jì)與3D打印等先進(jìn)技術(shù)手段的應(yīng)用，在實(shí)踐中教會(huì)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)，教會(huì)學(xué)生思考，教會(huì)學(xué)生專注，教會(huì)學(xué)生反復(fù)驗(yàn)證，培養(yǎng)學(xué)生邏輯思考能力！

中小學(xué)實(shí)施創(chuàng)新課程可行性研究

“創(chuàng)新課程”我們可以理解為：在基礎(chǔ)教育階段，以培養(yǎng)創(chuàng)新人才為目標(biāo)，在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維與創(chuàng)新能力的過(guò)程中，采用新方法、新技術(shù)、新材料，應(yīng)用多種手段、多種途徑，綜合多學(xué)科知識(shí)與技能的新型課程。創(chuàng)新課程是在充分調(diào)動(dòng)學(xué)生探究能力、創(chuàng)造欲望的前提下，以培養(yǎng)和提高學(xué)生創(chuàng)造潛能和人文素養(yǎng)為主的綜合性課程。

1. 創(chuàng)新課程在我國(guó)中小學(xué)實(shí)施的必然性

STEM或STEAM教育更強(qiáng)調(diào)學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中的跨學(xué)科性和綜合性；創(chuàng)客教育更加注重項(xiàng)目教學(xué)法的應(yīng)用，更加注重技術(shù)與工程的設(shè)計(jì)過(guò)程。可以說(shuō)，創(chuàng)客教育是STEM或STEAM教育的更深入體現(xiàn)形式，是我們發(fā)展學(xué)生實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力的一種良好方式。

但從我國(guó)基礎(chǔ)教育的整體發(fā)展脈絡(luò)進(jìn)行分析，上述兩種培養(yǎng)模式從短期來(lái)看都有其發(fā)展的瓶頸。首先，無(wú)論是國(guó)外還是國(guó)內(nèi)，STEM型教師（具備跨學(xué)科知識(shí)與能力素養(yǎng)的教師）的培養(yǎng)是一件非常困難的事情，教師數(shù)量與水平的嚴(yán)重不足會(huì)導(dǎo)致STEM教育最終陷入困境。其次，創(chuàng)客教育強(qiáng)調(diào)項(xiàng)目教學(xué)法的應(yīng)用，基于項(xiàng)目的教學(xué)法勢(shì)必會(huì)打破知識(shí)的系統(tǒng)性，使學(xué)生在知識(shí)學(xué)習(xí)的過(guò)程中，出現(xiàn)不連續(xù)的或重復(fù)的學(xué)習(xí)。最終導(dǎo)致學(xué)生的知識(shí)體系出現(xiàn)斷層，學(xué)習(xí)時(shí)間不能得到高效的利用。

我國(guó)的基礎(chǔ)教育在世界范圍內(nèi)處于領(lǐng)先地位，世界各國(guó)在學(xué)習(xí)和效仿我國(guó)基礎(chǔ)教育體系的發(fā)展。從STEM或STEAM的角度出發(fā)進(jìn)行分析，我國(guó)基礎(chǔ)教育階段在數(shù)學(xué)、科學(xué)及廣義的藝術(shù)領(lǐng)域方面的發(fā)展均處于世界領(lǐng)先的地位。我們?cè)诩夹g(shù)和工程方面對(duì)于學(xué)生的培養(yǎng)還略有不足。因此，在基礎(chǔ)教育階段，我們可以嘗試根據(jù)不同學(xué)段學(xué)生的特點(diǎn)和實(shí)際需求，從學(xué)科角度與創(chuàng)客教育的角度出發(fā)，研發(fā)出一些具有可行性的“創(chuàng)新課程”，不斷彌補(bǔ)原有基礎(chǔ)教育的不足。

2. 創(chuàng)新課程提升學(xué)生創(chuàng)新思維與創(chuàng)新能力

許多腦科學(xué)研究證明，對(duì)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新思維與創(chuàng)新能力訓(xùn)練，將會(huì)對(duì)開(kāi)發(fā)人的右腦有非常大的作用。右腦的信息處理能力如果被開(kāi)發(fā)出來(lái)，那么人的創(chuàng)新能力將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)大的飛躍。因此，在我國(guó)要提升中小學(xué)生的創(chuàng)新思維與創(chuàng)新能力，最有效的解決措施就是有針對(duì)性地研發(fā)一系列的創(chuàng)新課程。

創(chuàng)新課程的研發(fā)必須要從兩個(gè)方面進(jìn)行努力，一方面是側(cè)重研究創(chuàng)新思維，目的在于幫助學(xué)生學(xué)會(huì)科學(xué)地進(jìn)行創(chuàng)新思考；另一方面是側(cè)重研究創(chuàng)新能力， 目的在于幫助學(xué)生學(xué)會(huì)創(chuàng)造所需要的各項(xiàng)能力。

3. 創(chuàng)新課程的研發(fā)策略

創(chuàng)新課程的研發(fā)離我們究竟有多遠(yuǎn)？一所學(xué)校、一名普通教師又該如何進(jìn)行創(chuàng)新課程的研發(fā)呢？其實(shí)，創(chuàng)新課程的研發(fā)就在我們身邊，我們每一位中小學(xué)的教育工作者都有能力進(jìn)行研發(fā)。在對(duì)現(xiàn)有創(chuàng)新課程相關(guān)資料的了解后，我們總結(jié)出了一些基本的研發(fā)策略供大家參考。

（1）國(guó)家課程的二度開(kāi)發(fā)。由于學(xué)?；蚪處焸€(gè)人的特質(zhì)差異和學(xué)生的需求差異，我們對(duì)國(guó)家課程的理解和研究專長(zhǎng)也有所不同。我們可以利用自身的優(yōu)勢(shì)資源對(duì)國(guó)家課程進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的充實(shí)與補(bǔ)充，通過(guò)有針對(duì)性的探究活動(dòng)的設(shè)計(jì)，豐富學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程，把課本中的封閉型知識(shí)轉(zhuǎn)化為開(kāi)放性問(wèn)題。隨著課程的日積月累和集思廣益，最終形成富有個(gè)性的校本或有地方性特色“創(chuàng)新課程”。

（2）注重學(xué)習(xí)者的實(shí)際需求，有針對(duì)性地研發(fā)課程。課程的研發(fā)不能盲目進(jìn)行，研發(fā)出的內(nèi)容要讓學(xué)習(xí)者感興趣。一方面，我們可以提供給學(xué)習(xí)者一些課程的菜單；另一方面，我們可以廣泛征集學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)愿望，結(jié)合學(xué)校自身特色和能力，有選擇地研發(fā)創(chuàng)新課程。

（3）緊跟時(shí)代發(fā)展步伐，抓住世界發(fā)展中的熱點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行課程研發(fā)。教育要跟上時(shí)代發(fā)展的腳步，僅僅依靠國(guó)家課程是非常困難的。我們要善于捕獲社會(huì)發(fā)展中的熱點(diǎn)信息，以專題的形式組織人員進(jìn)行專業(yè)進(jìn)修，再結(jié)合自身特點(diǎn)和學(xué)習(xí)者特點(diǎn)，降低難度進(jìn)行創(chuàng)新課程的研發(fā)。

（4）專家引領(lǐng)與科研課題結(jié)合進(jìn)行課程研發(fā)。在專業(yè)技術(shù)能力不足的時(shí)候，我們還可以聘請(qǐng)相關(guān)方面的專家與學(xué)校教師一同進(jìn)行專項(xiàng)課程研發(fā)的課題研究，用科研方法去研發(fā)“創(chuàng)新課程”。

4. 創(chuàng)新課程應(yīng)利用STEAM與創(chuàng)客教育的核心思想對(duì)學(xué)生進(jìn)行有效性評(píng)價(jià)

創(chuàng)新課程與以往學(xué)科課程的最本質(zhì)區(qū)別在于：學(xué)科課程更多地強(qiáng)調(diào)求同思維，學(xué)生們最終得出的結(jié)論往往是趨同的；創(chuàng)新課程倡導(dǎo)求異思維，強(qiáng)調(diào)學(xué)生最終作品的個(gè)性化。評(píng)價(jià)是每一門課程未來(lái)發(fā)展方向的重要引導(dǎo)性指標(biāo)。在求異思維的引領(lǐng)下，利用STEAM多元化、跨學(xué)科的特性對(duì)學(xué)生的作品進(jìn)行評(píng)價(jià)，將有助于提升學(xué)生的全面發(fā)展。將創(chuàng)客教育思想融入創(chuàng)新課程的評(píng)價(jià)體系中，將有助于激發(fā)學(xué)生從各個(gè)學(xué)科角度有個(gè)性地去創(chuàng)新。STEAM與創(chuàng)客教育的核心思想的融合將有助于我們利用創(chuàng)新課程培養(yǎng)出全面而富有個(gè)性發(fā)展的人才。

中小學(xué)創(chuàng)新課程研發(fā)與發(fā)展，將是未來(lái)中國(guó)創(chuàng)客教育領(lǐng)域中的一個(gè)不可或缺的重要組成部分。它實(shí)踐著將教育目標(biāo)從知識(shí)與能力的培養(yǎng)，逐步轉(zhuǎn)向?qū)W(xué)生價(jià)值觀的培養(yǎng)；實(shí)踐著將教育內(nèi)容以課程本位的思想逐步轉(zhuǎn)向?qū)W生本位的思想；實(shí)踐著將教育方式從全民教育逐步轉(zhuǎn)向全民學(xué)習(xí)的方式。這些轉(zhuǎn)變將促使我們傳統(tǒng)的學(xué)校教學(xué)模式發(fā)生根本性的變革，學(xué)生想學(xué)什么內(nèi)容，未來(lái)我們就要提供什么樣的課程；學(xué)生想怎樣學(xué)，未來(lái)我們就要提供怎樣的學(xué)習(xí)方式。學(xué)生將從教育的消費(fèi)者變?yōu)榻逃膭?chuàng)造者；從教育的被評(píng)價(jià)者轉(zhuǎn)變成為教育真正的主人！

（作者單位：北京市東城區(qū)教育研修學(xué)院 北京市東城區(qū)國(guó)際教育交流中心）