“比賽化”3D打印教學(xué)的探索與實踐

摘 要：隨著3D打印技術(shù)的不斷成熟，當(dāng)前已經(jīng)在中小學(xué)教育中得到了廣泛的應(yīng)用。在中學(xué)開展3D打印教學(xué)，應(yīng)打破固定的課時，面向真實的情境。開展“比賽化”的3D打印教學(xué)，通過多學(xué)科融合、團(tuán)隊合作和答辯機(jī)制等手段，從設(shè)計思維、社會參與感、表達(dá)能力和邏輯思維能力等方面，全面提升中學(xué)生核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：3D打印；核心素養(yǎng)；多學(xué)科融合；團(tuán)隊合作

作者簡介：陸少超，浙江省寧波市鎮(zhèn)海蛟川書院教師。（浙江 寧波 315200）

基金項目：本文系寧波市教育科學(xué)規(guī)劃課題“STEAM視野下的‘i暢想工坊的實踐與研究”（項目編號：2016年YGH-162）的階段性研究成果之一。

中圖分類號：G40-057 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-0568（2018）25-0053-03

3D打印，即一種快速成型技術(shù)，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。目前，無論是小巧靈活的3D打印筆，還是高端大氣的3D打印機(jī)，在學(xué)校教育教學(xué)中已經(jīng)非常普及，[1]大部分學(xué)校都開設(shè)了“3D打印課程”。但是這些課程往往只停留在教學(xué)表面，教會了學(xué)生單一的技術(shù)能力，卻忽略了對學(xué)習(xí)者核心素養(yǎng)的關(guān)注和培養(yǎng)。

課堂是主體，課外是延伸，3D打印教育不應(yīng)該僅僅停留在課堂教學(xué)階段，還應(yīng)該給學(xué)生創(chuàng)造參加3D打印比賽的機(jī)會。3D打印比賽一般都有一個明確的主題，這個主題從未來的生產(chǎn)和生活角度出發(fā)，搭建某種建筑型結(jié)構(gòu)，或者實現(xiàn)某種特殊型功能。比賽分為多個階段，如設(shè)計階段、打印階段、答辯階段，這不僅豐富了3D打印教學(xué)的內(nèi)容，而且在每個階段都可以融入對中學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)和實踐。筆者認(rèn)為，“比賽化”的3D打印教學(xué)，從設(shè)計、測試、答辯三個階段，實現(xiàn)了對中學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

一、3D打印比賽之設(shè)計階段——多學(xué)科融合，助推學(xué)生的設(shè)計思維

根據(jù)主題，3D打印在作品的設(shè)計階段，學(xué)生需要運用數(shù)學(xué)知識計算出各部件的尺寸，結(jié)合物理知識設(shè)計各部件之間的鏈接結(jié)構(gòu)，并運用信息技術(shù)能力在建模軟件中繪制出3D模型，最后還要從美學(xué)的角度修改3D模型，使其更貼近生活實際。除此之外，建議和鼓勵知識儲備豐富的學(xué)生結(jié)合諸如仿生學(xué)、工程學(xué)、建筑學(xué)等各方面的知識來進(jìn)一步拓展設(shè)計思維。由此可見，在3D打印比賽的設(shè)計階段，充分發(fā)揮多學(xué)科融合的作用力來助推學(xué)生的設(shè)計思維，是可行且必要的。

例如，在深圳舉行的2017年3D打印創(chuàng)新設(shè)計與制造挑戰(zhàn)賽中，賽題為“天梯挑戰(zhàn)”——太空電梯自20世紀(jì)70年代提出來之后，不斷有科學(xué)家提出新的設(shè)計方案并做出種種嘗試，請運用150克3D打印材料（PLA），構(gòu)建一座盡可能高的“天梯”，并且能夠承受不少于2.1千克砝碼的壓力不垮塌或斷裂。這個比賽主題有三大要點：①層層疊高的塔式結(jié)構(gòu)；②在有限材料范圍內(nèi)承重能力越強(qiáng)越好；③高度越高越好。對此，有的學(xué)生在3D設(shè)計思路上提出“碳60”的想法（如圖1），這是一種足球狀的結(jié)構(gòu)，具有強(qiáng)度高、外觀美等許多優(yōu)異性能，并且巧妙地將化學(xué)知識引入到建筑中來；有的學(xué)生對中國古代建筑感興趣，在3D設(shè)計思路上提出“榫卯”結(jié)構(gòu)的想法（如圖2），外觀非常精致，這種凹凸相扣式的結(jié)構(gòu)不但可以承受較大的荷載，而且允許產(chǎn)生一定的變形，合理地將古建筑文明碩果應(yīng)用于未來設(shè)計。以這兩種創(chuàng)意為代表的設(shè)計是對多學(xué)科融合的最佳詮釋，更體現(xiàn)了自然和人文的相互交融。

設(shè)計思維是以解決方案為導(dǎo)向的思維形式，它不是從某個問題入手，而是從目標(biāo)或者要達(dá)成的效果著手探究問題的解決方案，是一種獨特的“在行動中進(jìn)行創(chuàng)意思考”的方式。要推動學(xué)生設(shè)計思維的培養(yǎng)和發(fā)展，需要教師善于挖掘3D設(shè)計中豐富的文化信息和思維內(nèi)涵。在3D設(shè)計過程中，教師要激發(fā)學(xué)生的想象力，不僅鼓勵學(xué)生發(fā)揮數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)等理科類學(xué)科培養(yǎng)的邏輯推理和抽象思維，還要融入語文、歷史、美術(shù)等文科類學(xué)科的直覺感受和形象思維，[2]為創(chuàng)新打開設(shè)計思維之門。

二、3D打印比賽之測試階段——團(tuán)隊合作，提升學(xué)生的社會參與感

3D打印比賽體現(xiàn)時代進(jìn)步，反映現(xiàn)實社會生活，符合學(xué)生的興趣和要求。相較于普通的3D打印課堂而言，比賽是一種將團(tuán)隊合作的教育思想落到實處的活動，其實質(zhì)是根據(jù)學(xué)生個體間的差異分配任務(wù)，明確個人職責(zé)，分工到位。參賽者需要組成3～4人的團(tuán)隊，從草圖設(shè)計、物理計算、3D模型繪制、3D打印機(jī)操作等職責(zé)中挑選各自擅長的任務(wù)，共同完成一個3D成品。在3D打印測試階段，團(tuán)隊成員之間的互動可以在最大程度上提升學(xué)生的社會參與感。

為了培養(yǎng)團(tuán)隊合作精神，教師應(yīng)該傳遞給學(xué)生的思想是：所有的設(shè)計創(chuàng)作沒有對錯之分，必須通過實際打印出物體模型后才能檢驗合不合理，即“建?！蛴　俳！钡牡^程。例如，“天梯挑戰(zhàn)”賽中，負(fù)責(zé)3D打印機(jī)操作的學(xué)生打印出實物后，放到現(xiàn)實環(huán)境中測試其是否滿足要求。結(jié)果發(fā)現(xiàn)第一次設(shè)計的天梯（如圖3）由于橫向連接件太細(xì)，使得整個天梯在測試承重時，未達(dá)到2.1千克就垮塌了。根據(jù)這一測試結(jié)果，問題被反饋到負(fù)責(zé)草圖設(shè)計的學(xué)生那里，由他和負(fù)責(zé)物理計算的同學(xué)探討改進(jìn)方案。改進(jìn)后的天梯部件（如圖4），其縱向連接件變細(xì)，橫向連接件加粗，同時再增加一圈三角形。這一改進(jìn)方案再交由負(fù)責(zé)3D模型繪制的學(xué)生修改，完成作品的“再建?！比蝿?wù)。最后由負(fù)責(zé)3D打印機(jī)操作的學(xué)生再次打印并實際測試。整個過程如同一個市場化的產(chǎn)業(yè)鏈，每個“部門”（學(xué)生）各司其職，3D測試工作井然有序地開展，作品修改可能要反復(fù)好多次，直至滿足實用性指標(biāo)。通過打印實現(xiàn)、實地測試、修改模型、重新測試等幾個環(huán)節(jié)，“比賽化”的3D打印教學(xué)活動讓學(xué)生體驗到了團(tuán)隊合作的真正意義。

通過團(tuán)隊合作提升學(xué)生的社會參與感，這就需要教師善于把握自己在3D打印比賽中的角色。教師既不是旁觀者，也不是控制者，而是適時的指點者。在實際測試作品遇到問題時，學(xué)生往往第一時間想到求助教師，如果此時給予幫助給出答案，無異于扼殺了學(xué)生團(tuán)隊合作的機(jī)會；相反，教師在此時給予引導(dǎo)，使他們集體進(jìn)入“建模——打印——再建?！钡牡^程，就等同于把主動權(quán)交還給學(xué)生，在生生互助和產(chǎn)出過程中，學(xué)會與不同人的溝通藝術(shù)，加深對團(tuán)隊合作的理解，提升學(xué)生的社會參與感。

三、3D打印比賽之答辯階段——答辯機(jī)制，培養(yǎng)學(xué)生的表達(dá)和邏輯思維能力

傳統(tǒng)的3D打印教學(xué)，雖然著力于學(xué)生的技術(shù)素養(yǎng)和創(chuàng)新素養(yǎng)，但要全面培養(yǎng)中學(xué)生的核心素養(yǎng)，筆者認(rèn)為表達(dá)和邏輯思維能力也必不可少?！氨荣惢钡?D打印教學(xué)，亮點在于引入答辯機(jī)制，就像大學(xué)生在完成畢業(yè)論文時需要答辯一樣，需要面對來自各個專家的質(zhì)疑和追問。但答辯活動不應(yīng)簡單等學(xué)生考到大學(xué)后由大學(xué)來做，而是要在中學(xué)階段利用現(xiàn)有條件，如3D打印比賽，讓學(xué)生提前領(lǐng)略科研的過程與樂趣。[3]答辯機(jī)制，從3D打印比賽的角度來說，要求學(xué)生用5分鐘介紹自己的作品，并回答專家評委組的提問。在這個階段，如何向?qū)＜医榻B自己的想法和設(shè)計方案，讓他人理解就顯得非常重要。教師可以指導(dǎo)學(xué)生圍繞以下幾個方面展開：通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)了什么問題，想到了哪些解決的辦法，每種辦法各有什么優(yōu)缺點，最后選擇了哪個，本設(shè)計方案的最大特點是什么，是否實現(xiàn)了之前的想法，還有什么不足需要改進(jìn)等。

例如，學(xué)生在回顧“天梯”作品設(shè)計的過程中，總結(jié)出三大優(yōu)勢：三角形結(jié)構(gòu)多則穩(wěn)定性強(qiáng)、“榫卯”結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)既古典又方便、多條天梯軌道增加客運量。學(xué)生能做出這樣高度概括性的表達(dá)既讓人意外又在情理之中，因為他們在準(zhǔn)備答辯的時候找不同的人推銷作品，了解了大家對同一事物的不同想法。更令人欣慰的是，他們甚至考慮到人文關(guān)懷，把對人的生存、發(fā)展和幸福等因素考慮到答辯內(nèi)容中。他們指出：“天梯”設(shè)置有參觀平臺，未來人類在進(jìn)入太空的旅途中，既可以中途休息又可以鳥瞰地球之美。精彩的表達(dá)、人性化的思考，這些由答辯機(jī)制帶來的裨益是傳統(tǒng)課堂教學(xué)無法企及的。

在自我展示完成后，進(jìn)入評委問答環(huán)節(jié)，這對學(xué)生邏輯思維的嚴(yán)謹(jǐn)性是一種考驗。例如，教師提出了一個問題，你們的“天梯”有幾個連接處為什么很松，而其他幾處又很緊，學(xué)生回答可能是機(jī)械誤差造成的。但這沒有進(jìn)行實驗驗證，僅僅是理論猜測。當(dāng)他們經(jīng)過互聯(lián)網(wǎng)搜索和檢驗后才發(fā)現(xiàn)，3D打印的打印噴頭有粗細(xì)之分，而學(xué)校所使用的3D打印噴頭是0.4mm規(guī)格，因此1.2mm粗的線條需要噴頭打印3次，但是1.3mm粗的線條呢？同樣只打印3次，誤差顯而易見。至此，他們總結(jié)出3D模型的尺寸必須是0.4mm的整數(shù)倍。嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬎季S能力不是與生俱來，更不是一蹴而就的，所幸的是答辯機(jī)制中的問答環(huán)節(jié)創(chuàng)造了這樣的訓(xùn)練機(jī)會。專家評委組從專業(yè)角度出發(fā)，會不斷追問作品存在的缺陷，這一方面迫使學(xué)生答辯前必須事先做充分準(zhǔn)備，[3]對出現(xiàn)過的問題及解決方法及時梳理，[4]不能想當(dāng)然，稍有不慎，就會被問倒；另一方面提升了學(xué)生的邏輯思維能力，不但要求學(xué)生會設(shè)計、會操作，更要求他們利用“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)使自己具備廣博的知識面和充足的實驗常識。

如果僅僅完成3D作品，師生之間缺乏直接的思想碰撞。引入答辯機(jī)制，學(xué)生團(tuán)隊之間的隱性競爭變?yōu)轱@性競爭，不再僅僅是3D模型大小、稱重能力等數(shù)字高低的較量，而是比拼研究、科研的嚴(yán)謹(jǐn)與規(guī)范，從低層次競爭轉(zhuǎn)變?yōu)楦邔哟胃偁帯?/p>

四、結(jié)論

隨著3D打印從象牙塔里的高科技發(fā)展成為融入學(xué)校、家庭和社會教育常態(tài)的具有革命性影響的技術(shù)，[5]3D打印教學(xué)將成為未來中學(xué)教育必不可少的一部分。本文通過對“比賽化”3D打印教學(xué)的探索，把中學(xué)生核心素養(yǎng)融入教學(xué)的各個環(huán)節(jié)，搭建起中學(xué)生核心素養(yǎng)發(fā)展所需的良性生態(tài)和良好平臺，以滿足我國未來社會和經(jīng)濟(jì)發(fā)展對綜合型人才的需求。[6]

參考文獻(xiàn)：

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[3] 曹葵.中學(xué)化學(xué)教學(xué)中以論文和答辯方式提升學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)[J].化學(xué)教育，2016.37，（9）：20-23.

[4] 鄭明達(dá).例談信息技術(shù)教學(xué)中學(xué)生創(chuàng)意與表達(dá)能力的培養(yǎng)[J].中小學(xué)信息技術(shù)教育，2014，（11）：37-39.

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[6] 陸海江.讓核心素養(yǎng)在學(xué)習(xí)3D打印的過程中落地[J].中國信息技術(shù)教育，2017，（3）：109-110.

責(zé)任編輯 黃 晶