3D打印課程實(shí)踐探索

沙潔

[摘 要] 文章從校本課程中創(chuàng)客是一種理念、3D打印是一種創(chuàng)意、創(chuàng)客+技術(shù)構(gòu)建3D打印校本課程這三個(gè)方面闡述了課程實(shí)踐中的理念、技術(shù)和課程體系。在基于項(xiàng)目的教學(xué)實(shí)踐過程中，始終以學(xué)生的創(chuàng)意構(gòu)思為主體構(gòu)建整個(gè)課程內(nèi)容，在課程的實(shí)施過程中以學(xué)生對設(shè)計(jì)、技術(shù)、藝術(shù)領(lǐng)域的概念形成真實(shí)的體驗(yàn)為主要手段，提升了學(xué)生研究問題和探索問題的能力。

[關(guān)鍵詞]創(chuàng)客；3D打??；校本課程

[中圖分類號(hào)] G632.4 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1674-6058（2018）30-0047-02

創(chuàng)客精神融夢想、創(chuàng)造、實(shí)踐、工匠精神為一體，為虛擬與現(xiàn)實(shí)兩個(gè)世界搭起了可通行的橋梁。而真正能夠引領(lǐng)我們通過大橋走向彼岸的載體就是3D打印，也是增材制造中最有前途和發(fā)展空間的技術(shù)。哥本哈根未來研究學(xué)院名譽(yù)主任約翰彼得帕魯坦曾說過一句話：我們的社會(huì)通常會(huì)高估新技術(shù)的可能性，同時(shí)卻又低估它們的長期發(fā)展?jié)摿Α?D打印技術(shù)的應(yīng)用性很強(qiáng)，領(lǐng)域也非常廣泛，對于中小學(xué)校開設(shè)的校本課程，應(yīng)該立足于啟蒙和基礎(chǔ)，一步一個(gè)腳印地用3D打印技術(shù)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，拓展學(xué)生創(chuàng)造、設(shè)計(jì)、想象的空間和能力。

一、校本課程中創(chuàng)客是一種理念

2011年，張浩（北京創(chuàng)客空間創(chuàng)始人之一）首次將“Maker”譯為“創(chuàng)客”，是指一群熱愛科學(xué)、樂于進(jìn)行科技實(shí)踐的人。隨著創(chuàng)客1.0時(shí)代到3.0時(shí)代的發(fā)展，有了創(chuàng)客文化，就是一種用于創(chuàng)新和冒險(xiǎn)，敢于將想法和創(chuàng)意付諸實(shí)踐的人文意識(shí)。在我國提出的一系列戰(zhàn)略、政策中，創(chuàng)客也已經(jīng)成為經(jīng)濟(jì)和教育“互聯(lián)網(wǎng)+”中最有生命力和創(chuàng)新意識(shí)的一個(gè)群體，在國內(nèi)迅速得到發(fā)展，并逐步延伸到校園。2016年，全國兩會(huì)政府工作報(bào)告中提出了“工匠精神”，相信通過不斷地創(chuàng)新變革、激發(fā)創(chuàng)造力，打造我們中國制造的品牌，能進(jìn)一步推進(jìn)創(chuàng)客的理念——?jiǎng)?chuàng)意和創(chuàng)新。

創(chuàng)客理念能在中小學(xué)校園中推進(jìn)，需要兩種技術(shù)的支持：一是創(chuàng)新制造的技術(shù)，如：3D打印、開源硬件、易于學(xué)習(xí)的塊語言編程等；二是比較成熟的在線學(xué)習(xí)平臺(tái)支撐，超越課堂的局限性，使得自主學(xué)習(xí)更加簡單和方便。以往學(xué)校開設(shè)的科技實(shí)驗(yàn)活動(dòng)給予了學(xué)生較多想象和設(shè)計(jì)的空間，提高了學(xué)生的動(dòng)手能力，而現(xiàn)在基于創(chuàng)客理念的科技活動(dòng)有了“想象創(chuàng)意—?jiǎng)邮衷O(shè)計(jì)—制作作品—作品展示—交流分享”整個(gè)一系列的環(huán)節(jié)，并在這些活動(dòng)環(huán)節(jié)中完成學(xué)習(xí)，使得活動(dòng)本身更能抓住學(xué)生的興趣點(diǎn)，更具有創(chuàng)新和實(shí)踐性，提升和培養(yǎng)了學(xué)生科技研究和探索的精神與學(xué)科素養(yǎng)。

因此，就是這樣的一種理念，成為筆者構(gòu)建中小學(xué)3D打印校本課程的核心思想和目標(biāo)，也想通過這樣的課程設(shè)計(jì)能夠長效、機(jī)制地使創(chuàng)造創(chuàng)新成為孩子們學(xué)習(xí)和思考問題的一種習(xí)慣。在《2014年地平線報(bào)告（高等教育版）》中指出：要加快學(xué)生從單純的知識(shí)消費(fèi)到知識(shí)生產(chǎn)者的轉(zhuǎn)變。其實(shí)也就是希望在創(chuàng)客的背景下，學(xué)生不局限于課本、不局限于課程的學(xué)習(xí)，而是通過自我的思考、想象、設(shè)計(jì)、制作、分享、交流的方式成為知識(shí)的生產(chǎn)者。這樣的理念和潛能需要從小培養(yǎng)，因此在中小學(xué)相關(guān)課程中有意識(shí)地滲透和推進(jìn)創(chuàng)客理念是發(fā)展的必然性，也是推進(jìn)教育“互聯(lián)網(wǎng)+”的關(guān)鍵和重要環(huán)節(jié)。

二、3D打印是一種創(chuàng)意

美國《時(shí)代》周刊將增材制造列為“美國十大增長最快的工業(yè)”。工業(yè)革命的歷史和進(jìn)程就是技術(shù)革命的歷史和進(jìn)程，3D打印技術(shù)的發(fā)明和興起將推動(dòng)工業(yè)的發(fā)展，并且將改變未來生產(chǎn)和生活的模式。隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，我們清楚地看到了工作、學(xué)習(xí)、生活模式的改變，而這個(gè)“互聯(lián)網(wǎng)+”3D打印技術(shù)相信會(huì)徹底顛覆人們工作、學(xué)習(xí)、生活的習(xí)慣。

《3D打印未來》這本書有一句話說得很好：3D打印，打印夢想，打印未來！3D打印正逐步改變我們的生產(chǎn)方式，從而改變我們的生活方式。它可以按我們自己的設(shè)計(jì)生產(chǎn)出產(chǎn)品，并使用自己的產(chǎn)品來享受生活。例如，首飾服飾的設(shè)計(jì)、家里餐具的設(shè)計(jì)、節(jié)日禮物的設(shè)計(jì)、蛋糕巧克力的食物設(shè)計(jì)等，我們可以按照自己的設(shè)計(jì)定制形狀、樣色和材質(zhì)等，然后通過3D打印機(jī)打印出想要的物品。這使得每一件商品更具有自己獨(dú)特的風(fēng)格，也讓設(shè)計(jì)者把自己的創(chuàng)意變成現(xiàn)實(shí)，從而更有成就感，更有創(chuàng)造的信心。

隨著3D打印機(jī)的普及，3D打印技術(shù)的創(chuàng)造性正在逐步融入我們的生活中，創(chuàng)造也在逐步成為生活樂趣的來源。3D打印使制造變得簡單易行，使我們的幻想可以飛舞、創(chuàng)意可以無限。我們今天無法預(yù)見3D打印技術(shù)的長遠(yuǎn)影響，就像每次工業(yè)革命能給我們帶來不同的世界一樣，但是這樣的新技術(shù)已經(jīng)在我們周圍，而且有可能改變世界。我們不能預(yù)見未來，但是我們可以締造現(xiàn)在，最本質(zhì)的素養(yǎng)就是創(chuàng)意，設(shè)計(jì)者、創(chuàng)造者、制造者很可能就是你自己。

三、創(chuàng)客+技術(shù)構(gòu)建中小學(xué)3D打印校本課程

中小學(xué)3D打印校本課程的宗旨和目標(biāo)是創(chuàng)客的理念——?jiǎng)?chuàng)意和創(chuàng)造。在市場上有很多關(guān)于3D打印課程的書，但大部分都是純粹的機(jī)械技術(shù)知識(shí)講述、大型的項(xiàng)目設(shè)計(jì)，在目前中小學(xué)的實(shí)際情況下完不成精細(xì)度高的操作實(shí)踐，因此筆者想通過“創(chuàng)意設(shè)計(jì)—制作作品—作品展示—交流分享”的一系列活動(dòng)構(gòu)建中小學(xué)3D打印基礎(chǔ)入門課程，下面從三個(gè)層次來開展。

1.設(shè)計(jì)平臺(tái)

如何把自己的創(chuàng)意、設(shè)想展現(xiàn)出來？這是3D打印課程的第一個(gè)部分——模型構(gòu)建，有了設(shè)計(jì)好的模型，3D打印機(jī)才會(huì)把你的創(chuàng)意、設(shè)想打印成實(shí)物展示出來。3D設(shè)計(jì)可以使設(shè)計(jì)對象更有立體感、更形象化，因此，需要學(xué)習(xí)者有很好的空間想象能力。其實(shí)在我們的生活中，孩子接觸的都是實(shí)實(shí)在在的立體實(shí)物。例如，各種各樣的玩具汽車、絨毛小動(dòng)物、拼接積木、機(jī)器人、無人機(jī)、生活用品、玩具等，孩子對于立體的感性認(rèn)識(shí)非常豐富。因此，對于空間的理解能力只存在每個(gè)學(xué)段學(xué)生認(rèn)知上的區(qū)別。

目前，一個(gè)簡單易懂的3D設(shè)計(jì)軟件——3DONE，可以讓學(xué)生簡單上手設(shè)計(jì)自己創(chuàng)造的模型。在這部分課程設(shè)計(jì)中，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生空間造型方面的能力，從二維空間模型的設(shè)計(jì)（平面設(shè)計(jì)）向三維空間模型設(shè)計(jì)拓展。在日常生活中就要求學(xué)生仔細(xì)觀察物體的構(gòu)成，學(xué)習(xí)構(gòu)成的基本形狀，并能夠熟悉縮放、旋轉(zhuǎn)、平移、平視、俯視等角度的圖形，逐步建立起三維空間的造型視線，由簡及難地完成物品的軟件模型構(gòu)建。

2.內(nèi)容體系

有了合適的平臺(tái)更關(guān)鍵的還要有合理的課程設(shè)計(jì)，對于一個(gè)貫穿小學(xué)和中學(xué)的課程，需要全面合理地構(gòu)建完整體系。在教學(xué)實(shí)踐中，根據(jù)學(xué)生的成長結(jié)構(gòu)和認(rèn)知體系可把課程分成兩大體系：3D打印構(gòu)建課程（小學(xué)段）和創(chuàng)意設(shè)計(jì)師課程（中學(xué)段）。每個(gè)體系都由三部分課程組成，如下圖所示。

小學(xué)段的三個(gè)部分課程如下。

第一部分，創(chuàng)意空間的構(gòu)建課程是從二維空間的平面圖形借助3D打印筆的實(shí)踐操作，完成由二維空間到三維空間拉伸的空間建立學(xué)習(xí)。由實(shí)踐感知讓小學(xué)三四年級的學(xué)生建立空間三維的概念，從而由手中觸摸的立體物件認(rèn)知變成視覺效果的動(dòng)態(tài)三維實(shí)體模型的構(gòu)建。通過這樣的實(shí)踐操作，為下一個(gè)建模課程打好視覺空間的基礎(chǔ)。

第二部分，創(chuàng)意模型的構(gòu)建課程是利用模型設(shè)計(jì)軟件3DONE來操作實(shí)踐體驗(yàn)，讓四五年級的學(xué)生初步學(xué)會(huì)該軟件的基本操作。通過對于簡單積木設(shè)計(jì)（學(xué)會(huì)基本工具使用）、七巧板設(shè)計(jì)（學(xué)會(huì)簡單構(gòu)圖）、簡單玩偶模型（學(xué)會(huì)通過基本形狀進(jìn)行組合構(gòu)圖）、創(chuàng)意筆筒（綜合構(gòu)圖創(chuàng)意設(shè)想）這四個(gè)項(xiàng)目的體驗(yàn)學(xué)習(xí)，把作品用3D打印機(jī)打印出來進(jìn)行展示，這樣學(xué)生對于3D打印建模設(shè)計(jì)的關(guān)鍵性和重要性就有了實(shí)踐上的了解，也進(jìn)一步推進(jìn)了軟件操作的熟練程度。

第三部分，創(chuàng)意作品的構(gòu)建課程是通過前期學(xué)習(xí)的入門基礎(chǔ)，讓五六年級的學(xué)生進(jìn)行簡單的入門式項(xiàng)目理念的設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)。包含玩具剪刀手的設(shè)計(jì)組裝、簡單樂高零件的設(shè)計(jì)組裝、創(chuàng)意地球儀的設(shè)計(jì)組裝、弩和箭的設(shè)計(jì)組裝這四個(gè)項(xiàng)目課程。其中包括了前期的知識(shí)鞏固和操作，又增加了設(shè)計(jì)的難度：組件的大小匹配問題。這樣在設(shè)計(jì)模型的時(shí)候各參數(shù)之間就要兼顧，也就是設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性，使學(xué)生思考問題更全面，設(shè)計(jì)更完美。

中學(xué)段的三個(gè)部分課程中，主要以項(xiàng)目主題式體驗(yàn)進(jìn)行，創(chuàng)意的要求更高，設(shè)計(jì)的難度和關(guān)聯(lián)性更強(qiáng)。根據(jù)初中生的特點(diǎn)：感性認(rèn)識(shí)逐步向理性認(rèn)識(shí)過渡，學(xué)科知識(shí)逐步完善和細(xì)化，因此更多地融入抽象設(shè)計(jì)的理念和模塊化設(shè)計(jì)的思想來進(jìn)行課程內(nèi)容的構(gòu)建。

第一部分，創(chuàng)意初級設(shè)計(jì)師課程（實(shí)用小物品的設(shè)計(jì)）。在小學(xué)階段學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上針對初一年級的學(xué)生鞏固一些動(dòng)手的操作，增加了學(xué)生自己的想法和設(shè)計(jì)的空間，利用平時(shí)常見的一些物品（如花瓶、水杯、花盆、鑰匙扣、手機(jī)支架等）進(jìn)行改造和創(chuàng)新設(shè)計(jì)。打印出來的作品能夠在自己的生活學(xué)習(xí)中使用，這樣提高了設(shè)計(jì)的有效性和成就性。當(dāng)孩子捧著一個(gè)種植了多肉植物的花盆作為節(jié)日禮物送給教師和父母的時(shí)候，他們是開心的、有成就的，而教師和父母也是自豪的。

第二部分，創(chuàng)意中級設(shè)計(jì)師課程（生活案例主題設(shè)計(jì)）。這個(gè)課程主要針對初二年級的學(xué)生，培養(yǎng)學(xué)生開發(fā)項(xiàng)目的整體意識(shí)。例如，創(chuàng)意家居主題設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)的物品不是一個(gè)而是一套，在整個(gè)設(shè)計(jì)的過程中，所有家具的風(fēng)格、尺寸、樣式等方面都要考慮。因此，筆者就針對學(xué)生最熟悉的內(nèi)容開設(shè)了三個(gè)項(xiàng)目主題：學(xué)習(xí)工具套件、簡易創(chuàng)意家居、簡單益智玩具的設(shè)計(jì)。通過這些項(xiàng)目的體驗(yàn)，學(xué)生的創(chuàng)造意識(shí)和興趣有了很大的提升，思考問題更周全，作品設(shè)計(jì)的精細(xì)程度有了改進(jìn)，打印作品的成功率也有明顯的提高。

第三部分，創(chuàng)意高級設(shè)計(jì)師課程（合作創(chuàng)意項(xiàng)目設(shè)計(jì)）。對于一些要求比較高，并且學(xué)生實(shí)用的創(chuàng)意設(shè)計(jì)物品來說，學(xué)校課程時(shí)間有限，沒有更長的時(shí)間來完成有復(fù)雜度和難度系數(shù)的作品。于是，我們設(shè)計(jì)了一些分工合作的項(xiàng)目來進(jìn)一步提高學(xué)生創(chuàng)作的成功率和實(shí)用性。雖然這一部分課程不是所有學(xué)生都能到達(dá)的境界，但是總有一些內(nèi)容會(huì)給你意想不到的收獲和喜悅。因此，這部分課程是針對學(xué)有余力、對3D打印有濃厚興趣的學(xué)生開設(shè)的，操作的難度、設(shè)計(jì)的復(fù)雜度都進(jìn)階了。本課程開設(shè)的項(xiàng)目有：3D世界地圖項(xiàng)目、創(chuàng)意建筑模型項(xiàng)目、飛行器項(xiàng)目等，要求學(xué)生分小組進(jìn)行設(shè)計(jì)活動(dòng)。

3.生態(tài)課程

一個(gè)課程的構(gòu)建，不僅需要的是理念和技術(shù)的支撐，還需要我們精心的打造和實(shí)施。北京八十中的校長田樹林寫的書，標(biāo)題就是：“一人一天地，一木一自然——讓學(xué)校里的每一個(gè)生命因教育而精彩”，如果一顆種子，獲得最自然的生態(tài)環(huán)境，那么就一定能長成它最本真最自然的樣子。這就是它的唯一性，而每一個(gè)唯一，就構(gòu)成了大自然的多樣性，構(gòu)成了豐富多彩的世界，這就是構(gòu)建這個(gè)課程的初衷。3D打印校本課程的實(shí)施就是打造一個(gè)生態(tài)的課程，放飛學(xué)生的創(chuàng)意。

在整個(gè)課程的實(shí)踐過程中，學(xué)生始終是課堂的主體，所有課程內(nèi)容的打造也是從學(xué)生的角度和興趣出發(fā)設(shè)計(jì)的，根據(jù)不同學(xué)段學(xué)生的特點(diǎn)和需求，多元化地構(gòu)建整個(gè)課程的體系內(nèi)容。設(shè)計(jì)可由簡單到復(fù)雜；由單個(gè)物件到多個(gè)物件；由簡單形狀到組合形狀；由不相關(guān)的組件到關(guān)聯(lián)組件等等，而且設(shè)計(jì)作品多種多樣，學(xué)生可以根據(jù)自己感興趣的方面來選擇設(shè)計(jì)的內(nèi)容。在掌握了基本的入門操作后，學(xué)生有自己的創(chuàng)意設(shè)計(jì)選擇，這充分提升了課程的自由度、層次度、自主度，并且在課程的最后還有作品的展示和交流分享。開設(shè)的創(chuàng)客空間，學(xué)生可以把自己的作品展示在這個(gè)空間中，甚至包括僅僅是設(shè)計(jì)模型應(yīng)為機(jī)器設(shè)備的限制而不能打印成品。在學(xué)習(xí)交流平臺(tái)上，開設(shè)了專題論壇，交流自己創(chuàng)作設(shè)計(jì)的心得，作品設(shè)計(jì)的靈感還有失敗與成功。自由、平等、充滿靈感創(chuàng)意的學(xué)習(xí)氛圍讓學(xué)生積極投入到3D打印的學(xué)習(xí)體驗(yàn)中，真正激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)造力、學(xué)習(xí)力、想象力。

隨著科技、人工智能的發(fā)展，3D打印技術(shù)和創(chuàng)客還會(huì)逐步推向更高的層次。這樣的一種新學(xué)習(xí)體驗(yàn)方式，給學(xué)生提供了新的學(xué)習(xí)思維空間，培養(yǎng)了學(xué)生研究問題、探索問題、解決問題的能力。筆者希望像這樣的探索、像這樣的課程有更多的內(nèi)容和形式，在實(shí)踐中不斷充實(shí)和推進(jìn)，讓學(xué)生一直健康成長。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

[1] 趙光輝.創(chuàng)客時(shí)代[M].廣州：廣東人民出版社，1016.

[2] 中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)編著.3D打印未來[M].北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社，2013.

[3] 田樹林.一人一天地 一木一自然[M]. 北京：人民日報(bào)出版社，2013.

（責(zé)任編輯 諾 依）