3D打印技術(shù)在中學(xué)創(chuàng)客教育中的應(yīng)用研究

王玲梅

目前在我國(guó)基礎(chǔ)教育階段中可以觀察到“兒童年齡越小想象力就越豐富，兒童年齡越大思想也就越封閉，更家缺乏想象力和創(chuàng)造力?！痹谠S多腦科學(xué)研究證明中，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)人的創(chuàng)新發(fā)展將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)質(zhì)的飛躍。3D打印教學(xué)課程就是一門已經(jīng)被實(shí)踐證明的，對(duì)中小學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)非常重要的手段。

1 3D打印技術(shù)和創(chuàng)客教育的基本含義概述

3D打印技術(shù)作為一種快速成型技術(shù)，“設(shè)計(jì)思維” 扮演著個(gè)性化創(chuàng)造工具的角色，有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和創(chuàng)造性。目前比較前沿的3D打印教育創(chuàng)新應(yīng)用的課題和項(xiàng)目，主要由創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室、創(chuàng)客教育空間以及STEAM課程組成。

1.1 3D打印技術(shù)的概念

3D打印是一種快速成型的技術(shù)，對(duì)其進(jìn)行立體構(gòu)造的物理對(duì)象通常以三維數(shù)字方式存在。這個(gè)技術(shù)的原理主要是將實(shí)物模型分層為幾個(gè)薄片，每當(dāng)新的打印材料產(chǎn)生時(shí)，就會(huì)通過(guò)像粉末狀一樣的金屬或塑料粘貼合成一種新型材料，最后以數(shù)字模型文檔并加以疊加的方式進(jìn)行構(gòu)造，這種技術(shù)就是3D打印技術(shù)。

1.2 創(chuàng)客教育的含義

“創(chuàng)客”是指具有創(chuàng)新思想、獨(dú)立創(chuàng)業(yè)的人。主要指特別熱愛(ài)科學(xué)技術(shù)，不以盈利為目的，卻努力把自身創(chuàng)意轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)的自然人，熱衷于創(chuàng)意設(shè)計(jì)和制造，并樂(lè)于相互分享的群體。創(chuàng)新教育是指：“依據(jù)社會(huì)主義現(xiàn)代化發(fā)展對(duì)人的要求，有目的地培養(yǎng)青少年的創(chuàng)新精神、創(chuàng)新能力和創(chuàng)新人格的教育?！眲?chuàng)客教育正是創(chuàng)新教育的重要體現(xiàn)。中學(xué)的創(chuàng)客教育本質(zhì)上時(shí)對(duì)青少年創(chuàng)造性的開(kāi)發(fā)和提升，培養(yǎng)青少年自主學(xué)習(xí)、自主探究、自主發(fā)掘的創(chuàng)造過(guò)程，從而激發(fā)青少年的創(chuàng)新潛能。

1.3 3D打印教育的發(fā)展概述

2015年，國(guó)務(wù)院發(fā)文《國(guó)家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)計(jì)劃（2015—2016年）》，文中特別指出3D打印的重要性，并將3D打印技術(shù)列入國(guó)家戰(zhàn)略發(fā)展高度，大力推廣和普及3D打印教學(xué)，高度重視技術(shù)型人才的培養(yǎng)。

2017年9月，國(guó)家教育部印發(fā)了《中小學(xué)綜合實(shí)踐活動(dòng)課程指導(dǎo)綱要》，其中“3D設(shè)計(jì)與打印技術(shù)的初步應(yīng)用”作為推薦主題，亮相勞動(dòng)技術(shù)課課程大綱。

2018年1月，教育部印發(fā)了《普通高中課程方案和語(yǔ)文等學(xué)科課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》，其中3D打印被納入《17-1834普通高中通用技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》和《17-1847普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》兩大文件中。

3D打印在教育領(lǐng)域的應(yīng)用有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力，3D打印走進(jìn)學(xué)校已是必然趨勢(shì)。

2 3D打印技術(shù)在創(chuàng)客教育中的實(shí)踐和優(yōu)勢(shì)

2.1 培養(yǎng)中學(xué)生的自主意識(shí)和創(chuàng)新思維

3D打印技術(shù)的創(chuàng)新點(diǎn)不僅可以激發(fā)學(xué)生主動(dòng)參與學(xué)習(xí)的積極性，提升想象力和創(chuàng)造力，又能讓孩子們真正享受到學(xué)習(xí)帶來(lái)的快樂(lè)和成就感，從而激發(fā)學(xué)生的自主意識(shí)。其核心是創(chuàng)造力，重點(diǎn)是鼓勵(lì)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)，積極思考。在以往的應(yīng)試教育中，學(xué)生因理論課程的壓力很難完全投入到科學(xué)探索中。3D打印技術(shù)的出現(xiàn)從以學(xué)科為中心成功向以學(xué)生為中心轉(zhuǎn)變，因此實(shí)現(xiàn)了學(xué)生在課堂的主體地位。3D打印技術(shù)引入教學(xué)后，學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)進(jìn)一步升級(jí)，更加重視培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力，體現(xiàn)出其優(yōu)越性。

2.2 有助于學(xué)生對(duì)各學(xué)科的深入掌握

3D打印技術(shù)把數(shù)字化的設(shè)計(jì)以及虛擬模型在短時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)化為實(shí)物，比如化學(xué)模型制作、物理模式制作、地理圖形等等，從而實(shí)現(xiàn)了3D打印的與中學(xué)各學(xué)科的結(jié)合，使青少年能夠在真實(shí)的三維環(huán)境中學(xué)習(xí)和思考，近距離得接觸計(jì)算機(jī)建模技術(shù)，更深入得了解各學(xué)科之間的聯(lián)系與特點(diǎn)。3D打印技術(shù)新奇好玩的特點(diǎn)吸引了更多的青少年參與到這項(xiàng)教學(xué)活動(dòng)中來(lái)。學(xué)生不僅可以充分展示自己的奇思妙想和設(shè)計(jì)理念，又可以通過(guò)3D打印技術(shù)將這種想法實(shí)實(shí)在在得表達(dá)出來(lái)，不僅是對(duì)自己積極思考、發(fā)揮創(chuàng)造性的肯定，又可以使學(xué)生獲得一種自豪感。

3 中學(xué)3D打印課程的開(kāi)展情況和存在問(wèn)題

3D打印所帶來(lái)的創(chuàng)客式教育將學(xué)生無(wú)形的創(chuàng)意變成 “看得見(jiàn)的創(chuàng)意”，使學(xué)生提高了學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)了創(chuàng)新能力，但目前各小學(xué)3D打印課程的開(kāi)展還存在著一些問(wèn)題。

3.1 3D打印教材和師資隊(duì)伍難以滿足需求

開(kāi)展3D打印課程的學(xué)校多以體驗(yàn)課、社團(tuán)活動(dòng)課的形式開(kāi)展，由指導(dǎo)老師帶領(lǐng)一部分的學(xué)生開(kāi)展非系統(tǒng)化的學(xué)習(xí)，缺乏體系化的學(xué)習(xí)教材，存在有很大的復(fù)制及普及的問(wèn)題。目前已有3D打印教材的課本內(nèi)容不夠詳盡，課程用書(shū)比較缺乏。3D打印作為一門跨學(xué)科課程，需要多學(xué)科知識(shí)來(lái)支撐，教師不僅要熟知3D打印的工作原理、發(fā)展歷史、應(yīng)用現(xiàn)狀等基礎(chǔ)理論知識(shí)，還要熟練掌握使用三維建模軟件創(chuàng)建三維立體模型以及修復(fù)、打印等工作，同時(shí)還需具備創(chuàng)客精神，為學(xué)生提供有效指導(dǎo)。但現(xiàn)在負(fù)責(zé)中小學(xué)3D打印教育的大多是信息技術(shù)教師，且都沒(méi)有受過(guò)專業(yè)培訓(xùn)，缺乏經(jīng)驗(yàn)，難以滿足學(xué)校3D打印課程開(kāi)展的需求。

3.2 3D 打印課程的開(kāi)展與實(shí)踐缺乏一定深度

3D打印技術(shù)已經(jīng)走進(jìn)了各中小學(xué)，但大多數(shù)學(xué)校只把3D打印機(jī)這一輸出的工具作為教學(xué)中心，忽視了學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。比如對(duì)“學(xué)”的比重，大于“創(chuàng)”的比重，尚未形成創(chuàng)新機(jī)制;其次學(xué)生作品多以靜態(tài)作品為主，缺少同動(dòng)態(tài)構(gòu)建的整合，造成了學(xué)與用的脫軌;再者校園中的3D打印作品，多來(lái)源于生活，但再融入生活難度很大。3D打印課程的開(kāi)展應(yīng)技術(shù)作為為輸出載體和創(chuàng)新型教育工具，以解決實(shí)際問(wèn)題為目標(biāo)進(jìn)行創(chuàng)意設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生的全方位素質(zhì)。

4 3D打印技術(shù)在創(chuàng)新教育中的展望與建議

3D打印改變了傳統(tǒng)的教學(xué)規(guī)則。教師可以將3D打印引入教學(xué)實(shí)踐，提升課堂教學(xué)的趣味性和互動(dòng)感，以達(dá)到更好的教學(xué)效果;學(xué)生通過(guò)3D打印項(xiàng)目的完成，可以培養(yǎng)他們的創(chuàng)新意識(shí)和動(dòng)手能力，更有助于其團(tuán)隊(duì)合作能力和問(wèn)題解決能力的提升。3D打印技術(shù)對(duì)中學(xué)生創(chuàng)新教育的影響主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

4.1 3D打印教學(xué)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)的熱情

3D打印可以徹底改變科學(xué)項(xiàng)目的學(xué)習(xí)方式。生物老師可以借助3D打印制作器官橫截面使學(xué)生更好地了解人體;化學(xué)和物理老師可以打印出復(fù)雜的分子、原子結(jié)構(gòu)幫助學(xué)生理解;而復(fù)雜地貌特征的展現(xiàn)則可以幫助學(xué)生直觀學(xué)習(xí)地理課程;代表地形、人口或人口統(tǒng)計(jì)學(xué)的3D打印區(qū)域模型將幫助學(xué)生解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，使原本枯燥乏味的科學(xué)原理變成有趣好玩的知識(shí)探索。3D打印還可用于更具創(chuàng)造性的教育領(lǐng)域，如食品制作中的3D模型、3D打印模具以及刀具模板。學(xué)生在吸收和運(yùn)用知識(shí)的過(guò)程中，可以有效得提升學(xué)習(xí)的自主性，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性，提高發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并解決問(wèn)題的能力。

4.2 3D打印在未來(lái)會(huì)提供更多創(chuàng)業(yè)機(jī)會(huì)

對(duì)于在校學(xué)生而言，3D打印不失為一個(gè)良好的創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目。3D打印所具備的無(wú)限潛力為學(xué)生提供了多種類型的業(yè)務(wù)方向，三維掃描、創(chuàng)新設(shè)計(jì)、教育培訓(xùn)、個(gè)性化定制等等。學(xué)生可以借助該項(xiàng)目培養(yǎng)獨(dú)立思考的能力，并熟悉企業(yè)的運(yùn)作模式，這些都是創(chuàng)業(yè)的重要技能。在他們職業(yè)生涯的下一階段，已經(jīng)在學(xué)校熟悉3D打印的人將會(huì)看到在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過(guò)程中使用該技術(shù)的潛力，憑借各種材料和3D打印方法，企業(yè)家可以利用他們?cè)趯W(xué)校獲得的知識(shí)生產(chǎn)出功能齊全的零件。

4.3 對(duì)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和空間感官的建議

很多研究表明中學(xué)生的空間能力和其他學(xué)科領(lǐng)域的學(xué)習(xí)成效聯(lián)系緊密，常被用于解決問(wèn)題的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，也是評(píng)估學(xué)習(xí)效率、訓(xùn)練、工作的重要技術(shù)。由于電腦具備彩色、移動(dòng)與旋轉(zhuǎn)、動(dòng)畫(huà)及重復(fù)顯現(xiàn)等功能，能夠快速顯現(xiàn)各種可能在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中無(wú)法復(fù)制的二度或三度空間物體或狀況，建議使用計(jì)算機(jī)立體模擬即3D打印技術(shù)提升學(xué)生的空間能力。我們應(yīng)當(dāng)不斷完善3D打印教育的創(chuàng)新平臺(tái)，開(kāi)發(fā)出以創(chuàng)新為基礎(chǔ)的個(gè)性化學(xué)習(xí)空間，制造出具備社會(huì)價(jià)值的創(chuàng)意產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)通過(guò)創(chuàng)意生活的方式來(lái)體驗(yàn)人性化的學(xué)習(xí)和研究。

5 結(jié)語(yǔ)

先進(jìn)技術(shù)和具體學(xué)科之間的融合，更有利于對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，也是激發(fā)青少年自主創(chuàng)新的有效途徑。在培育和發(fā)展中學(xué)生創(chuàng)新能力的教學(xué)實(shí)踐中，提倡通過(guò)3D打印技術(shù)巧妙得把現(xiàn)代教育技術(shù)與創(chuàng)客基礎(chǔ)課程相整合，研究并開(kāi)發(fā)出一套結(jié)合地方課程的特色中學(xué)3D打印創(chuàng)客課程，提升學(xué)生的素質(zhì)教育和創(chuàng)新能力，促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展和健康成長(zhǎng)。3D打印教育的創(chuàng)新應(yīng)用體系應(yīng)當(dāng)不斷優(yōu)化技術(shù)支撐，完善服務(wù)體系支持，拓展學(xué)習(xí)方式方法，使3D打印技術(shù)從學(xué)術(shù)研究中轉(zhuǎn)化成實(shí)踐應(yīng)用，成為科技支撐教育創(chuàng)新和演變的必備要素。

本文系課題名稱：創(chuàng)客背景下中學(xué)生利用3D one重現(xiàn)中國(guó)古典家具的研究與實(shí)踐，課題編號(hào)：GS{2018}GHB0524的結(jié)題論文。

（作者單位：白銀市平川區(qū)第二中學(xué)）