3D打印技術(shù)支持下中小學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)策略研究

姜王寧 陳勝銀 劉鳳娟

關(guān)鍵詞：3D 打印技術(shù)；中小學(xué)生；創(chuàng)新能力；培養(yǎng)策略

創(chuàng)新人才的培養(yǎng)，應(yīng)從中小學(xué)生抓起?，F(xiàn)如今，3D打印技術(shù)的快速發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)學(xué)生的創(chuàng)意想法，培養(yǎng)中小學(xué)生創(chuàng)新能力提供了有力的工具。2014年，國(guó)務(wù)院推出“3D打印創(chuàng)新教育播種”計(jì)劃，旨在為學(xué)生的創(chuàng)新提供良好的氛圍[1]。2019年，中共中央、國(guó)務(wù)院印發(fā)的《中國(guó)教育現(xiàn)代化2035》，要求大力提倡提升人才的創(chuàng)新能力[2]。在此背景下，3D打印技術(shù)被大力推崇引入教育領(lǐng)域，以促進(jìn)中小學(xué)生創(chuàng)新能力的發(fā)展。因此，開(kāi)展3D打印技術(shù)支持下中小學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)策略研究顯得尤為重要。

1 研究背景

1.1 3D 打印技術(shù)及特點(diǎn)

3D打印技術(shù)是利用塑料或樹(shù)脂等可粘連的原料進(jìn)行層層打印形成物件的增材制造技術(shù)[3]。具有三個(gè)較為明顯的特征：第一，將材料積累，使作品立體化；第二，可直接利用3D建模工具進(jìn)行自主建構(gòu)，再利用打印機(jī)打??；第三，支持人們將創(chuàng)意想法變成現(xiàn)實(shí)中的實(shí)物，實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)新作品制作。

1.2 創(chuàng)新能力及構(gòu)成

培養(yǎng)創(chuàng)新人才一直以來(lái)就是教育界的主要研究領(lǐng)域之一。不同學(xué)者從不同角度對(duì)創(chuàng)新能力開(kāi)展了大量研究，林崇德教授團(tuán)隊(duì)提出創(chuàng)新能力是根據(jù)一定目的，運(yùn)用一切已知信息，產(chǎn)生出某種新穎、獨(dú)特、有社會(huì)價(jià)值或個(gè)人價(jià)值的產(chǎn)品的智力品質(zhì)[4]。李冀紅等人提出了面向智能時(shí)代的創(chuàng)新能力六大維度框架[5]。而3D打印技術(shù)是數(shù)字化工具中的一種，從3D建模設(shè)計(jì)到產(chǎn)品打印輸出全過(guò)程，都體現(xiàn)了對(duì)學(xué)生意識(shí)與思維能力等的培養(yǎng)。本研究選擇從創(chuàng)新意識(shí)、思辨能力、設(shè)計(jì)思維、批判性思維四個(gè)方面探究3D打印技術(shù)支持下中小學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

1.3 3D 打印技術(shù)促進(jìn)中小學(xué)生創(chuàng)新能力研究的必要性

申繼亮等人研究發(fā)現(xiàn)：青少年創(chuàng)造性傾向的發(fā)展趨勢(shì)總體上呈現(xiàn)倒V型，中小學(xué)生時(shí)期是創(chuàng)造性傾向發(fā)展的關(guān)鍵期。3D打印技術(shù)為中小學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)提供了契機(jī)[6]。

1）支持學(xué)生將“創(chuàng)意”變成“實(shí)物”，提升學(xué)生創(chuàng)新動(dòng)機(jī)水平。學(xué)生在見(jiàn)證3D打印模型建立的過(guò)程之中，看到自己的“創(chuàng)意”變成真實(shí)的“實(shí)物”后心中會(huì)充滿成就感，激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新動(dòng)力。

2）助力學(xué)生建立立體化思維體系，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維能力。教師引導(dǎo)學(xué)生自主想象并利用3D建模工具設(shè)計(jì)空間幾何體，設(shè)計(jì)的過(guò)程就是幫助學(xué)生立體化思維體系建構(gòu)的雙向過(guò)程。

3）促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)反思，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。

學(xué)生們通過(guò)反思評(píng)價(jià)作品以完善作品，在設(shè)計(jì)、修改、制作、完善的過(guò)程中真正地掌握作品設(shè)計(jì)的精華。

4）豐富學(xué)生綜合實(shí)踐活動(dòng)，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力。3D打印技術(shù)可以讓學(xué)生經(jīng)歷從頭腦想象到圖紙?jiān)O(shè)計(jì)再到實(shí)物打印的全過(guò)程，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力具有積極的現(xiàn)實(shí)意義。

2 中小學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)中存在的問(wèn)題

信息化社會(huì)需要?jiǎng)?chuàng)新人才，以激發(fā)社會(huì)創(chuàng)新能力。中小學(xué)生作為學(xué)習(xí)的主體，社會(huì)上較少關(guān)注其創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，如何借助3D打印技術(shù)培養(yǎng)中小學(xué)生創(chuàng)新能力，通過(guò)查閱文獻(xiàn)，并結(jié)合筆者在中小學(xué)的見(jiàn)習(xí)實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)中小學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)所存在的問(wèn)題主要體現(xiàn)在如下方面：

2.1 中小學(xué)生創(chuàng)新動(dòng)力不足，創(chuàng)新意識(shí)養(yǎng)成受限

李西營(yíng)等人指出創(chuàng)造性意識(shí)的內(nèi)部因素和創(chuàng)造性之間的相關(guān)非常顯著[7]。筆者在中小學(xué)校實(shí)踐實(shí)習(xí)中發(fā)現(xiàn)：某些學(xué)生只參加學(xué)校規(guī)定的3D打印基礎(chǔ)課程，不愿意參加3D打印社團(tuán)創(chuàng)新科技活動(dòng)，這說(shuō)明學(xué)生是在創(chuàng)新學(xué)分等外部條件的驅(qū)使下，為了完成任務(wù)而參加活動(dòng)，側(cè)面說(shuō)明了學(xué)生創(chuàng)新動(dòng)機(jī)的不足，創(chuàng)新意識(shí)養(yǎng)成受限。

2.2 中小學(xué)生心理不夠成熟，思辨能力不足

唐光蓉等人指出：家庭創(chuàng)新環(huán)境、創(chuàng)造性意識(shí)和日常創(chuàng)造性行為相關(guān)顯著[8]。筆者在中小學(xué)校實(shí)踐實(shí)習(xí)中發(fā)現(xiàn)：某節(jié)3D打印設(shè)計(jì)的課堂上，大部分學(xué)生設(shè)計(jì)出來(lái)的就是教師展示過(guò)的花瓶，教師啟發(fā)學(xué)生獨(dú)立思考，設(shè)計(jì)自己心中的花瓶，而學(xué)生們不知所措，某一同學(xué)設(shè)計(jì)出了沒(méi)有底座的花瓶，部分學(xué)生紛紛效仿，這就體現(xiàn)出學(xué)生缺乏一定的思辨能力。

2.3 課程融合不夠緊密，學(xué)生設(shè)計(jì)思維能力受限

關(guān)成華等人指出：未來(lái)教育必然需要培養(yǎng)具有“生產(chǎn)性”思維的創(chuàng)新型人才[9]。張佳麗指出3D打印技術(shù)在培養(yǎng)中小學(xué)生創(chuàng)新能力方面與學(xué)科教學(xué)聯(lián)系較少[10]。筆者在3D打印課程的實(shí)踐實(shí)習(xí)中發(fā)現(xiàn)：各學(xué)校普遍開(kāi)設(shè)3D打印課程，但是大部分學(xué)校只是將其作為一門單獨(dú)的課程，并且大部分學(xué)校重操作，而輕設(shè)計(jì)，這就不能系統(tǒng)化地培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)思維能力。

2.4 中小學(xué)生批判性思維不足，問(wèn)題解決能力受限

董勇提出：現(xiàn)階段我國(guó)中學(xué)生非常缺乏數(shù)學(xué)批判性思維，缺乏探究能力、創(chuàng)新能力。沒(méi)有批判、懷疑和評(píng)價(jià)，就不能提出新的問(wèn)題[11]。3D打印為培養(yǎng)中小學(xué)生批判性思維提供了有效的技術(shù)平臺(tái)，圍繞3D打印課程系列內(nèi)容創(chuàng)設(shè)質(zhì)疑情境，可以幫助學(xué)生打破思維定式與功能固著，從而創(chuàng)新性地解決問(wèn)題。

3 3D 打印技術(shù)支持下中小學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)策略

作為一種能夠綜合訓(xùn)練創(chuàng)新思維與能力的技術(shù)形式，3D打印技術(shù)為中小學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)提供了新視角，滿足了中小學(xué)生適應(yīng)信息化社會(huì)發(fā)展的需要。借助3D打印技術(shù)來(lái)培養(yǎng)中小學(xué)生創(chuàng)新能力，就是要把設(shè)計(jì)交給學(xué)生，讓學(xué)生成為設(shè)計(jì)者。學(xué)生來(lái)設(shè)計(jì)，學(xué)生來(lái)分享，學(xué)生來(lái)創(chuàng)新。

3.1 支持創(chuàng)意變實(shí)物，激發(fā)培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)

支持創(chuàng)意變實(shí)物，激發(fā)培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)，主要體現(xiàn)在利用3D打印技術(shù)在制作過(guò)程中培養(yǎng)中小學(xué)生的創(chuàng)新能力。以3D打印作品《手機(jī)支架》為例進(jìn)行分析。

首先，教師或是家長(zhǎng)甚至學(xué)生自己應(yīng)該學(xué)會(huì)提問(wèn)：市場(chǎng)上形形色色的手機(jī)支架是否滿足了學(xué)生自己的需求，有哪些需要改進(jìn)的地方？

其次，學(xué)生去設(shè)計(jì)自己心中的手機(jī)支架，制作成自己喜歡的圖案、顏色等，通過(guò)實(shí)際需求激發(fā)創(chuàng)新動(dòng)機(jī)，培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)。

最后是將“創(chuàng)意”變?yōu)椤皩?shí)物”的打印過(guò)程，這需要借助3D打印機(jī)的幫助。學(xué)生將制作好的《手機(jī)支架》作品以STL的文件格式保存在U盤里，與3D打印機(jī)連接，3D打印機(jī)將三維模型進(jìn)行分層，創(chuàng)新性地選擇藍(lán)色、紅色、黃色的熔絲線逐層打印，最后將各層黏合制作成為一個(gè)實(shí)物，如圖1。

3D打印技術(shù)著重于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新動(dòng)機(jī)，因?yàn)?D打印技術(shù)就是讓學(xué)生去設(shè)計(jì)、構(gòu)思、實(shí)現(xiàn)自我創(chuàng)意想法，學(xué)生體驗(yàn)到創(chuàng)新成功，越創(chuàng)新越有勁，進(jìn)入創(chuàng)新動(dòng)機(jī)與創(chuàng)新效果的良性循環(huán)，從而培養(yǎng)中小學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。

3.2 建立立體化思維體系，提升思辨能力

建立立體化思維體系，提升思辨能力，主要體現(xiàn)在利用3D打印技術(shù)在修改過(guò)程中培養(yǎng)中小學(xué)生的創(chuàng)新能力。以3D打印《長(zhǎng)方體的認(rèn)識(shí)》為例進(jìn)行分析。

首先，創(chuàng)設(shè)開(kāi)放思考的思維環(huán)境。學(xué)生嘗試?yán)L制，并討論交流：二維空間和三維空間的區(qū)別到底是什么？長(zhǎng)方體和長(zhǎng)方形的區(qū)別僅僅在于多了z軸的高嗎？

其次，教師或是家長(zhǎng)演示長(zhǎng)方體的棱長(zhǎng)。通過(guò)3D打印筆嘗試性地描繪長(zhǎng)方體的棱長(zhǎng)，通過(guò)動(dòng)態(tài)直觀演示，剝離實(shí)物形狀，展示長(zhǎng)方體的框架，引導(dǎo)學(xué)生在頭腦中構(gòu)建三維空間長(zhǎng)方體的形狀。

再次，引導(dǎo)學(xué)生反思修改模型參數(shù)。學(xué)生在3D 打印工具界面不斷嘗試和預(yù)覽效果圖的過(guò)程中體會(huì)長(zhǎng)方形和長(zhǎng)方體的不同，不斷修改各項(xiàng)參數(shù)，了解長(zhǎng)方體的同時(shí)掌握其體積計(jì)算方法，在修改參數(shù)的過(guò)程中，同學(xué)們創(chuàng)新性地發(fā)現(xiàn)了直四棱柱和正四棱柱（如圖2），同學(xué)們?cè)诓馁|(zhì)編輯器界面創(chuàng)新定義材質(zhì)球并將其附加給長(zhǎng)方體模型，同學(xué)們通過(guò)創(chuàng)意渲染出圖，從而進(jìn)一步認(rèn)識(shí)立體圖形，幫助學(xué)生形成三維空間意識(shí)。

最后通過(guò)反思與評(píng)估對(duì)設(shè)計(jì)出的各種長(zhǎng)方體進(jìn)行評(píng)價(jià)，促進(jìn)學(xué)習(xí)反思。利用反思精神培養(yǎng)思辨能力，從而促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新能力的發(fā)展。

“填鴨式”教育抑制了學(xué)生的創(chuàng)新思維發(fā)散意識(shí)。思辨即思考、辨析，培養(yǎng)思辨能力必須更新、完善學(xué)生的思維方式，3D打印技術(shù)可以助力學(xué)生在大腦中構(gòu)建立體化的思維體系，以此打開(kāi)學(xué)生思路，有利于學(xué)生擺脫思維定式，獨(dú)辟蹊徑地解決問(wèn)題。

3.3 展示作品模型，培養(yǎng)設(shè)計(jì)思維

展示作品模型，培養(yǎng)設(shè)計(jì)思維，主要體現(xiàn)在利用3D 打印技術(shù)在設(shè)計(jì)過(guò)程中培養(yǎng)中小學(xué)生的創(chuàng)新能力。以3D打印技術(shù)與物理學(xué)科《神奇的滑輪》一課結(jié)合為例進(jìn)行分析。

首先，教師展示3D打印滑輪模型。這個(gè)展示過(guò)程使學(xué)生在頭腦中對(duì)滑輪的形態(tài)有了初步的設(shè)計(jì)構(gòu)思，同時(shí)使學(xué)生對(duì)物理學(xué)科定滑輪、動(dòng)滑輪、組合滑輪間的知識(shí)有了更深層次的理解。

其次，學(xué)生進(jìn)行設(shè)計(jì)。先利用思維導(dǎo)圖等方式設(shè)計(jì)滑輪草圖，這將促進(jìn)學(xué)生二維平面設(shè)計(jì)能力的發(fā)展。學(xué)生將頭腦中的外框、轉(zhuǎn)輪、孔的直徑等要素進(jìn)行草繪，如圖3。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，學(xué)生因?yàn)閷?duì)外框、轉(zhuǎn)輪以及孔的直徑等要素考慮不同，定滑輪、動(dòng)滑輪甚至是組合滑輪等創(chuàng)意想法層出不窮。利用3D魔術(shù)師軟件進(jìn)行3D模型設(shè)計(jì)，這將促進(jìn)學(xué)生三維平面設(shè)計(jì)能力的發(fā)展。學(xué)生通過(guò)對(duì)滑輪的創(chuàng)意設(shè)計(jì)過(guò)程，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)滑輪實(shí)物模型結(jié)構(gòu)的深度學(xué)習(xí)與探究實(shí)踐，如圖4。

最后學(xué)生展示作品，并對(duì)設(shè)計(jì)作品進(jìn)行創(chuàng)意想法分享。通過(guò)多樣化作品的展示，學(xué)生不僅對(duì)學(xué)科知識(shí)進(jìn)行了更深層次的掌握，而且對(duì)同一主題下學(xué)生之間不同的創(chuàng)意想法進(jìn)行了分享，這可以使知識(shí)間形成遷移，促進(jìn)學(xué)生對(duì)不同學(xué)科間知識(shí)進(jìn)行橫向、縱向的雜糅領(lǐng)悟。

設(shè)計(jì)思維的核心在于創(chuàng)意，而設(shè)計(jì)的具體表現(xiàn)就是人們?yōu)榱诉_(dá)成自己的目的所進(jìn)行的創(chuàng)造性活動(dòng)。通過(guò)展示多樣的3D打印作品模型，多學(xué)科融合探究，可以借助3D打印工具更好地培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)思維。

3.4 創(chuàng)設(shè)實(shí)踐項(xiàng)目情境，培養(yǎng)批判性思維

創(chuàng)設(shè)實(shí)踐項(xiàng)目情境，培養(yǎng)批判性思維，主要體現(xiàn)在利用3D打印技術(shù)在完善過(guò)程中培養(yǎng)中小學(xué)生的創(chuàng)新能力。以3D打印技術(shù)《口罩神器》為例進(jìn)行分析。

首先，應(yīng)支持創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目情境的完整性，聚焦創(chuàng)新問(wèn)題，分析生活問(wèn)題。根據(jù)中小學(xué)生的思維認(rèn)知特點(diǎn)，引出口罩在日常生活中的重要性，教師或是家長(zhǎng)引導(dǎo)學(xué)生自己提出佩戴口罩時(shí)遇到的問(wèn)題，并引導(dǎo)學(xué)生利用3D打印工具創(chuàng)新設(shè)計(jì)口罩神器，來(lái)解決長(zhǎng)期佩戴口罩時(shí)遇到的例如勒耳的問(wèn)題。

其次，構(gòu)思設(shè)計(jì)方案，展示交流方案。通過(guò)對(duì)口罩神器設(shè)計(jì)知識(shí)的講解，引導(dǎo)學(xué)生積極思考如何通過(guò)3D打印軟件設(shè)計(jì)《口罩神器》作品。

再次，利用3D建模工具設(shè)計(jì)創(chuàng)意模型。設(shè)計(jì)連接桿，設(shè)計(jì)掛鉤，設(shè)計(jì)裝飾圖案。展示創(chuàng)意作品，反思修改模型。

最后，進(jìn)行教學(xué)活動(dòng)評(píng)價(jià)。如何通過(guò)3D打印技術(shù)來(lái)培養(yǎng)批判性思維？其落腳點(diǎn)要落到3D打印作品的評(píng)價(jià)中。在3D打印《口罩神器》一課中，學(xué)生們?cè)O(shè)計(jì)了多款口罩神器，如圖5所示。是否每一款都滿足契合性、實(shí)用性，創(chuàng)新性、藝術(shù)性等評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)呢？這就需要進(jìn)行多樣化的作品評(píng)價(jià)。某些口罩神器極具創(chuàng)新性，但是存在勒耳問(wèn)題；某些口罩神器特別花哨，不適合嚴(yán)肅場(chǎng)合的佩戴等。教師或是家長(zhǎng)，甚至學(xué)生自己聯(lián)系實(shí)際生活，通過(guò)作品評(píng)價(jià)以及對(duì)口罩神器設(shè)計(jì)知識(shí)的了解，認(rèn)識(shí)到現(xiàn)有問(wèn)題，不斷進(jìn)行反思完善，從而設(shè)計(jì)出一款合適的口罩神器。

通過(guò)創(chuàng)設(shè)3D打印創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目情境，增加中小學(xué)生接觸創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)的機(jī)會(huì)，聯(lián)系學(xué)生生活，在真實(shí)的實(shí)踐項(xiàng)目環(huán)境中，利用3D打印技術(shù)解決實(shí)際生活中的問(wèn)題，在培養(yǎng)學(xué)生批判性技能的同時(shí)，也激發(fā)了學(xué)生的批判性思維能力。

4 結(jié)語(yǔ)

中小學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)是與時(shí)俱進(jìn)的重要教育目標(biāo)，3D打印技術(shù)為中小學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)提供了重要技術(shù)支撐。因此，對(duì)3D打印技術(shù)支持下中小學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)策略的研究非常有必要。但3D打印只是一個(gè)技術(shù)工具，若單純依靠3D打印技術(shù)來(lái)培養(yǎng)中小學(xué)生創(chuàng)新能力是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還需要家庭、校園、社會(huì)協(xié)同起來(lái)，從創(chuàng)新動(dòng)機(jī)、創(chuàng)新思維、創(chuàng)新反思、創(chuàng)新實(shí)踐等方面進(jìn)行多方培養(yǎng)，以達(dá)到提升中小學(xué)生創(chuàng)新能力的目的。