李佳+徐興健

摘 要 3D打印在我國(guó)教育教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用尚處于起步階段，有效地運(yùn)用3D打印技術(shù)培養(yǎng)和提高中學(xué)生的創(chuàng)新能力，具有重要的戰(zhàn)略意義。通過文獻(xiàn)調(diào)研結(jié)合實(shí)際教學(xué)案例的方式，歸納3D打印在創(chuàng)新教育中的主要貢獻(xiàn)及未來發(fā)展趨勢(shì)，以期為3D打印創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的未來發(fā)展方向提供參考。

關(guān)鍵詞 3D打印；創(chuàng)新教育；創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室；創(chuàng)客教育；3DOne

中圖分類號(hào)：G633.67 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2017）23-0028-03

1 前言

隨著世界經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)是勢(shì)在必行的歷史發(fā)展趨勢(shì)，而這種轉(zhuǎn)變必將促進(jìn)社會(huì)對(duì)創(chuàng)新型人才和技術(shù)型人才的大量需求。為此，教育部曾在發(fā)布的《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020）》中指出：全面提高普通高中學(xué)生綜合素質(zhì)，促進(jìn)學(xué)生全面而又個(gè)性地發(fā)展，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)社會(huì)的適應(yīng)性[1]。

習(xí)近平總書記在2016年5月30日召開的全國(guó)科技創(chuàng)新大會(huì)上對(duì)加強(qiáng)科技創(chuàng)新工作進(jìn)行了部署，強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新始終是推進(jìn)一個(gè)國(guó)家、一個(gè)民族向前發(fā)展的重要力量。培養(yǎng)創(chuàng)新型人才是提高自主創(chuàng)新能力的關(guān)鍵。創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)和教育工作是不可能一蹴而就的，而是需要在夯實(shí)的基礎(chǔ)上循序漸進(jìn)。因此，在當(dāng)前高中創(chuàng)新教學(xué)過程中，如何通過有效的教學(xué)模式激發(fā)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，積極參與實(shí)踐活動(dòng)，提升學(xué)習(xí)體驗(yàn)，使學(xué)生以愉悅的心情獲得良好的學(xué)習(xí)效果，促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展，為中學(xué)創(chuàng)新教育提出更高的要求和標(biāo)準(zhǔn)。

20世紀(jì)90年代中期，3D打印技術(shù)橫空出世并迅速在全球范圍內(nèi)得以推廣應(yīng)用，涉及領(lǐng)域涵蓋了生物、建筑、軍事、醫(yī)學(xué)以及教育等[2]。3D打印技術(shù)又被稱為增材制造技術(shù)，是將計(jì)算機(jī)模型直接轉(zhuǎn)化為三維實(shí)體的一項(xiàng)技術(shù)[3]。隨著社會(huì)的進(jìn)步，人們對(duì)該技術(shù)認(rèn)可度的增加，會(huì)有越來越多的科技精英利用3D打印技術(shù)進(jìn)行科技革新。因此，中國(guó)教育行業(yè)應(yīng)抓住這一契機(jī)，將3D打印機(jī)引入中學(xué)課堂，提升學(xué)生對(duì)新技術(shù)的認(rèn)識(shí)，拓展學(xué)生的視野，開發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維[4]。

2 3D打印在培養(yǎng)中學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)中的應(yīng)用

在教育教學(xué)過程中，在保障學(xué)生理論知識(shí)和實(shí)踐技能學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，如何培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)是值得關(guān)注的問題。針對(duì)這一問題，3D打印提供了一個(gè)可以無限拓展的平臺(tái)，其主要作用可歸納為以下三點(diǎn)。

培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)意識(shí) 3D打印成品的流程為：設(shè)計(jì)—打印—拼裝—調(diào)試等。其中，設(shè)計(jì)是最能體現(xiàn)出一個(gè)人創(chuàng)新意識(shí)的環(huán)節(jié)。設(shè)計(jì)并不簡(jiǎn)單隸屬于某一學(xué)科，而是要求設(shè)計(jì)者具有多元化的知識(shí)儲(chǔ)備，將經(jīng)濟(jì)、歷史、數(shù)學(xué)、物理、生物、美術(shù)、工程等諸多要素糅合在一起，形成一種具體的、帶有個(gè)人思想的產(chǎn)品構(gòu)圖，并通過一些3D軟件將其呈現(xiàn)出來，進(jìn)而利用3D打印成型獲得可展示的實(shí)物（圖1）。

設(shè)計(jì)在促進(jìn)科技發(fā)展、提高生活品質(zhì)及優(yōu)化商業(yè)運(yùn)營(yíng)等諸多方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。學(xué)生利用3D打印機(jī)獲得自主設(shè)計(jì)的各種模型的過程中，一方面可以拓展設(shè)計(jì)方面的創(chuàng)新思維，另一方面可以感受創(chuàng)作的樂趣，提高在設(shè)計(jì)創(chuàng)新方面的主觀能動(dòng)性。

烏蘭浩特第一中學(xué)創(chuàng)新實(shí)踐中心在引入3D打印機(jī)后，學(xué)生在利用3D打印技術(shù)學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)的過程中受益良多，給出一致好評(píng)。其中一些學(xué)生自主設(shè)計(jì)的3D打印作品還被選送參加全國(guó)中小學(xué)電腦制作活動(dòng)大賽“3D創(chuàng)意設(shè)計(jì)（未來智造設(shè)計(jì)）競(jìng)賽”。實(shí)踐表明，3D打印不但可以提高學(xué)生的設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力，而且可以通過設(shè)計(jì)競(jìng)賽等活動(dòng)，加強(qiáng)不同文化背景和不同區(qū)域的學(xué)生之間的交流與互動(dòng)。

培養(yǎng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任 中學(xué)生是國(guó)家及社會(huì)發(fā)展的儲(chǔ)備力量，肩負(fù)建設(shè)祖國(guó)的歷史重任。因此可以說，學(xué)生社會(huì)責(zé)任感勢(shì)必影響一個(gè)國(guó)家及民族的發(fā)展。然而，我國(guó)在中學(xué)教育階段的德育課程標(biāo)準(zhǔn)中并未明確提及培養(yǎng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感，導(dǎo)致重智輕德成為當(dāng)前中學(xué)教育中普遍存在的問題。隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，加之中學(xué)生理解能力的提升，他們已具備一定的抽象思維能力，同時(shí)會(huì)主動(dòng)關(guān)注社會(huì)問題，因此，這一時(shí)期是培養(yǎng)學(xué)生社會(huì)責(zé)任感的關(guān)鍵時(shí)期。如何有效引導(dǎo)學(xué)生提升其社會(huì)責(zé)任感是需要解決的問題，3D打印走進(jìn)中學(xué)課堂不失為一種有效的途徑。

Kostakis等人在希臘約阿尼納的兩所高中開展了一項(xiàng)為期三個(gè)月的研究，33名學(xué)生參與了該項(xiàng)目。他們利用開源式的3D打印設(shè)計(jì)軟件和3D打印機(jī)進(jìn)行作品創(chuàng)作，且大多數(shù)作品中成功融入了盲文信息[5]。該舉措不僅可以通過這種媒介互動(dòng)的方式來幫助人們更好地在精神層面加以溝通和交流，還可以培養(yǎng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感。

培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)客意識(shí) 伴隨著“3D打印”“傳感器”“機(jī)器人”等新技術(shù)掀起的科技狂潮，“創(chuàng)客運(yùn)動(dòng)”在國(guó)內(nèi)外發(fā)展得如火如荼?！皠?chuàng)客”們勇于開拓、創(chuàng)新、嘗試，經(jīng)過不懈努力實(shí)現(xiàn)其自身價(jià)值的精神無一不影響著傳統(tǒng)的教育理念、技術(shù)、模式和方法。因此，時(shí)代賦予教育新的使命，即“創(chuàng)客教育”，也可以說它是創(chuàng)客與教育“激情碰撞”的產(chǎn)物[6]?；趧?chuàng)客理念的3D打印教學(xué)，應(yīng)更注重將“創(chuàng)新、實(shí)踐、分享”的意識(shí)融入課堂教學(xué)中，實(shí)現(xiàn)全面提升學(xué)生個(gè)人素養(yǎng)的教學(xué)目的。

烏蘭浩特第一中學(xué)在基于3D打印技術(shù)的創(chuàng)客教育中選擇3DOne建模軟件及FDM桌面型3D打印機(jī)相結(jié)合的模式，鼓勵(lì)學(xué)生在3DOne青少年三維創(chuàng)意社區(qū)上分享和展示個(gè)人的創(chuàng)意設(shè)計(jì)，并利用在線互動(dòng)模式，加強(qiáng)教師與學(xué)生之間的交流，有助于學(xué)生更好地完善自己的作品。由于科技的不斷發(fā)展，新技術(shù)也勢(shì)必會(huì)層出不窮，在培養(yǎng)中學(xué)生創(chuàng)客意識(shí)過程中也應(yīng)當(dāng)注重學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)的學(xué)習(xí)，只有這樣才能始終跟緊科技發(fā)展的步伐。

3 利用3D打印進(jìn)行創(chuàng)新教育的方法

3D打印在中學(xué)生創(chuàng)新教育中的多元化作用，必將促進(jìn)相關(guān)教學(xué)方法和教育理念的革新。從圖2可以看出，教師所布置的學(xué)習(xí)任務(wù)具有靈活多變的屬性。簡(jiǎn)單來說，教師可以根據(jù)不同學(xué)習(xí)對(duì)象制定不同的學(xué)習(xí)任務(wù)。例如：針對(duì)初涉3D打印學(xué)習(xí)的學(xué)生，教師可選擇一個(gè)易于學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握的作品，通過教學(xué)與實(shí)踐，使學(xué)生能夠快速掌握這項(xiàng)技術(shù)的核心內(nèi)容；而針對(duì)已有一定基礎(chǔ)的學(xué)生，教師可以提出一些具有挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)任務(wù)來調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。endprint

以烏蘭浩特第一中學(xué)開展的3D打印教學(xué)課程為例，對(duì)這兩種教學(xué)模式進(jìn)行闡述。

基于特定主題的教學(xué)模式 首先，教師提出本次教學(xué)的主題——利用3D打印展示自己對(duì)蒙元文化的認(rèn)知。10名學(xué)生分為兩組，自行組隊(duì)，隨后根據(jù)主題進(jìn)行頭腦風(fēng)暴，選定設(shè)計(jì)方向，繪制草圖并利用3DOne軟件進(jìn)行建模，記錄建模過程中存在的問題；各小組之間分享作品及心得并提出意見，教師從旁指導(dǎo)；學(xué)生根據(jù)修改意見對(duì)設(shè)計(jì)圖進(jìn)行調(diào)整，利用3D打印獲得相關(guān)作品；小組間進(jìn)行作品展示和點(diǎn)評(píng)，最后由教師進(jìn)行評(píng)價(jià)與總結(jié)。

本次教學(xué)過程共獲得兩件作品。一個(gè)小組設(shè)計(jì)的作品是勒勒車（圖3a），小組代表介紹了他們的創(chuàng)作理念：“‘勒勒是牧民吆喝牛羊的聲音，響徹蒙古草原。勒勒車是蒙古游牧民族所使用的傳統(tǒng)交通工具，在其整個(gè)民族發(fā)展的歷史中發(fā)揮著十分重要的作用。同時(shí)，勒勒車也富含祝福和吉祥之意。此外，勒勒車在設(shè)計(jì)上映襯著蒙古族人民的智慧。因此，選擇勒勒車作為蒙元文化的代表之一，是對(duì)蒙古族物質(zhì)文化的一種傳承?！?/p>

另一個(gè)小組則選擇了馬頭琴（圖3b）來傳達(dá)他們對(duì)蒙元文化的理解：“馬頭琴是胡琴的衍生產(chǎn)物，有著悠久的歷史，且擁有一些動(dòng)人的傳說，同時(shí)它也是最富草原特色的樂器之一，廣受蒙古族牧民的喜愛。許多用馬頭琴?gòu)椬嗟拿枥L草原兒女生活、草原風(fēng)光、牧民對(duì)美好生活向往的名曲都能燃起人們對(duì)草原的向往。因此，馬頭琴是蒙古族牧民向世界展現(xiàn)他們精神面貌的重要載體之一，是蒙古族精神文化的一種傳承?！?/p>

通過本次3D打印教學(xué)課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生感受到草原文明的歷史厚重感，同時(shí)使學(xué)生充分體會(huì)到3D打印帶來的樂趣。

基于生活中存在的實(shí)際問題的教學(xué)模式 首先，教師引導(dǎo)學(xué)生通過觀察或自身的體驗(yàn)，提出生活中存在的一些小問題，并選擇一個(gè)認(rèn)同度較高的問題作為本次3D打印教學(xué)課程的任務(wù)；隨后學(xué)生先根據(jù)自己的思路草擬解決方案，教師從旁指導(dǎo)；每個(gè)學(xué)生根據(jù)自己繪制的草圖進(jìn)行建模；學(xué)生分享自己的建模成果，互相評(píng)價(jià)，教師提出修改意見；修改完畢的模型利用3D打印獲得實(shí)物，學(xué)生展示作品，進(jìn)行討論，教師進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，最后共同選出最佳解決方案。

本次3D打印教學(xué)過程選出的問題是：“在旅行途中常常需要經(jīng)過未設(shè)置電梯的車站或天橋，這時(shí)該如何省力地拖動(dòng)旅行箱？”經(jīng)過教師和10名學(xué)生的評(píng)選，從10個(gè)作品中選擇出一個(gè)最佳的作品，即履帶型旅行箱，如圖3c所示。設(shè)計(jì)該作品的學(xué)生分享了他的設(shè)計(jì)理念——主要來源于坦克。因?yàn)槁膸皆O(shè)計(jì)可以增大坦克的接地面積，使其在不同路況上行進(jìn)時(shí)保持良好的穩(wěn)定性和行駛速度。基于此，將履帶設(shè)計(jì)融入旅行箱中，人們便可以在行走臺(tái)階時(shí)通過直接拖拽的方式拉動(dòng)旅行箱，使出行更為便捷。

盡管這一設(shè)計(jì)尚存在一些問題或缺陷，如履帶的材質(zhì)和成本、抗震性能等方面仍需進(jìn)一步討論和優(yōu)化，但是這種創(chuàng)新意識(shí)是值得鼓勵(lì)的。這種教學(xué)模式一方面提高了學(xué)生發(fā)現(xiàn)和解決生活中實(shí)際存在問題的能力；另一方面，在學(xué)生尋求解決方案的過程中，也鍛煉了他們的創(chuàng)新思維以及對(duì)所學(xué)知識(shí)的綜合運(yùn)用能力。

4 總結(jié)

3D打印憑借其技術(shù)上得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，已在中學(xué)創(chuàng)新教學(xué)中發(fā)揮了重要作用。該技術(shù)可以幫助學(xué)生將理論與實(shí)踐相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，增加學(xué)生動(dòng)手創(chuàng)作的機(jī)會(huì)，同時(shí)也豐富了課堂教學(xué)的形式。然而，新技術(shù)的發(fā)展也存在一些問題，正確認(rèn)識(shí)這些問題將有助于該技術(shù)在中學(xué)創(chuàng)新教育中進(jìn)一步發(fā)揮積極作用，為此提出以下建議。

1）提高教師的個(gè)人素養(yǎng)。創(chuàng)新教育的核心即為創(chuàng)新，因此，基于3D打印技術(shù)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的建立必將對(duì)教師提出較高的要求，其應(yīng)當(dāng)具備優(yōu)秀的創(chuàng)新意識(shí)及實(shí)踐能力，且知識(shí)儲(chǔ)備應(yīng)具有多元化的特點(diǎn)，以滿足不同學(xué)科學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。

2）國(guó)家應(yīng)加強(qiáng)對(duì)于中小學(xué)創(chuàng)新教育的硬件投入。3D打印創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室需要硬件設(shè)備的支撐，否則僅以軟件建模教學(xué)為主，不利于調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。

3）加強(qiáng)交叉學(xué)科的教學(xué)力度。3D打印創(chuàng)作必須建立在學(xué)生具有一定知識(shí)儲(chǔ)備的基礎(chǔ)上，特別是隨著先進(jìn)技術(shù)的不斷發(fā)展，全球教育領(lǐng)域也在醞釀革命性的變化，因此需要有針對(duì)性地、系統(tǒng)地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，特別是在交叉學(xué)科的學(xué)習(xí)方面，將有助于學(xué)生更好地利用3D打印平臺(tái)完善并實(shí)現(xiàn)其創(chuàng)新創(chuàng)意。

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