基于3D打印技术的特色课程研究

本文由《现代教育技术》杂志授权发布

作者：王美、王良辉、刘中晓、陈渊渊

摘要

近年来，3D打印成为人们关注的热点，并逐步走进教育领域。为了让孩子们更好地适应时代发展，杭州采荷第三小学教育集团将3D打印技术引入“第三教育空间”开设了“3D打印创意工作室”特色课程。该课程具有明确的教学目标，在实施过程中积极创设教学情境、借助任务驱动法，并在此基础上，依据建构主义理论、多元智力理论以及“经验之塔”理论带来的启示，采用主题式教学法开展教学，有效激发了学生的学习积极性。该课程目前已在提高学生动手能力、学习能力、创造性方面取得了一些显著成效，并积累了一些经典案例，以期为课程建设与研究提供参考。

关键词：3D打印技术；特色课程；课程建设

近年来，3D打印技术作为一种新型的快速成型技术，正逐步进入人们的视野。《2013年地平线报告（基础教育版）》更是将3D打印技术作为远期发展对象提出，并在《2014年地平线报告（基础教育版）》中将其作为中期发展目标进一步提上日程。可见，3D打印技术正作为多媒体技术的新宠开始走进基础教育领域，受到越来越多基础教育工作者的关注。然而，如何发挥3D打印技术的教育价值、培养学生的创造思维、打通孩子们想象一虚拟一实体三者之间的鸿沟，仍有许多问题值得研究和探讨。

杭州采荷第三小学教育集团（下文简称采荷三小）以培养自主、现代的学生为理念，开展了小班化教育与现代教育技术相整合的应用研究，并针对当前基础教育课程单一、分数主宰教学、能力培养旁落等问题，提出了“第三教育空间”理念，每周四下午让孩子们从繁重的课业负担中解脱出来，玩转社团，而相关社团课程资源由采荷三小的教师自主研发。为了进一步顺应时代的发展，探索不断普及的3D打印技术的教育价值，培养孩子们未来生存与工作的基本知识及素养，采荷三小大胆尝试，开设了“3D打印创意工作室”。

一3D打印技术及其在基础教育领域的应用现状

3D打印技术又称“快速成型技术”（Rapid Prototype），是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印方式来构造物体的技术[1]。与传统打印相比，3D打印无须机械加工或任何模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件，从而极大地缩短了产品的研制周期，提高了生产率，降低了生产成本。

目前，一些国家和组织己开始探索3D打印在教育领域的应用。如英国教育部开展了一项为期一年的试验项目，以21个学校为试点，将3D打印技术应用到数学、物理、工程和设计等课程中，从而探索3D打印的教学应用，推动教学创新[2]；美国国防高级研究计划局的制作实验和拓展项目计划在美国高中推广3D打印机，旨在培养高中生的工程技术与技能，并激发他们对工程、设计、制造和科学相关课程的兴趣，促进高中学龄的学生协作完成一系列的设计和制作方案，以帮助他们解决在未来设计和工程方面的挑战[3]。在我国，青岛各区市相继建立了中小学3D打印实践中心，并分三个阶段推进3D打印进校园活动，每半年举行一次优秀学生作品评选及拍卖活动；上海师范大学以黎加厚教授牵头的项目组于2013年9月进入和田路小学，与一线教师共同开发3D打印课程，并在三、四年级分别实施了一个学期[4]。综上所述，3D打印技术进入基础教育领域的趋势己势不可挡，但如何开展、如何实施依旧是难题，有必要从具体的课程建设入手，探索3D打印技术在基础教育领域应用的依据与策略。

二3D打印技术教学应用的理论依据

总的来说，建构主义理论、多元智力理论以及“经验之塔”理论都为3D打印技术在教学中的应用提供了很好的理论依据。

建构主义学习理论的核心是以学生为中心，强调学生对知识的主动探索、主动发现和对所学知识意义的主动建构[5]。“3D打印创意工作室”采用主题教学的方式展开，重在激发学生主动探索知识的欲望，并在进一步分析问题和解决问题的过程中，引导学生去主动发现问题并主动建构新的知识体系。

多元智力理论认为人类的智能不是一元的，而是多元的，具体可分为语言智能、数学-逻辑智能、空间智能、身体-运动智能、音乐智能、人际关系智能、自我认识智能以及自然观察者智能。为了促进学生多元智力的发展，“3D打印创意工作室”采用小组合作的形式，充分发挥小组各成员的特色智能，并运用学科整合的方式，激发学生的多元智力，促进学生的全面发展。

美国视听教育家戴尔于1946年提出的“经验之塔”理论显示，最底层的经验最具体，越往上越抽象，排成一个序列，如图1所示。根据这一理论，教学活动应从具体经验入手，逐步进入抽象经验；而在学校教学中使用各种媒体，可以使教学活动更具体，也能为抽象概括创造条件，弥补下层直接经验的不足。“3D打印创意工作室”正是充分发挥了学生学习的具体经验，让学生在具体模型中感受空间思维与创造思维，变抽象为具体，从而使学习活动更加高效。

由此可见，3D打印技术在本质上是多媒体技术的延伸，也是虚拟现实技术的延伸。该技术拓展了人的感觉和知觉，促进了人的思维能力的进一步发展，其与教学的融合势在必行。

三案例：“3D打印创意工作室”特色课程的教学实践

2014年，采荷三小进行大胆尝试，由美术老师和信息老师共同开设了面向三、四年级学生的3D打印社团课一一“3D打印创意工作室”，后经学生自主选课，同年9月对三、四年级中选修了此课的24位学生进行正式授课。

1课程建设目标

面向小学生开设“3D打印创意工作室”，并非想把孩子们培养成技术高手，而只是想让孩子们通过接触3D打印技术，并在学习过程中运用这一新兴技术，来促进他们计算思维、空间思维、设计思维和创新思维的发展，从而形成虚拟世界、实体世界以及学生内心世界的联通，激发孩子们的创造力和想象力。

具体的课程建设目标包括：（1）通过系统训练，使学生熟练掌握3D建模软件一一Rhinoceros的基本指令，能利用该软件自由创作简单的三维模型；（2）激发学生的建模兴趣，启迪他们的创造意识，培养他们用创新视角分析、解决问题的能力，提高他们的信息及综合素养；（3）借助绘画、动画创作、实验设计等活动，寓教于乐，让学生在愉悦的氛围中了解3D打印技术；（4）引导学生了解3D打印技术的基本原理，并学会使用3D打印机；（5）在将自行设计的3D产品进行创作的过程中，引导学生理解3D打印产品的实际作用，并将其融入自己的实际生活之中。

2课程实施策略

在课程的具体实施方面，根据“3D打印创意工作室”的教学目标，在教学过程中主要采取以下策略：

（1）创设教学情境，提高学习动机

当学生对某一课程产生学习兴趣时，他们的学习动机就强，就会产生力求掌握知识的紧迫感，并采取积极主动的学习手段，提高自己的学习效率。Rhinoceros软件、3D作品建模的内容学习相对比较枯燥，因此在教学过程中有效利用学生感兴趣的动画、人物、生活小常识，并从他们的学习经验、知识结构出发，适时创设具有趣味性、探索性、延伸性教学情境，将有助于激发他们强烈的学习意识和探究动机。

（2）任务驱动，自主协作学习

任务驱动教学法是以任务为核心展开教学活动，通过学生自主、独立地发现问题，进行实验、操作、调查、搜集与处理、表达、交流信息等探索活动，获得知识、技能与态度的发展。在学习过程中，学生按照任务项目组成协作学习小组，在信息老师和美术老师的指导下通过小组协作、自主探究等方式完成作品的设计和开发，使学生在参与作品设计和开发实践的过程中，熟练掌握课程内容，学会团队协作与交流，共同完成作品的建模与打印。

3课程教学过程

根据建构主义理论、多元智力理论和活动理论带来的启示，“3D打印创意工作室”采用主题式的教学方式，将课程教学分为海底总动员、玩具制作和生活小帮手三个主题，如表1所示。通过对这三个主题的不同体验，来引导学生感受3D打印给生活和学习带来的便利，从而逐步构建学生在虚拟、实体与想象之间的联通，最终实现融会贯通。

（1）海底总动员。从电影《海底总动员》中的一个小片段开始：小海星和尼莫被困在鱼缸里，想要出去却无能为力，视频就暂停在“诅咒你，让我们出去”。课堂由此开始，孩子们需要做的就是以小组为单位设计一个剧本来拯救鱼缸中的海星和小鱼，而剧本中涉及到的海星和小鱼正是利用3D打印的方式获得一一孩子们在信息老师的指导下，利用Rhinoceros软件绘制个性化的海星和小鱼模型（如图2所示）；在美术老师和信息老师的共同帮助下，打印自己建模的海星和小鱼。由于采荷三小使用的是FDM技术的3D打印机，打印完的成品为纯色，因此还需要孩子们在后期对打印的海星和小鱼用丙烯颜料进行上色（上色后的部分成品如图3所示）。最后，孩子们利用自己设计、打印、上色的海星和小鱼，结合“定格动画工作室”软件，将之前设计好的纸质剧本拍摄成定格动画，与其他师生进行交流、展示与共享。

（2）玩具制作。该主题以蜘蛛侠和降落伞为例进行教学，其中降落伞作为蜘蛛丝的支撑物出现在本案例中。首先，教师通过“蜘蛛侠是用什么方法进行攀爬的？如果蜘蛛侠的手掌突然没有掌纹之后，他还能拉住蜘蛛丝并往上爬吗？”等问题来引发学生对蜘蛛侠攀爬过程受力情况的思考，从而得出结论：影响蜘蛛侠爬升的因素主要有小孔的开孔方向、蜘蛛侠脚的张开角?度、蜘蛛侠手臂的粗细以及蜘蛛侠手摆动的频率。其次，在考虑这些因素的基础上，引导孩子们利用Rhinoceros软件对蜘蛛侠和降落伞进行三维建模（如图4所示），并利用3D打印机完成蜘蛛侠和降落伞的成品。再次，在美术老师的指导下，利用丙烯颜色对蜘蛛侠和降落伞进行上色。最后，以小组为单位开展蜘蛛侠攀爬蜘蛛丝比赛，并于比赛完成之后通过对比分析得出结论：蜘蛛侠的手臂不是越粗越好，在一定范围内随着手臂宽度的增加，速度会不断增加；但是超过最佳值后，则会减速。本案例中，孩子们在学习3D打印技术、绘画的同时还学习了相关的科学知识，不仅高效达成各学科的学习目标，还让孩子们感受到了不同学科知识之间的相通、相融性，并认识到：只有具备不同的学科知识，才能更有效地解决所遇到的现实问题。

生活小帮手。课堂以“当妈妈走进卫生间时，总是一不小心就被地上湿滑的肥皂液而弄得差点滑倒。这些调皮的肥皂液总是从肥皂盒里流淌出来，作为妈妈的小帮手，你如何帮助妈妈解决这个问题呢？”这一问题情境开始，并抛出如图5所示的现实问题，引导孩子们分析并得出结论：我们打印的肥皂盒应该可以放下最常见的肥皂，并且可以长期保存，还要具有个性化的外观。在此基础上，引导孩子们对常见的肥皂尺寸进行测量，并利用Rhinoceros软件，通过自主协作的方式对肥皂盒进行三维建模（如图6所示）。然后，在信息老师的指导下完善肥皂盒模型，最终打印出个性化肥皂盒成品。最后，在美术老师的指导下进行上色，并带回家送给妈妈。通过这样的主题，孩子们既学了知识，又丰富了情感，有助于发展他们的多元智力。

 

4课程实施成效

（1）提高了学生的动手和参与能力

在“3D打印创意工作室”中，学生通过实物设计、操作体验、分组交流，正确领会了3D打印技术的基本操作要点。从设计到打印都需要学生参与完成，这充分提升了他们的操作能力、观察能力和制作能力，同时也全面增强了他们的动手和参与能力。

（2）培养了学生的创新思维和创造能力

“3D打印创意工作室”特色课程的主要内容是利用Rhinoceros软件建模，学习Rhinoceros软件的基本操作方法和设计创新之作的基本思路，将创新的想法用3D打印机实现。尤其是在最后一个主题中，要求孩子们结合之前学过的Rhinoceros软件基本指令，进行个性化肥皂盒的设计。尽管有难度，但孩子们的表现非常不错，他们充分发挥想象，设计出了各具特色的肥皂盒作品。该课程通过将孩子们的创新想法及时变成实物，有效开发了他们的创新思维和创造能力。

四结束语

虽然“3D打印创意工作室”特色课程取得了一些成效，在一定程度上提高了学生的动手和参与能力，也获得了学生的一致认可，但放眼未来，随着科学技术的突飞猛进，如何在未来为学生提供更适宜的空间去想象、去创造，是需要继续探讨的重要话题。今后，“3D打印创意工作室”特色课程还需在想象创建、虚拟创造等内容上，进一步激发学生用所学的知识自行构建模型，最终让他们真正跨越想象一虚拟一实体三者之间的鸿沟。期待本研究能为今后的课程建设与研究提供借鉴，助力教育培养出更多具有想象力、设计力和创造力的人才。

基金项目：本文为2015教育科研课题（教师小课题）“基于3D打印的小学中段校本课程设计与实践”（项目编号：15X17034）的阶段性研究成果，并受全国教育科学“十二五”规划课题“信息技术与学校教育的整合研究—基于教育变革的视角”（项目编号：DAA140198）和浙江省教育厅科研项目“教学技术性的现象学解释”（项目编号：Y201328106）资助。

作者简介：王美，杭州采荷第三小学教育集团，硕士，研究方向为现代远程教育，邮箱为[e-mail]。王良辉，浙江师范大学教育学院，浙江金华 321000；刘中晓，浙江水利水电学院 教务处，浙江杭州 310018；陈渊渊，杭州采荷第三小学教育集团，浙江杭州 310016。