從“思”到“造”

陳綱

2013年，《地平線報告》中第一次提出了3D打印是未來四到五年值得關(guān)注的新技術(shù)，將帶來教學、學習和研究領(lǐng)域的創(chuàng)新。在2014年和2015年的報告中再次強調(diào)。3D打印是什么？為什么能夠受到《地平線報告》的青睞，成為未來教育的方向？3D打印，又稱三維打印，是一種快速成型技術(shù)，為用戶提供了新的設(shè)計、創(chuàng)作和制作方法，實現(xiàn)了“設(shè)計即生產(chǎn)”的創(chuàng)想，具有快速生成的特點，支持更有創(chuàng)意的設(shè)計與生成。因此，近年來在機械制造、生物醫(yī)藥、建筑設(shè)計、藝術(shù)創(chuàng)造等多個領(lǐng)域受到越來越多的關(guān)注。在教育領(lǐng)域，3D打印近年來也越來越受到關(guān)注。3D打印神奇之處在于，不論多么復雜的東西，只要有數(shù)據(jù)，都可以做出來。而且過程本身不需要復雜的程序，即使是小學生也可以熟練操作。這不僅能培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維能力，還能培養(yǎng)學生的創(chuàng)造能力，從“思”到“造”，讓學生的想象力可以得到實現(xiàn)。隨著技術(shù)的不斷革新，3D打印正逐漸走出象牙塔，融入我們的生活、工作和學習中，3D打印技術(shù)及3D打印教育必將成為開拓基于創(chuàng)造的創(chuàng)新能力培養(yǎng)的必要組成部分。

3D打印教育的創(chuàng)新實踐

1. 理論基礎(chǔ)

【做中學】美國著名教育家杜威的“做中學”的基本教育原則是：“以學生活動來架構(gòu)課程，以直接經(jīng)驗的獲得為核心旨趣，在情境化的教學場域中，通過學生的各種‘做——觀察、實驗、探究、勞作、游戲等來組織實施教學”。通過3D打印教育，讓學生在3D打印這個“做”中完成知識、技能的“學”，達成最終的教育目標，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。

【項目學習】項目學習（Project-based Learning，簡稱PBL）指的是一套能使教師指導兒童對真實世界主題進行深入研究的課程活動，具體表現(xiàn)為構(gòu)想、驗證、完善、制造出某種東西。在3D打印教育中，運用項目學習就是指以運用3D打印技術(shù)制作作品并將作品展示給他人為目的，在真實世界中借助多種資源開展探究活動，主動學習研究完成項目所需的多個學科領(lǐng)域的概念和原理，并在一定時間內(nèi)解決一系列相互關(guān)聯(lián)著的問題的一種新型的探究性學習模式。

【設(shè)計思維】設(shè)計思維是以解決方案為導向的思維形式，它不是從某個問題入手，而是從目標或者是要達成的成果著手，探索問題的解決方案，是一種獨特的“在行動中進行創(chuàng)意思考”的方式。在21世紀的教育領(lǐng)域中，設(shè)計思維有著越來越大的影響。3D打印教育所倡導的就是設(shè)計思維。通過發(fā)現(xiàn)生活中的問題，以解決問題作為要達成的成果，獨立思考，合作分享，利用3D打印技術(shù)進行解決。這有別于“教師教，學生做”的常規(guī)方式，所有任務(wù)的解決都需要學生自己用創(chuàng)意、效率、合作來獨立設(shè)計、獨立執(zhí)行，完成從“思”到“造”的完整過程。3D打印為問題的解決方案提供了有效的實施途徑。

在我校3D打印創(chuàng)新教育實踐中，我們以設(shè)計思維為教育主旨，用做中學的策略，借助項目學習的模式深入開展3D打印教育。

2. 教學案例

3D打印教育創(chuàng)新應(yīng)用，不僅是技術(shù)工具的運用，也是創(chuàng)新學習模式的有益探索。根據(jù)實踐經(jīng)驗，我們將3D打印課程歸入學校的縱向課程群，即在學過基礎(chǔ)的3D建模、3D打印知識和技能后，學生根據(jù)自己的興趣愛好向不同的方向分流和發(fā)展，成為以3D打印教育為主題的、由不發(fā)散的獨立課程構(gòu)成的課程群。下面介紹三個不同研究方向的3D打印教育案例。

【魯班鎖】小學四、五年級是學生立體概念建立的關(guān)鍵時期。魯班鎖正是這樣一個挑戰(zhàn)空間想象力的益智玩具。在以往的數(shù)學教學中，學生僅僅是通過拆解魯班鎖來學習，學生理解有難度。但在3D打印教學中，學生從觀察模塊、測量、繪制開始，通過數(shù)據(jù)的計算，從原理上對魯班鎖增加了理解。

對數(shù)學感興趣的孩子通過魯班鎖3D打印的學習，不僅僅對魯班鎖的立體圖形有了更加直觀的認識，更是通過學習繪制原型圖、三視圖（正視圖、俯視圖、側(cè)視圖），經(jīng)歷了從實物模型到平面圖形的過程。這是一個從具體到抽象再到具體的過程，借助繪制三視圖，讓學生提高空間想象力和幾何直觀能力。

【我的校園】“我的校園”是對建筑感興趣的學生進行的第一個3D打印實踐項目。史家小學的校園外形現(xiàn)代氣息濃厚，結(jié)構(gòu)復雜，有別于板式建筑，對學生的3D建模能力是一個極大的挑戰(zhàn)。

在3D建模的時候，我們按照先部分再整體，通過小區(qū)域的繪制構(gòu)建整體概念掌握完整數(shù)據(jù)，再逐漸增加繪制難度，挑戰(zhàn)完整校園的3D建模。而在實際的操作過程中，學生還要先后獨立解決平面圖識圖、校園丈量、等比例縮放等相關(guān)知識的學習和操作。最后，還向模型組的同學學習模型涂色的方法，將3D打印出來的校園模型涂成了彩色的。項目實施過程使學生切身感受到所學知識與實踐應(yīng)用密切相關(guān)，提高學生自主探究學習的意識，拓寬了學習的領(lǐng)域。

【創(chuàng)客挑戰(zhàn)賽】創(chuàng)客挑戰(zhàn)賽是模擬網(wǎng)絡(luò)上流行的“創(chuàng)客24小時”項目，設(shè)定一個電子科技類的項目主題，要求必須使用3D打印和Arduino模塊在規(guī)定時間內(nèi)完成作品。這個項目正是采用以解決方案為導向的思維形式，從要達成的成果著手，探索問題的解決方案。此次的項目主題是“能與人交互的燈光裝置”，學生們結(jié)組完成，第一次經(jīng)歷了頭腦風暴，因為設(shè)計方向不同而爭吵，但是有了碰撞才能產(chǎn)生火花，設(shè)計就在爭吵中不斷完善。第一次在測量了Arduino模塊后，信心滿滿，打印的燈具卻小了，由此學會了檢查、調(diào)整，認識到即使是一個小小的疏忽也可以毀掉一件大大的作品。第一次完成具有實際使用意義的全自主設(shè)計、打印、編程、組裝的燈具，可以實現(xiàn)在周圍光線變暗時光帶閃爍并響起校歌的音樂，學生們的成就感得到了極大的滿足。正是因為有了3D打印，才讓學生在抽象概念和直觀經(jīng)驗之間自由轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)將學生的設(shè)計想法有效地可視化，更早地發(fā)現(xiàn)錯誤和不足，引導學生走向創(chuàng)新驅(qū)動的設(shè)計過程，這不僅僅培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新精神，更增強了創(chuàng)新行動力。

我校3D打印教育未來發(fā)展方向

（1）進一步促進跨學科整合的學習樣態(tài)的形成。跨學科整合一直是教育界探討的問題，通過實踐，在3D打印教育中進行跨學科整合是可行的、有效的。在未來的教育實踐中，探索通過設(shè)計更加科學的3D打印學習項目，促進更多學科融入其中，形成多學科整合的學習樣態(tài)，使學生實現(xiàn)跨學科的多元學習。

（2）搭建創(chuàng)新能力培養(yǎng)網(wǎng)絡(luò)學習資源平臺。搭建包括3D打印教育在內(nèi)的創(chuàng)新能力培養(yǎng)網(wǎng)絡(luò)學習資源平臺，使學生的學習不僅僅發(fā)生在課堂。設(shè)計、創(chuàng)造自己的作品時，可以根據(jù)需要進行個性化的學習。創(chuàng)建教師資源庫、專家資源庫，甚至學生小老師資源庫，向別人學習的同時也成為別人的指導者，將“單腦”智慧增容為“多腦”智慧。

（3）創(chuàng)設(shè)模擬情境，促進創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。通過3D打印不僅可以將學生的創(chuàng)新成果物化，還可以重復制造使物化的成果得到批量生產(chǎn)。基于學習科學理論，搭建模擬的商業(yè)情境，讓學生對自己的創(chuàng)新成果進行推廣展示，進一步增強學生的成就感；學會市場分析和銷售方法，以市場的實際需求促進其創(chuàng)新能力的不斷增強。

（作者單位：北京市東城區(qū)史家小學）