3D打印，改變未來生活和教育的科技

陳染

2014年11月，美國宇航局（NASA）向國際空間站指令長發(fā)送一封郵件，在空間站工作的3D打印機收到郵件后，打印出一個扳手，這是第一個3D打印制造“太空工具”的嘗試。以往，如果宇航員需要一個扳手，需要等待下一次運載火箭發(fā)射，這個時間往往需要數(shù)周甚至數(shù)月，運輸成本和風(fēng)險也比較高。而現(xiàn)在，在材料合適的情況下，只需要發(fā)送一封郵件，就可以在空間站的3D打印機中制作出來，3D打印技術(shù)大大節(jié)省了空間站的運營成本。目前，這封郵件已經(jīng)公開，你可以在其官網(wǎng)上免費下載文檔，自己打印一個國際空間站同款扳手[1]。

扳手雖小，但它卻是3D打印技術(shù)帶來的新工業(yè)革命的一種體現(xiàn)。今天，3D打印已經(jīng)悄悄走出了工廠，來到了社區(qū)、家庭和學(xué)校。未來生活中3D打印將會是一個司空見慣的技能：日常生活中臨時需要修理工具，只需要在網(wǎng)上下載，自己打印出來即可；孩子生日了想送獨特的巧克力蛋糕，自己設(shè)計模型，就能夠用3D打印出來；你想到了一個解決生活問題的小設(shè)計，也可以用3D打印制作出來。

什么是3D打印？

說到打印，我們最熟悉的莫過于噴墨打印機了。噴墨打印機根據(jù)電腦的指令，將墨水逐行精確地噴灑在打印媒介上，生成文字或圖像。3D打印也采用了類似的原理，根據(jù)電腦指令將打印原料逐層精確地堆積在空間位置，生成打印物品。

早期的3D打印多是通過擠壓打印噴頭來形成鑄件或液體材料，比如熱塑性的ABS塑料等。目前3D打印技術(shù)的方式更加多樣化，光聚功能3D打印技術(shù)、粉末黏合3D打印技術(shù)、層疊制造3D打印技術(shù)相繼出現(xiàn)；打印材料也從塑料擴展到金屬、陶瓷、生物材料，甚至食品原料；打印的尺寸、精度及速度也在逐漸提升，在未來3D打印的領(lǐng)域也將大大擴展，可以滿足人們在不同場景下的打印需求[2]。

3D打印將帶來什么？

在過去，如果你想設(shè)計一款產(chǎn)品，需要在圖紙上設(shè)計好，然后到工廠進(jìn)行開模，才能做成原型產(chǎn)品。開模成本很貴，花費的時間很長，這些原因讓很多優(yōu)秀的發(fā)明創(chuàng)造直接胎死腹中。而以3D打印為代表的桌面制造，正在悄然改變這種現(xiàn)狀。

很多人認(rèn)為3D打印是一個高新技術(shù)，其實不然。3D打印技術(shù)最早出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代，但早期的3D打印機器大且昂貴，不能真正地走進(jìn)大眾生活[3]。隨著技術(shù)的發(fā)展，在近十年的時間里，3D打印機變得小型化和桌面化，打印材料廉價化，生產(chǎn)不再被工廠壟斷，每一個人都可以制作出自己的產(chǎn)品。

3D打印具有快速成型的特點。以往需要大量時間成本和勞動力的開模制作，現(xiàn)在只需要一臺3D打印機就可以在很短的時間內(nèi)自動完成，而且費用甚至是前者的一個零頭。在制造生產(chǎn)模型和工具中，設(shè)計師用更少的時間和更廉價的成本就可以把自己的想法用直接數(shù)字化制造的方式呈現(xiàn)出來。

3D打印讓個人制造變成可能。隨著3D打印機的桌面化，大多數(shù)人都有能力購買一臺小型3D打印機，就可以設(shè)計和生產(chǎn)自己個性化的產(chǎn)品。3D打印的軟件也更加人性化，容易操作，大大降低了學(xué)習(xí)成本。隨著創(chuàng)客文化的深入人心，越來越多創(chuàng)客社區(qū)為個人制造提供了發(fā)展和交流的空間，每個人都可以將制作的打印文件分享在刨客社區(qū)，促進(jìn)了大眾創(chuàng)新。

3D打印給科技教育帶來了什么？

3D打印不僅帶來了生產(chǎn)技術(shù)的變革，同時也對科技教育產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。2016年新媒體聯(lián)盟發(fā)布中國基礎(chǔ)教育技術(shù)展望的《地平線報告》中，3D打印技術(shù)被視為將在2?3年內(nèi)采納的一項教育技術(shù)的重大進(jìn)展?！兜仄骄€報告》項目組認(rèn)為，教師通過3D打印的手段獲得不太容易得到的物品，從而方便在教學(xué)中進(jìn)行真實的探究，學(xué)生也可以自己親手生成模型，賦予學(xué)習(xí)更多的可能[4]。

在以往的科技教育活動中，學(xué)生在進(jìn)行某些小發(fā)明小創(chuàng)作的時候，盡管花了很多時間和精力，但作品一般較為粗糙，而且往往只能是孤品。在課堂中引入3D打印技術(shù)，使學(xué)生的制作更加快速、精致，易于復(fù)制。

目前，很多學(xué)校正在探索如何將3D打印技術(shù)融入課堂。3D打印技術(shù)在課堂中怎樣開展？它能夠給學(xué)生帶來什么樣的改變？帶著這些問題，筆者采訪了北京東城區(qū)史家小學(xué)的陳綱老師，看一看史家小學(xué)的“三維創(chuàng)意設(shè)計課”是如何進(jìn)行的。

“三維創(chuàng)意設(shè)計課”是史家小學(xué)近兩年開設(shè)的一門面向3—6年級學(xué)生的課程，每周開設(shè)2小時。從基礎(chǔ)的課程3D模型設(shè)計開始，對3D打印進(jìn)行深度探究。

課程的入門階段，學(xué)生需要對3D打印知識有一個基礎(chǔ)認(rèn)識，如三軸三面是怎么回事，用什么樣的原則來處理3D模型。陳綱老師說，入門階段是學(xué)生學(xué)習(xí)最難的階段，需要用好幾周的時間才能讓學(xué)生明白3D打印的基礎(chǔ)知識。我們從筆筒和杯子兩個基本的形狀開始，讓學(xué)生創(chuàng)作各種不同類型的器具，在動手做的過程中學(xué)會3D打印的基礎(chǔ)知識及軟件使用的技巧。

“三維創(chuàng)意設(shè)計課”與其他多門課程進(jìn)行跨學(xué)科整合，使學(xué)生對三維設(shè)計產(chǎn)生更深入的認(rèn)識。例如，在課程制作項目中，與另一門人文素養(yǎng)課程“國博課”相結(jié)合，讓學(xué)生用3D打印的方式復(fù)原出國家博物館的館藏文物，不僅加深了學(xué)生的動手制作能力，同時也讓學(xué)生的人文素養(yǎng)得到進(jìn)一步提升。

最后，“三維創(chuàng)意設(shè)計課”還為五六年級的學(xué)生提供了一個3D打印實踐項目一一我的校園。學(xué)生通過項目式學(xué)習(xí)的方式，用3D打印制作一個校園的等比例模型。史家小學(xué)的校園建筑極具現(xiàn)代氣息，學(xué)生非常熟悉并熱愛自己的校園建筑。但對于學(xué)生來說，這種認(rèn)識和熱愛是非常抽象的，學(xué)校具體有多大，他們并沒有一個明確的概念。課程向?qū)W生提供學(xué)校的平面圖，學(xué)生分組對校園的各個部分丈量，并進(jìn)行等比例縮放，在電腦中構(gòu)建校園的三維模型，用3D打印制作出來，并涂繪成彩色的校園模型。

“我的校園”項目讓學(xué)生的作品制作不再拘泥于眼前的小設(shè)計，而是一個巨大的模型。學(xué)生需要考慮很多問題：用怎樣的方法才能丈量校園、等比例縮放到多大合適、3D打印的內(nèi)部結(jié)構(gòu)支撐怎樣制作等。很多困難是學(xué)生在制作之前想象不到的。學(xué)生在制作過程中，將數(shù)學(xué)、美術(shù)、勞技等課程知識整合起來，提髙了自主學(xué)習(xí)的意識、拓寬了學(xué)習(xí)領(lǐng)域[5]。

在“三維創(chuàng)意設(shè)計課”中，3D打印幫助學(xué)生實現(xiàn)從模仿到擴展再到跨越，“鸚鵡螺無源揚聲器”的設(shè)計就是這樣的過程（見題圖）。首先，學(xué)生通過對校園中現(xiàn)實需求的分析，提出無源揚聲器的設(shè)想。接著，通過數(shù)學(xué)和物理的研究性學(xué)習(xí)，發(fā)現(xiàn)螺線對于揚聲器的意義。最后，模仿鸚鵡螺的形狀，結(jié)合現(xiàn)實需求，用3D打印的方式設(shè)計出一款鸚鵡螺形狀的無源揚聲器，并用3D打印的方式生產(chǎn)出來。

在3D打印中，創(chuàng)意的實現(xiàn)不再是某個學(xué)生的靈光一現(xiàn)，而是一個長期的迭代過程，每一屆的學(xué)生都可以對往屆作品進(jìn)行修改?！叭S創(chuàng)意設(shè)計課”的作品可以讓學(xué)生帶回家，還可以進(jìn)行批量生產(chǎn)進(jìn)行銷售，培養(yǎng)學(xué)生的商業(yè)能力。通過這些鼓勵方法增強學(xué)生的成就感，為學(xué)生增加創(chuàng)新的動力。

參考文獻(xiàn)

[1]國際空間站用首臺太空3D打印機制造出扳手.中國新聞網(wǎng).2014—12—21

[2]克里斯多夫.3D打?。赫诘絹淼墓I(yè)革命.北京：人民郵電出版社，2016

[3] Exploring the 3D printing opportunity. Fiancial Times. 2012—08-09

[4]L.Johnson，劉德建，黃榮懷，等.2016新媒體聯(lián)盟中國基礎(chǔ)教育技術(shù)展望：地平線項目區(qū)域報告.浙江教育技術(shù)，2016（1）：36-40

[5]陳綱.從“思”到“造”——3D打印教育助理小學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng).中小學(xué)信息技術(shù)教育，2016（4）：13—15endprint