本文由智創(chuàng)空間云平臺的王同聚供稿
本文發(fā)表于《教育信息技術(shù)》2016年第6期P11-14
摘要：隨著互聯(lián)網(wǎng)+創(chuàng)客時代的到來，3D打印技術(shù)已成為當(dāng)今時代的新潮標(biāo)志，也是創(chuàng)客教育的新寵，“智創(chuàng)空間”把3D打印技術(shù)列為創(chuàng)客教育“三劍客”之一，在中小學(xué)創(chuàng)客教育中進(jìn)行了探索。該文根據(jù)3D打印技術(shù)具有“設(shè)計即生產(chǎn)”的特點(diǎn)，把3D打印技術(shù)應(yīng)用在中小學(xué)創(chuàng)客教育實(shí)踐中，讓師生創(chuàng)客通過動手設(shè)計和深度體驗，激發(fā)師生創(chuàng)客跨學(xué)科學(xué)習(xí)和創(chuàng)意智造的熱情，從而培養(yǎng)師生創(chuàng)客的空間想象能力、創(chuàng)新思維能力和創(chuàng)造設(shè)計能力。讓師生創(chuàng)客通過玩中做、做中學(xué)、學(xué)中做、做中創(chuàng)，探索3D打印技術(shù)在中小學(xué)創(chuàng)客教育和STEAM教育中應(yīng)用的有效途徑。
關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù)；創(chuàng)客教育；STEAM教育；創(chuàng)客教育“三劍客”；智創(chuàng)空間
一. 3D打印技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀
2015年11月，國務(wù)院印發(fā)《關(guān)于積極發(fā)揮新消費(fèi)引領(lǐng)作用加快培育形成新供給新動力的指導(dǎo)意見》提出“推動3D打印、機(jī)器人、基因工程、網(wǎng)絡(luò)安全等細(xì)分產(chǎn)業(yè)加快發(fā)展，開拓消費(fèi)新領(lǐng)域。支持可穿戴設(shè)備、智能家居、數(shù)字媒體等市場前景廣闊的新興消費(fèi)品發(fā)展?！盵1]目前，3D 打印技術(shù)已在工業(yè)造型、機(jī)械制造、航空航天、軍事、建筑、影視、家電、輕工、醫(yī)學(xué)、考古、文化藝術(shù)、雕刻、首飾等領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。
同時3D打印技術(shù)在我國中小學(xué)校開展創(chuàng)客教育和STEAM教育時發(fā)揮了重要作用，為中小學(xué)生的學(xué)習(xí)方式帶來新的變革，通過3D打印實(shí)體的觸覺體驗，可讓學(xué)生的想象變成現(xiàn)實(shí)，達(dá)到“所思即所得”的教學(xué)效果。目前我國很多中小學(xué)校都配備了3D打印機(jī)，如2015年由云南省財政廳、省教育廳安排專項采購資金6820萬元，為全省5365所中小學(xué)配備6000套3D打印成套設(shè)備[2]。同時很多學(xué)校開設(shè)了3D設(shè)計課程，并把3D打印技術(shù)應(yīng)用到不同學(xué)科教學(xué)中，多角度展示了3D打印技術(shù)在促進(jìn)學(xué)科教與學(xué)的功能優(yōu)勢和應(yīng)用方式，為優(yōu)化技術(shù)與學(xué)科知識的整合提供可借鑒的觀點(diǎn)與方法。
有些中小學(xué)校在數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、生物、科學(xué)、機(jī)器人等學(xué)科的教學(xué)中，用3D打印技術(shù)打印出了各種教學(xué)模型，作為輔導(dǎo)教學(xué)使用。在中小學(xué)創(chuàng)客教育進(jìn)程中，師生創(chuàng)客們通過玩中做、做中學(xué)、學(xué)中做、做中創(chuàng)，應(yīng)用3D打印技術(shù)通過動手設(shè)計和深度體驗，激發(fā)了師生創(chuàng)客們跨學(xué)科學(xué)習(xí)和創(chuàng)意智造的熱情，從而培養(yǎng)師生創(chuàng)客的空間想象能力、創(chuàng)新思維能力和創(chuàng)造設(shè)計能力。
二. 核心概念界定
（一）3D打印技術(shù)
3D打印技術(shù)是快速成型技術(shù)的一種，是以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。3D打印機(jī)是快速成形技術(shù)的一種機(jī)器[3]。3D打印技術(shù)具有制造快速、CAD/CAM技術(shù)集成、完全再現(xiàn)三維效果、創(chuàng)造顯著經(jīng)濟(jì)效益和應(yīng)用行業(yè)領(lǐng)域廣泛等特點(diǎn)[4]。
（二）創(chuàng)客教育
創(chuàng)客教育目前還沒有一個確切的定義。謝作如、吳俊杰等在2016年2月創(chuàng)客教育專家委員會第一次會議上通過集體討論對現(xiàn)階段創(chuàng)客教育緞給出一個新的定義：創(chuàng)客教育是創(chuàng)客文化與教育的結(jié)合，基于學(xué)生興趣，以項目學(xué)習(xí)的方式，使用數(shù)字化工具，倡導(dǎo)造物，鼓勵分享，培養(yǎng)跨學(xué)科解決問題能力、團(tuán)隊協(xié)作能力和創(chuàng)新能力的一種素質(zhì)教育[5]。
（三）STEAM教育
STEAM教育前身為上世紀(jì)80年代美國人提出的STAM教育，包含四個學(xué)科：Science(科學(xué))、Technology(技術(shù))、Engineering(工程)、Mathematics(數(shù)學(xué))，由奧巴馬大力推進(jìn)這種綜合課程的實(shí)施，旨在從小培養(yǎng)學(xué)生動手、創(chuàng)新、綜合運(yùn)用科學(xué)知識的能力。隨后，在原有四科的基礎(chǔ)上加入了Art(藝術(shù))學(xué)科，多個學(xué)科相融合從而得到STEAM教育[6]。
三. 3D打印技術(shù)在中小學(xué)創(chuàng)客教育中的應(yīng)用
創(chuàng)客教育和STEAM教育的價值在于將傳統(tǒng)知識學(xué)習(xí)和教育實(shí)踐與培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和創(chuàng)新實(shí)踐能力相結(jié)合，都注重學(xué)習(xí)的過程動手實(shí)操和親身體驗，主張做中學(xué)、學(xué)中做、做中創(chuàng)，讓學(xué)生在項目學(xué)習(xí)和活動體驗中發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題，最終達(dá)到創(chuàng)意智造和實(shí)踐創(chuàng)新的目標(biāo)。
3D打印技術(shù)應(yīng)用包括3D設(shè)計建模和3D打印輸出兩個部分，3D打印輸出只是把創(chuàng)新設(shè)計的3D數(shù)字模型進(jìn)行實(shí)體化的過程，而3D設(shè)計建模才是3D打印技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因此在中小學(xué)利用3D打印技術(shù)在開展創(chuàng)客教育和STEAM教育時可以參考北京市東城區(qū)的具體做法，開設(shè)三維創(chuàng)意設(shè)計課程——以三維設(shè)計軟件和3D打印機(jī)應(yīng)用為主的課程。
此類課程在義務(wù)教育階段主要以兩種形式呈現(xiàn)。
第一，以專業(yè)三維設(shè)計軟件的學(xué)習(xí)為基礎(chǔ)的課程。學(xué)生在學(xué)習(xí)應(yīng)用專業(yè)三維設(shè)計軟件的過程中，根據(jù)不同開放性的設(shè)計要求進(jìn)行探究式設(shè)計并應(yīng)用3D打印機(jī)將設(shè)計模型實(shí)體化的學(xué)習(xí)過程。
第二，以簡易三維設(shè)計軟件的學(xué)習(xí)為基礎(chǔ)的課程。學(xué)生在完成某項任務(wù)或項目中學(xué)會并應(yīng)用簡易三維設(shè)計軟件的某項或某幾項功能完成作品設(shè)計，并通過3D打印機(jī)將設(shè)計實(shí)體化的學(xué)習(xí)過程[7]。同時可以采用3D掃描儀進(jìn)行快速3D設(shè)計，完成3D打印建模。
師生創(chuàng)客通過3D設(shè)計軟件進(jìn)行設(shè)計建模的過程中，通過對日常生活中身邊遇到的問題進(jìn)行觀察探究、親自體驗，最后動手設(shè)計出獨(dú)一無二、新奇好玩的創(chuàng)意作品。從而培養(yǎng)師生創(chuàng)客的空間想象能力、創(chuàng)新思維能力、解決問題的能力。通過3D打印機(jī)、3D軟件設(shè)計和3D掃描儀的應(yīng)用，來推動中小學(xué)創(chuàng)客教育和STEAM教育的進(jìn)程。
1. 3D打印機(jī)在中小學(xué)創(chuàng)客教育和STEAM教育中的應(yīng)用
筆者所在單位于2015年在全國電教系統(tǒng)建成了第一個市級“智能機(jī)器人創(chuàng)客教育體驗中心”，配置了1間智慧教室、100多臺各種機(jī)器人、10臺3D打印機(jī)和2臺3D掃描儀，為開展創(chuàng)客教育提供了先進(jìn)的軟硬件設(shè)備和300多平米的活動場地。
筆者攜創(chuàng)客教育研究團(tuán)隊率先創(chuàng)建了“智創(chuàng)空間”，編寫出版了創(chuàng)客教育教材，構(gòu)建了“微課導(dǎo)學(xué)”創(chuàng)客教育教學(xué)模式，提出了以智能機(jī)器人設(shè)計制作、3D打印技術(shù)應(yīng)用與Scratch與機(jī)器人融合作為創(chuàng)客教育“三劍客”[8]，把3D打印技術(shù)應(yīng)用作為中小學(xué)開展創(chuàng)客教育的重要載體，通過3D打印機(jī)的具體應(yīng)用來踐行創(chuàng)客教育和STEAM教育。
3D打印機(jī)與傳統(tǒng)打印機(jī)最大的區(qū)別在于使用的“墨水”不同。3D打印機(jī)常用的“墨水”有ABS樹脂（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物，英文名稱Acrylonitrile Butadiene Styrene，是一種強(qiáng)度高、韌性好、易于加工成型的熱塑型高分子材料）、PLA再生塑料（聚乳酸，英文名稱Polylactic acid，是使用可再生的植物資源（如玉米）所提出的淀粉原料制成，具有良好的生物可降解性，是公認(rèn)的環(huán)境友好材料），這些固體材料通過電腦程序控制，在打印頭中加熱變成液體后擠出，在空氣中迅速冷卻后又變成固體，像春蠶吐絲一樣通過層層堆積，最后由3D數(shù)字模型轉(zhuǎn)變化為3D固體模型，完成了3D打印任務(wù)。
另外還有像普通塑料、尼龍、石蠟、食材、紙、水泥、金屬或陶瓷的粉末等都可以作為3D打印機(jī)的“墨水”。在中小學(xué)創(chuàng)客教育和STEAM教育中，師生創(chuàng)客們可以利用3D打印機(jī)將自己的想法變成現(xiàn)實(shí)，把各學(xué)科中的一個知識點(diǎn)或問題以可視化的3D打印作品呈現(xiàn)出來，能較好地把學(xué)科教學(xué)與3D打印技術(shù)建立有機(jī)聯(lián)系。
如語文、英語學(xué)科可把課文中有代表性的人物、建筑物打印出來，幫助學(xué)生理解課文的故事情節(jié)；數(shù)學(xué)學(xué)科把立體幾何模型打印出來，幫助學(xué)生理解三維空間圖形結(jié)構(gòu)；物理學(xué)科把抽象的磁力線、電力線結(jié)構(gòu)圖形打印出來，把無形抽象的知識有形化；化學(xué)學(xué)科可打印出3D分子、原子模型，把微觀粒子結(jié)構(gòu)實(shí)體化；生物學(xué)科可以把細(xì)胞、病毒、器官等打印出來，把不能直接看到的內(nèi)容樣本化；歷史系學(xué)科用3D打印機(jī)復(fù)制有考古意義的古代器物，方便進(jìn)一步的觀察和研究；地理學(xué)科可以用3D打印機(jī)打印出真實(shí)的地勢圖和人口分布圖，可更直觀地分析地形及該區(qū)域的人口分布；美術(shù)學(xué)科可以用3D打印機(jī)制作3D藝術(shù)品，提高美術(shù)作品的創(chuàng)新性和觀賞性；在機(jī)器人制作課程中可打印自己設(shè)計出的機(jī)器人配件，根據(jù)自己的想象發(fā)明一臺新型機(jī)器人等。
因此，師生創(chuàng)客們可以借助3D打印技術(shù)創(chuàng)建“體驗式的3D打印技術(shù)學(xué)習(xí)中心”，讓師生創(chuàng)客主動參與到3D打印技術(shù)應(yīng)用設(shè)計的實(shí)踐活動中，通過親自動手操作3D打印機(jī)獲得直接的學(xué)習(xí)體驗，有助于師生創(chuàng)客進(jìn)行自主學(xué)習(xí)、專題學(xué)習(xí)、個性化學(xué)習(xí)和探究式學(xué)習(xí)，培養(yǎng)師生創(chuàng)客分析問題、解決問題、科學(xué)探究和創(chuàng)新思維的能力。
2. 3D掃描儀在中小學(xué)創(chuàng)客教育和STEAM教育中的應(yīng)用
3D打印機(jī)只能把3D數(shù)字模型變成3D實(shí)物模型，而3D數(shù)字模型的來源之一就是通過3D掃描儀進(jìn)行建模。為了解3D掃描儀的建模原理，“智創(chuàng)空間”專門購買了2臺國外生產(chǎn)的一款手持3D掃描儀。由于購買3D掃描儀時對其性能了解不多，也沒有相應(yīng)的中文使用說明書，這給設(shè)備的使用帶來了很大難度。為了把設(shè)備用起來，筆者邊查字典邊操作實(shí)驗，通過網(wǎng)上微課視頻學(xué)習(xí)其操作方法，費(fèi)了九牛二虎之力，雖然在電腦屏幕上掃描軟件中出現(xiàn)了3D影像，但模糊不清，掃描效果慘不忍睹。
為了提高3D掃描質(zhì)量，筆者作為一名資深攝影愛好者，充分發(fā)揮創(chuàng)客精神把攝影攝像的原理和技術(shù)全部用到了3D掃描儀的調(diào)試中，為增加成像的清晰度，對掃描儀的周邊設(shè)計進(jìn)行了多項創(chuàng)新性改造：
（1）為3D掃描儀裝上攝影用的三腳架，保證其成影質(zhì)量；
（2）由于3D掃描儀需要對掃描對象進(jìn)行360度掃描，于是在淘寶網(wǎng)淘到了可調(diào)速勻速旋轉(zhuǎn)的電動餐桌轉(zhuǎn)盤作云臺；
（3）為提高光照強(qiáng)度購買了光度可調(diào)、色溫可調(diào)的LED無影攝影燈。功夫不負(fù)有心人，經(jīng)過升級周邊設(shè)備，利用創(chuàng)客的思維模式，經(jīng)過幾天實(shí)驗解決了掃描成像不清的難題，為師生創(chuàng)客在3D掃描物體和人像時提供了較好的體驗創(chuàng)作環(huán)境，能順利地完成靜物和人像的3D掃描建模，得到質(zhì)量較高的3D打印設(shè)計模型。
讓師生創(chuàng)客們通過3D掃描儀建模，為同伴掃描人像和教學(xué)用具，從掃描——修圖——實(shí)體化——保存為STL格式3D模型文件——切片軟件轉(zhuǎn)換成3D打印機(jī)能識別的X3G格式文件——用3D打印機(jī)打印出人像和教學(xué)用具模型等一系列實(shí)操過程，能夠讓師生創(chuàng)客們形象地感知到3D打印模型與2D照片的本質(zhì)區(qū)別，通過3D掃描儀與3D打印機(jī)的配合應(yīng)用，來獲得3D打印模型相關(guān)知識內(nèi)容，有助于培養(yǎng)師生創(chuàng)客的觀察能力、分析能力和理解能力。
3. 3D設(shè)計軟件在中小學(xué)創(chuàng)客教育和STEAM教育中的應(yīng)用
目前常用的3D設(shè)計軟件有UG、Pro/E、CATIA、SolidWorks、Inventor、中望3D、3Done、3DS MAX、MAYA、Lightwave等多種。其中SolidWorks、Inventor、中望3D、3Done是3D建模軟件；UG、Pro/E、CATIA除了可以進(jìn)行3D建模還有后繼受力分析、優(yōu)化等更強(qiáng)大的功能，而3DS MAX 、MAYA、Lightwave主要是制作3D動漫的軟件。
這些軟件功能都相當(dāng)強(qiáng)大，我們的日常生活用品和平時觀看的動畫片都可以用這些軟件制作出來，但遺憾的是，大多數(shù)3D設(shè)計軟件學(xué)起來都比較難，很多人聽說3D設(shè)計軟件就有種恐懼感。為了降低使用軟件的難度，“智創(chuàng)空間”選擇3Done軟件開展3D設(shè)計建模的教學(xué)，該軟件的設(shè)計界面非常簡潔，操作方便，簡單易學(xué)，讓設(shè)計的過程變得更加輕松愉悅，可以稱為“傻瓜式”三維設(shè)計軟件。
通過3D建模設(shè)計軟件的學(xué)習(xí)和體驗，讓師生創(chuàng)客們盡快掌握3D建軟件的使用方法，設(shè)計出屬于自己創(chuàng)意的3D模型，對初學(xué)者來說3Done軟件可以幫助師生創(chuàng)客解決3D建模設(shè)計的難題。例如：如果要設(shè)計一個簡單的六面體3D模型，只需要用鼠標(biāo)單擊【基本實(shí)體】→【六面體】，在網(wǎng)格面上任意位置單擊即可生成一個六面體。如果要改六面體的大小、形狀時，只需用鼠標(biāo)拖拉或在設(shè)置參數(shù)對話框中輸入相應(yīng)數(shù)值即可。
3Done軟件可以應(yīng)用在各學(xué)科的教學(xué)模型的設(shè)計中，以智能機(jī)器人設(shè)計制作課程為例，師生創(chuàng)客們可以根據(jù)自己的想象規(guī)劃機(jī)器人設(shè)計方案，機(jī)器人的結(jié)構(gòu)配件和外觀裝飾都可以用3Done軟件進(jìn)行建模，生成STL格式文件，再利用ReplicatorG或Makerware切片軟件將STL格式文件轉(zhuǎn)換為3D打印機(jī)可識別的X3G格式文件，通過聯(lián)機(jī)或SD卡把文件傳送到3D打印機(jī)上，打印出自己設(shè)計的3D機(jī)器人模型，最后組裝成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的創(chuàng)意機(jī)器人。
近幾年來廣東省和廣州市中小學(xué)電腦機(jī)器人競賽活動都設(shè)置了“智能垃圾分類收集機(jī)器人競賽”項目，機(jī)器人配件要求用3D打印機(jī)打?。粰C(jī)器人創(chuàng)意設(shè)計項目更能發(fā)揮3D打印機(jī)的優(yōu)勢，參賽選手可以根據(jù)自己的想法設(shè)計出“所思即所得”的創(chuàng)意智造作品，從而培養(yǎng)創(chuàng)客們的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新設(shè)計能力。
4. 結(jié)束語
創(chuàng)客教育融合信息技術(shù)的發(fā)展,開拓了創(chuàng)新教育的新園地[9]。在3D打印技術(shù)能夠?qū)㈦娔X里的虛擬3D數(shù)字模型快速地打印出3D實(shí)物模型功能的支持下，師生創(chuàng)客可以將時間和精力投入到創(chuàng)新設(shè)計環(huán)節(jié)，讓師生創(chuàng)客在抽象概念和直觀經(jīng)驗之間自由轉(zhuǎn)換，使設(shè)計思路實(shí)現(xiàn)可視化和實(shí)體化，師生創(chuàng)客們通過玩中做、做中學(xué)、學(xué)中做、做中創(chuàng)，有助于培養(yǎng)創(chuàng)客們的創(chuàng)新思維、創(chuàng)新精神和創(chuàng)造能力，從“思”到“造”再到“創(chuàng)”，讓學(xué)生的想象力得到實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計和創(chuàng)意智造。
隨著3D打印技術(shù)的不斷完善和進(jìn)步，3D打印技術(shù)正融入到我們的生活、工作和學(xué)習(xí)中，3D打印技術(shù)必將成為基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)的創(chuàng)客教育的重要組成部分。師生創(chuàng)客通過主動參與創(chuàng)新設(shè)計，全面細(xì)致地分析打印任務(wù)，充分發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力，最終打印出個性化的創(chuàng)新設(shè)計作品，為教育教學(xué)服務(wù)，從而推動了3D打印技術(shù)在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用，為更多學(xué)校引進(jìn)3D打印技術(shù)，變革教與學(xué)的模式起到示范與引領(lǐng)作用。
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注：本文系全國教育信息技術(shù)研究“十二五”規(guī)劃2012年度重點(diǎn)課題子課題“微課在中小學(xué)機(jī)器人教育中的應(yīng)用研究”(立項號：123620577-0037)研究成果、廣東省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃2012年度教育信息技術(shù)研究課題“中小學(xué)智能機(jī)器人科技教育教學(xué)模式的構(gòu)建與評價研究”（立項號：12JXN011）和2016年廣州市青少年科技教育項目“基于智能機(jī)器人創(chuàng)客教育的科技教師培訓(xùn)”（立項號：2016-299）研究成果。
作者：王同聚
來源：智創(chuàng)空間云平臺
推薦閱讀：
中小學(xué)創(chuàng)客空間：http://www.sdwhjm.com/news/2017/853.html
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更新時間：2017-04-05
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