中小學(xué)3D打印課程的“根”與“魂”.doc

中小學(xué)3D打印課程的“根”與“魂” 2015年至2016年期間，“3D打印課程”在全國各地的中小學(xué)中如雨后春筍般蓬勃發(fā)展，越來越多基礎(chǔ)教育階段中的學(xué)校參與到了這場“3D打印課程”牽引下的創(chuàng)新教育改革熱潮中來。其中比較典型的有：北京市東城區(qū)形成的以“三維創(chuàng)意設(shè)計與3D打印課程”為起點的小、初、高一體化創(chuàng)新課程人才培養(yǎng)模式，并建立了打破學(xué)段限制的創(chuàng)新課程整體評價方式；各類適合中小學(xué)生使用的三維設(shè)計軟件，在網(wǎng)絡(luò)上每天都有近千人的下載量，每周都有近千所的中小學(xué)進(jìn)行注冊，每月在線學(xué)習(xí)“3D打印課程”的人數(shù)正在呈幾何倍數(shù)的增長態(tài)勢。那么究竟是什么原因，導(dǎo)致了這場以“3D打印課程”為核心的中小學(xué)創(chuàng)新教育改革呢？ 3D打印課程將成為中小學(xué)創(chuàng)新教育發(fā)展的核心 國家領(lǐng)導(dǎo)人的高度重視。國家主席習(xí)近平，國務(wù)院總理李克強(qiáng)，曾在多地考察，及國內(nèi)、國際會議中強(qiáng)調(diào)“3D打印技術(shù)”的重要性。2016年3月5日，第十二屆全國人民代表大會第四次會議中， 3D打印被列入“十三五”國家規(guī)劃綱要。 時代發(fā)展的必然產(chǎn)物。近年來，“創(chuàng)客”“互聯(lián)網(wǎng)+”“政府和社會資本合作模式”等新概念首次進(jìn)入到了我國政府工作報告中，引發(fā)了海內(nèi)外的關(guān)注?！?D打印” “三維設(shè)計”“創(chuàng)客”“STEM”“STEAM”“創(chuàng)客空間”等新詞、熱詞，不斷出現(xiàn)在社會的各個領(lǐng)域中?！按蟊妱?chuàng)業(yè)，萬眾創(chuàng)新”的國家政策扶植，是培育和催生經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展新動力的必然選擇；是擴(kuò)大就業(yè)、實現(xiàn)富民之道的根本舉措；是激發(fā)全社會創(chuàng)新潛能和創(chuàng)業(yè)活力的有效途徑。時代的要求催生社會的需求，繼而帶動教育的發(fā)展。在基礎(chǔ)教育階段的創(chuàng)新教育，最關(guān)鍵的是要在相對安全的前提下，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造潛能與實踐能力。3D打印技術(shù)在充分保證學(xué)生操作安全的基礎(chǔ)上，有效地解決了我國基礎(chǔ)教育階段中學(xué)生動手能力弱、工藝水平無法保證的問題。 基礎(chǔ)教育階段中3D打印課程的核心 在基礎(chǔ)教育階段中，3D打印課程的核心是利用3D打印技術(shù)將學(xué)生頭腦中的創(chuàng)意、創(chuàng)新思想更加規(guī)范、科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乇憩F(xiàn)出來。其中，3D打印機(jī)使用技巧的學(xué)習(xí)固然重要，但利用計算機(jī)輔助設(shè)計手段對作品進(jìn)行嘗試設(shè)計的能力才是“3D打印課程”的核心。 除此以外，學(xué)生在設(shè)計過程中對不同種類材料實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計特性的認(rèn)知，以及設(shè)計結(jié)束后從結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料力學(xué)的角度對設(shè)計作品進(jìn)行不同角度試驗并加以改進(jìn)的過程，也是3D打印課程在基礎(chǔ)教育階段中開設(shè)的核心所在。 3D打印課程在學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計中的表現(xiàn) 在對中小學(xué)階段實施3D打印課程的過程中，我們發(fā)現(xiàn)源自學(xué)生們頭腦中的設(shè)計作品主要由以下八類構(gòu)成。 校園主題類設(shè)計：校園沙盤、校徽班徽、專用特色教室。 學(xué)具教具類設(shè)計：理科教師實用型或展示型教具（數(shù)學(xué)工具、原子結(jié)構(gòu)、地理地圖、物理天平、小孔成像、印章、楊輝三角、VR眼鏡等）、文理科課程學(xué)生實驗或試驗型學(xué)具（活字印刷、結(jié)構(gòu)力學(xué)測試、字母牌、水平儀、多功能調(diào)色盒等）。 玩具生活類設(shè)計：益智型玩具（悠悠球、孔明鎖、七巧板、八音盒、陀螺、撥浪鼓、樂高積木等）、解決生活問題型（小件物品收納器皿、聲控小夜燈、手機(jī)支架，組合家居、存錢罐、可調(diào)光臺燈、筆筒、時鐘、花盆、相框，擰毛巾機(jī)械臂，不倒杯托、野營折疊桌、文具盒、風(fēng)扇、二維碼等）。 軍事模型類設(shè)計：航空模型（四旋翼飛行器、直升飛機(jī)等）、陸地模型（偵察車、汽車結(jié)構(gòu)認(rèn)知、工程車等）、航海模型（軍艦、航母、潛水艇等）、兵器模型（冷兵器發(fā)展史，古代軍用機(jī)械裝置等）。 建筑結(jié)構(gòu)造型類設(shè)計：橋梁模型（橋梁外觀設(shè)計、橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計等）、房屋模型（涼亭、宋式門拱、中西建筑合并設(shè)計、動畫片中房屋設(shè)計等）、榫卯模型（榫卯桌椅、榫卯結(jié)構(gòu)種類展示等）。 開源硬件結(jié)合類設(shè)計：傳感器應(yīng)用（智能牙杯、智能垃圾桶、智能澆花、植物研究、智能馬桶蓋、PM2.5機(jī)器人、智能充電器等）。 簡單機(jī)械類設(shè)計：齒輪傳動（?齒自行車、密碼鎖、逆風(fēng)小車、機(jī)械玩偶等）。 傳統(tǒng)文化類設(shè)計：藝術(shù)擺件（新年桌面擺件、中國風(fēng)窗框、古箏沉香盒、算盤等）、非遺傳承（3D打印皮影、快板等）。 上述的學(xué)生設(shè)計作品類型，既體現(xiàn)了我國中小學(xué)生目前正處于揭開創(chuàng)新設(shè)計神秘面紗的初級層面，又體現(xiàn)出學(xué)生對創(chuàng)新設(shè)計的渴望與追求。解決生活中問題的設(shè)計成為了學(xué)生最容易下手的創(chuàng)新設(shè)計起點；校園主題、學(xué)具教具的設(shè)計成為了學(xué)生在學(xué)習(xí)的道路上體現(xiàn)自身價值的平臺；玩具、建筑、軍事、機(jī)械結(jié)構(gòu)、傳統(tǒng)文化的設(shè)計體現(xiàn)著學(xué)生們豐富多彩的業(yè)余生活；與開源硬件結(jié)合的設(shè)計體現(xiàn)著學(xué)生對先進(jìn)科技的渴望。 3D打印課程在教師授課中的表現(xiàn)形式 作為基礎(chǔ)教育的工作者教師，我們不但要看到學(xué)生的夢想，更要想辦法幫助他們逐步將夢想變?yōu)閷崿F(xiàn)。3D打印課程，改變著傳統(tǒng)學(xué)校的課程體系。教師用3D打印課程教會學(xué)生基本的設(shè)計能力與創(chuàng)新能力；學(xué)生在技能學(xué)習(xí)的過程中嘗試改變、嘗試創(chuàng)新。教師從開始的單一技能傳授，逐步發(fā)展到在技能傳授的過程中嘗試多學(xué)科的融合，嘗試多領(lǐng)域的跨越。中國式STEAM課程正在悄然興起。 案例1 語文 用3D打印“復(fù)活”活字印刷 一次偶然的機(jī)會，學(xué)生和一位年輕的語文老師聊天，聽說“活版”這節(jié)課是一篇古文中的科技說明文，毫無現(xiàn)實感，學(xué)生聽著昏昏欲睡，這位學(xué)生正好是學(xué)具教具團(tuán)隊的成員，于是想到為什么不用3D打印為老師打印一個活字印刷的教具呢？ 這樣在主題創(chuàng)作課堂上，他們的創(chuàng)作開始了，從前期研究古文到確定尺寸到分工看似都非常順利。不到40分鐘的時間，小組成員把各自的部分都建模完成，孩子們非常興奮，可裝配完，發(fā)現(xiàn)了很多問題，比如字太密，不容易取出來。活字是正的，印出來是反的?；鸬哪Ｐ椭谱鞯牟幻烙^且尺寸不對，托盤支不住，等等。這時候?qū)W生開始覺得很沮喪，以為可以享受成果了，結(jié)果忙活40分鐘的東西可能需要大改動，其中一名同學(xué)開始抱怨說咱們應(yīng)該事先畫出圖，確定好所有東西再做的，這下白做了。看到這種情景，我的心里也一緊，故作輕松地和大家說，其實你們做到這一步已經(jīng)很好了，至少看到了原型，哪有復(fù)雜的事情必須一次成功的道理呢？所以大家現(xiàn)在列出關(guān)鍵問題，集思廣益，一起討論解決就可以了。學(xué)生馬上投入到下一輪的修改和制作中，當(dāng)遇到火的造型如何設(shè)計這個問題的時候，組長提議做幾個柴火一樣的小棍兒搭成的造型，但是另外一位同學(xué)說這樣作為教具會增加攜帶的難度。還有一位同學(xué)提議在網(wǎng)絡(luò)上找一些靈感，最后決定將火與柴的造型結(jié)合起來模擬火，在大家頭腦風(fēng)暴的過程中，我看到了大家的努力，在最后解決問題的瞬間，我也看到了大家抑制不住的喜悅流露在臉上?；蛟S，他們從心理上認(rèn)可了這個團(tuán)隊，認(rèn)可了自己的隊友，更加肯定了自己只要用心就能夠做到這樣的事實吧。 其實三維創(chuàng)意設(shè)計與3D打印這門課程，確實能夠讓學(xué)生體會造物的樂趣，并且培養(yǎng)學(xué)生分析、批判、創(chuàng)造等高階思維能力。在設(shè)計的過程中，對學(xué)生多鼓勵，少插手，相信他們能夠自己解決問題，在適當(dāng)?shù)臅r候給予情感的支持，讓他們相信，遇到困難的時候再試一試，一定能夠成功！ 案例2 物理 小孔成像 在現(xiàn)階段物理學(xué)科教學(xué)中，演示實驗不能下放給學(xué)生操作是中學(xué)物理一個亟待解決的問題。由于部分演示教具體積大、數(shù)量少，學(xué)生不能夠?qū)嶋H操作體會實驗過程，部分學(xué)生對知識掌握情況不理想。針對這一問題，我們嘗試將演示實驗的器材進(jìn)行縮放并創(chuàng)新，通過這樣一個學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變，大大提高了學(xué)生的參與度，學(xué)生學(xué)習(xí)的難度也降低了，從而可以快速地掌握知識點，同時也學(xué)會使用身邊物品進(jìn)行實驗研究。在初二物理學(xué)習(xí)光學(xué)“小孔成像”特點時，為了能夠直觀呈現(xiàn)現(xiàn)象，讓學(xué)生充分參與探究過程，設(shè)計小孔成像演示儀，學(xué)具靈動小巧，吸引了學(xué)生的眼球，清晰的實驗現(xiàn)象使學(xué)生對知識的理解更加深入。 案例3 地理 中國地圖 在傳統(tǒng)的課堂教學(xué)中我們發(fā)現(xiàn)，教師使用大量的掛圖、PPT圖片等平面工具，或購買現(xiàn)成教具進(jìn)行教學(xué)，但由于教學(xué)中的實際需求不同，現(xiàn)有的教具不能實現(xiàn)教學(xué)預(yù)期效果。根據(jù)這一問題，設(shè)計了集拼接、移動、吸附、標(biāo)注等特點于一身的中國地圖。當(dāng)老師提問大家“這是哪個省份”時，為了驗證學(xué)生的答案，老師可以把它翻到背面，答案就可以清晰地看到。同時，學(xué)生可開展小組研討，借助學(xué)生版地圖這一學(xué)具，通過觸覺感知等方式更快速地識別各省份。 案例4 化學(xué) 球棍模型 在高中學(xué)習(xí)有機(jī)化學(xué)的課堂上，往往分子結(jié)構(gòu)比較抽象，學(xué)生難于理解同一分子不同結(jié)構(gòu)的特點。利用3D技術(shù)設(shè)計完成后的教具，可以將球、棍按原子半徑大小自由組合、拼插成不同的有機(jī)物質(zhì)，在體驗學(xué)習(xí)中加深了同學(xué)們對知識的深入了解。 案例5 通用技術(shù) 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度教具設(shè)計 在結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度這節(jié)課中，運用3D打印技術(shù)設(shè)計了教具。為了讓學(xué)生更易掌握本節(jié)課的重點及難點：影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的主要因素，筆者設(shè)計了若干技術(shù)試驗。在探究結(jié)構(gòu)的形狀是影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的因素中，起初我想到的是搭建紙牌承重結(jié)構(gòu)，但由于無法控制紙牌的數(shù)量以及紙牌間的連接方式這兩個試驗變量，使得試驗結(jié)果不具備說服力。因此，筆者想到了三維設(shè)計，它能精確地控制所設(shè)計作品大小、質(zhì)量等。筆者以懸臂梁結(jié)構(gòu)為載體，通過計算，設(shè)計了兩根長度相等、質(zhì)量相等而分別為方形和三角形的教具，它能精確控制懸臂梁結(jié)構(gòu)的試驗變量，使試驗結(jié)果更具說服力。 在探究構(gòu)件的截面形狀是影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的因素中，由于市面上可買到的截面形狀不同的構(gòu)件都是較細(xì)的、較軟的，在做承重試驗時只會被彎折，而不會被破壞，試驗效果不顯著。而且可選擇的尺寸較少，無法控制試驗變量。因此，筆者利用三維設(shè)計自己制作了一套長度相等、橫截面積相等，而橫截面形狀分別為圓形、方形和工字型的教具。 三維設(shè)計及3D打印技術(shù)很好地服務(wù)于通用技術(shù)課堂，使所設(shè)計的教具更精準(zhǔn)，所得到的試驗結(jié)果更具有效性。打印多套教具，充分利用資源為學(xué)生設(shè)計了豐富的學(xué)習(xí)活動，學(xué)生通過分組進(jìn)行技術(shù)試驗，既加深了學(xué)生對知識的理解，又提高了學(xué)生的課堂參與度，全面培養(yǎng)了學(xué)生的綜合素質(zhì)。 3D打印課程對學(xué)生、教師未來的影響 人的左腦，被稱為“理性腦”，主要處理文字和數(shù)據(jù)等抽象信息，具有理解、分析、判斷等抽象思維功能，有理性和邏輯性的特點。右腦，被稱為“超級腦”，主要處理聲音和圖像等具體信息，具有想象、創(chuàng)意、靈感和超高速反應(yīng)（超高速記憶和計算）等功能，有感性和直觀的特點，所以又稱“直覺腦”。人在誕生之初，右腦的能力是非常發(fā)達(dá)的。右腦具備了超越常識的那種幾乎可稱為全然未知的天才似的能力。但是目前人類世界是以教導(dǎo)、開啟左腦為主，讓學(xué)生努力學(xué)習(xí)語言以及往后生存所必需的知識，久而久之，左腦越來越發(fā)達(dá)，右腦卻因為少用而日漸退化。這也是目前在我國基礎(chǔ)教育階段中常見到“越小的孩子想象力越豐富，越大的孩子思想越禁錮，越缺乏想象力與創(chuàng)新能力”的根本原因了。 在許多腦科學(xué)研究證明中，對學(xué)生進(jìn)行“創(chuàng)新思維”與“創(chuàng)新能力”訓(xùn)練，將會對開發(fā)人的右腦起到非常關(guān)鍵的作用。右腦的信息處理能力如果被開發(fā)出來，那么人的創(chuàng)新發(fā)展將會產(chǎn)生一個質(zhì)的飛躍。因此，在我國要提升中小學(xué)生的“創(chuàng)新思維”與“創(chuàng)新能力”，最有效的解決措施就是有針對性地研發(fā)一系列的“創(chuàng)新課程”。創(chuàng)新課程是以右腦開啟為主的課程，是以“求異思維”為主的保護(hù)學(xué)生個性發(fā)展的課程。從理論上來講，創(chuàng)新課程在基礎(chǔ)教育階段，是以培養(yǎng)創(chuàng)新人才為目標(biāo)，在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造欲望的前提下，以培養(yǎng)和提高學(xué)生創(chuàng)造潛能和人文素養(yǎng)為主的綜合性課程。 3D打印課程是已經(jīng)被實踐證明的，對中小學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)非常重要的手段。與時代結(jié)合、與先進(jìn)技術(shù)結(jié)合、與具體學(xué)科結(jié)合的多種創(chuàng)新能力培養(yǎng)，將是激發(fā)學(xué)生自主創(chuàng)新意識的最佳途徑。創(chuàng)新思維的培養(yǎng)應(yīng)伴隨學(xué)生在基礎(chǔ)教育不同階段的全過程。隨著學(xué)生知識的積累、人生閱歷的不斷豐富，創(chuàng)新思維能力將在學(xué)生日常的實踐過程中得以螺旋式的穩(wěn)步提升。學(xué)生不同發(fā)展階段教師的正向引導(dǎo)，將使學(xué)生創(chuàng)新人格得到不斷完善。 學(xué)生的需求促進(jìn)教師的發(fā)展