明明白白看懂3D打印

楊曉哲

在全球經(jīng)濟飛速發(fā)展的今天，人們所面臨的挑戰(zhàn)越來越多，學生需要學習的技能和20年前相比已經(jīng)大不相同了。而從傳統(tǒng)教育走來的教師，面對新時代的學生，其間的差異和挑戰(zhàn)可想而知。當我們預感到越來越多的新技術將成為未來的關鍵技術時，能否讓學生去接觸，能否引導學生更深入地探索，直接決定了學生創(chuàng)新能力的強弱。如果學生們能夠在小時候就接觸新技術，并用來深入地探索生活中的問題，甚至是對科學與藝術領域有了新的學習切入口，那么，每一位學生都將成為一個有創(chuàng)造力的人。要知道，比爾·蓋茨小時候曾接觸了當時世界上僅有的幾臺計算機，這對比爾·蓋茨的一生產(chǎn)生了至關重要的影響。

3D打印技術就是這些新興技術中的一項。《經(jīng)濟學人》雜志認為3D打印技術將成為第三次工業(yè)革命的關鍵性技術，將改變大規(guī)模生產(chǎn)的方式。3D打印技術即快速成型技術的一種，它是以一種數(shù)字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通常通過逐層打印的方式來構造物體的技術。快速成型技術是20世紀80年代發(fā)展起來的一種制造新技術。3D打印機能夠實現(xiàn)從計算機的軟件設計虛擬三維模型到打印出實物的功能，具有打印精度高、易用性、個性化等特點。3D打印機所采用的材料基本是一些可以發(fā)生固化反應的材料。如今，可以用作3D打印材料的原材料更加多樣化，包括陶瓷、金屬、樹脂、塑料、高纖維等，甚至包括人體細胞培養(yǎng)液。3D打印機的種類豐富，根據(jù)目前的應用可分為兩大類：一類是粉劑3D打印機，另一類是噴塑3D打印機。

粉劑3D打印機是通過使用粉劑材料和添加劑來創(chuàng)建對象的連續(xù)層，并以疊加工藝的方式，一層一層地構建實體。每一層的打印過程均分為兩步：先在需要成型的區(qū)域噴灑一層特殊膠水，膠水液滴本身不大，且不易擴散；然后噴灑一層均勻的粉末，粉末遇到膠水后會迅速固化黏結，而沒有膠水的區(qū)域仍保持松散狀態(tài)。這樣在一層膠水一層粉末的交替下，打印成型。打印結束后只需掃除松散的粉末即可得到模型，而剩余粉末還可以循環(huán)利用。

噴塑3D打印機的工作原理采取逐層累積的方式。這種方式類似于制作奶油蛋糕的方式，逐步累加上來。但是，3D打印機需要預先知道如何進行累加，累加成什么樣子。首先，需要在計算機上設計三維模型。而后，將三維模型的數(shù)據(jù)傳送到3D打印機，打印機將液態(tài)材料傳送至打印頭，利用打印頭在一個托盤上噴出超薄的液體層，并經(jīng)過紫外線照射進而凝固。

3D打印運用于教育教學中有多種方式。隨著近幾年3D打印技術的成熟，以及教育工作者的參與，國內(nèi)已經(jīng)有非常多的學校將3D打印技術納入到自己的課程體系中，或是出現(xiàn)在不同課程中作為工具使用。有的學校采取獨立開設3D打印設計的校本課程，供感興趣的學生選修學習。課程重點基本是掌握桌面級3D打印技術，并在生活中發(fā)現(xiàn)問題，用3D打印技術改造事物。也有的學校將課程重點放在了3D打印技術與各個學科的緊密結合上，開發(fā)出了不同的3D打印專題領域，包括藝術類、工程類、科學類等。還有的學校甚至將3D打印課程設置為全年級必修課，給全體學生更多接觸3D打印技術、運用3D打印技術的機會。

無論以何種方式開展課程，3D打印課程對于學生來說重點培養(yǎng)的是他們在四方面的能力：空間思維能力、工程改造能力、科學探究能力和藝術表達能力。這四方面的能力并非3D打印課程必須涵蓋的，而是需要在課程深入實施過程中根據(jù)學生不同個性與需求去不斷激發(fā)的。

空間思維能力。學生在初步接觸三維軟件建模過程中，需要不斷嘗試、試錯、驗證并尋找空間規(guī)律。空間立體思維是建立在真實三維的場景中的，但是在創(chuàng)建過程中還需要綜合考慮平面透視原理。學生需要巧妙地運用各種切割、推拉、延展、分段、旋轉、跟蹤軌跡等工具的，創(chuàng)建不同的三維模型。學生對點線面有了更進一步的認識之后，對空間中點線面的關系才會有更多可操作性的體會。

工程改造能力。3D打印技術可以打印出各種各樣的物件，但是大部分物件需要符合最基本的工程力學原理、工程結構原理等。通過對不同難度的物件創(chuàng)造，學生們能在動手實踐與模型設計修復中不斷提升自己的工程改造能力。

科學探究能力。學生們可以將科學原理運用于具體的科學探究活動中，借助3D打印技術能夠更加深入地實現(xiàn)不同場景的驗證過程。學生們通過設計模型投入實驗場景，根據(jù)實驗場景反饋數(shù)據(jù)改進設計方案，再到具體的實驗場景。3D打印技術讓過去很多只能停留于紙面的公式驗算，變成了可以“看得見，摸得著”的具體驗證。基于設計的科學探究有了進一步的發(fā)展。

藝術表達能力。3D打印作為一種工具，同樣可以延伸為一種藝術表達工具。學生可以根據(jù)自己的喜好，將3D打印作為一種新的藝術表達形式，創(chuàng)作出更多樣化的作品。

總之，3D打印技術是一門新興的技術，其技術本身還遠沒有定型。3D打印技術運用于教育也是如此，在不確定中尋找其教育與學習的意義。從技術本身來說，學習3D打印技術有助于學生們空間思維能力的增強。而從更廣泛的跨學科項目角度延伸出去，又有助于培養(yǎng)學生的工程改造能力、科學探究能力和藝術表達能力。或許在這樣一個快速發(fā)展的時代，教師和學生一起擁抱新技術，一起尋得新的意義本身就是一個非常有價值又讓人充滿幸福的教育過程。