3D打印與三維創意設計課程牽引下的創新課程體系研究

高勇 劉娜

我國基礎教育階段對學生的培養目標是：培養出全面而富有個性發展的人。從技術的角度來分析，在我國基礎教育階段最需要提升的是學生規范的設計能力和設計思想。技術教育要在充分保證學生安全的情況下進行，要教會學生規范地理解技術、使用技術。現代化技術加工手段的應用是培養學生技術能力的最有效解決措施。學生創新能力培養的核心是要教會學生運用科學的方法去思考、去創新。中小學的技術教育要跟上時代發展的步伐，就要讓學生認識、了解和應用先進的加工技術。

中小學“3D打印”與“三維創意設計”課程發展現狀分析

1.“3D打印”與“3D打印課程”

3D打印，也稱“三維打印”（3D printing），是一種快速成形技術，它是一種以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。過去其常在模具制造、工業設計等領域被用于制造模型，現正逐漸用于一些產品的直接制造。

3D打印課程是以3D打印技術或3D打印機應用為主的課程。目前，根據對3D打印概念不同角度的理解，此類課程在義務教育階段主要以三種形式呈現。第一，以3D打印機硬件探究為基礎的課程。課程讓學生近距離地了解、學習、組裝、設計3D打印機。第二，以3D模型打印為基礎的課程。學生在初步學習3D打印技術后，利用網絡對感興趣的或有需求的模型進行檢索，進而在模型下載后應用3D打印機，最終將模型實體化，并進行表面渲染的學習過程。第三，以“傻瓜型”三維設計軟件為基礎的課程。學生利用不同類型的三維設計軟件，快速搭建某種類型的簡易模型，最終利用3D打印機將設計實體化的過程。

2.“三維設計”與“三維創意設計課程”

三維設計，是通過計算機輔助設計（CAD）或計算機動畫建模軟件建立立體的、有光的、有色的生動畫面，虛擬逼真地表達大腦中的產品設計效果。它是建立在平面和二維設計的基礎上，讓設計目標更立體化、形象化的一種新興設計方法。

三維創意設計課程是以三維設計軟件和3D打印機應用為主的課程。此類課程在義務教育階段主要以兩種形式呈現。第一，以專業三維設計軟件的學習為基礎的課程。學生在學習應用專業三維設計軟件的過程中，根據不同開放性的設計要求進行探究式設計并應用3D打印機將設計模型實體化的學習過程。第二，以簡易三維設計軟件的學習為基礎的課程。學生在完成某項任務或項目中學會并應用簡易三維設計軟件的某項或某幾項功能完成作品設計，并通過3D打印機將設計實體化的學習過程。

中小學“3D打印”與“三維創意設計”課程實踐發展研究

1. 學具、教具方面對學生學習基礎學科的支撐

“3D打印”與“三維創意設計”課程與中小學具體學科教學最恰當的結合點在于學具或教具的制作與研發。在語文學科中，學生不用跋山涉水就能感受到趙州橋結構設計的精妙；不用身臨其境就能理解人民大會堂的結構和功能。在數學學科中，可以幫助學生輕松認識幾何體之間的相互關系；毫不費力地理解圓柱體攔腰斜切一刀后得到的幾何圖形。在英語學科，可以讓學生迅速地建立對某種陌生物品的感性認識，從而加深對單詞的記憶。在物理學科，電子元件模型的打印與應用能夠幫助學生更好地理解抽象的電路圖原理。在化學學科，原子體積的等比例放大，分子結構模型的搭建幫助學生從宏觀模型認識到微觀的知識。在地理學科，仿真的星球位置關系模型很好地為學生詮釋了日食、月食和節氣的概念。在生物學科，動物內臟的拼裝模型加強了學生對器官結構和位置的理解。除此以外，無論是授課教師還是學生都能夠根據自己的實際需求利用三維設計軟件開發出最適合自己的學具或教具。

2. 玩具生活方面對學生情商的培養

“愛玩”是基礎教育階段絕大多數學生的特性。如何做到有知識地“玩”？如何做到有內涵地“玩”？如何做到有水平地“玩”？如何做到有創意地“玩”？如何做到有文化地“玩”？如何做到有益于他人地“玩”？這些其實都可以通過“3D打印”或“三維創意設計”課程的開設對學生進行積極、正面的引導。例如，學生喜歡玩“悠悠球”，我們可以引導他們自己進行設計，而不是到市場上去比價格、比品牌；學生喜歡玩四旋翼飛行器，我們可以鼓勵他們買來電子元件，利用三維設計軟件進行自主設計；學生需要養成理財和節儉的習慣，我們可以發動他們自己來設計一個精巧的存錢罐；學生需要表達對學校的熱愛，我們可以組織一次設計校徽或班徽的活動，從中讓他們感受自己主人翁的意識；學生親近、熱愛大自然，我們可以調動他們用三維設計軟件設計一個花盆，并種上一顆希望的種子；學生需要關心父母，我們可以組織他們為父母設計一款愛心小禮物；學生需要交流，我們可以組織他們開展一場名片設計大賽。總之，原來覺得只能停留在想象當中的事物，通過“3D打印”與“三維創意設計”課程都變成了現實。

3. 技術規范性方面對學生行為習慣的塑造

三維設計軟件與3D打印機的學習與應用，能夠在安全的實踐操作環境下，最大限度地保證設計產品的規范性。在工業設計領域，出現1mm的誤差，就有可能會造成重大的設計失誤。在基礎教育階段，我們一方面不希望把學生培養成技術工人，另一方面也不愿看到學生設計制作的產品外觀粗糙，結構松散，不具備實用性，也不能進行產品測試。三維設計與3D打印等先進技術手段的應用，在實踐中教會學生嚴謹，教會學生思考，教會學生專注，教會學生反復驗證，培養學生邏輯思考能力！

中小學實施創新課程可行性研究

“創新課程”我們可以理解為：在基礎教育階段，以培養創新人才為目標，在培養學生創新思維與創新能力的過程中，采用新方法、新技術、新材料，應用多種手段、多種途徑，綜合多學科知識與技能的新型課程。創新課程是在充分調動學生探究能力、創造欲望的前提下，以培養和提高學生創造潛能和人文素養為主的綜合性課程。

1. 創新課程在我國中小學實施的必然性

STEM或STEAM教育更強調學生在學習過程中的跨學科性和綜合性；創客教育更加注重項目教學法的應用，更加注重技術與工程的設計過程。可以說，創客教育是STEM或STEAM教育的更深入體現形式，是我們發展學生實踐能力與創新能力的一種良好方式。

但從我國基礎教育的整體發展脈絡進行分析，上述兩種培養模式從短期來看都有其發展的瓶頸。首先，無論是國外還是國內，STEM型教師（具備跨學科知識與能力素養的教師）的培養是一件非常困難的事情，教師數量與水平的嚴重不足會導致STEM教育最終陷入困境。其次，創客教育強調項目教學法的應用，基于項目的教學法勢必會打破知識的系統性，使學生在知識學習的過程中，出現不連續的或重復的學習。最終導致學生的知識體系出現斷層，學習時間不能得到高效的利用。

我國的基礎教育在世界范圍內處于領先地位，世界各國在學習和效仿我國基礎教育體系的發展。從STEM或STEAM的角度出發進行分析，我國基礎教育階段在數學、科學及廣義的藝術領域方面的發展均處于世界領先的地位。我們在技術和工程方面對于學生的培養還略有不足。因此，在基礎教育階段，我們可以嘗試根據不同學段學生的特點和實際需求，從學科角度與創客教育的角度出發，研發出一些具有可行性的“創新課程”，不斷彌補原有基礎教育的不足。

2. 創新課程提升學生創新思維與創新能力

許多腦科學研究證明，對學生進行創新思維與創新能力訓練，將會對開發人的右腦有非常大的作用。右腦的信息處理能力如果被開發出來，那么人的創新能力將會產生一個大的飛躍。因此，在我國要提升中小學生的創新思維與創新能力，最有效的解決措施就是有針對性地研發一系列的創新課程。

創新課程的研發必須要從兩個方面進行努力，一方面是側重研究創新思維，目的在于幫助學生學會科學地進行創新思考；另一方面是側重研究創新能力， 目的在于幫助學生學會創造所需要的各項能力。

3. 創新課程的研發策略

創新課程的研發離我們究竟有多遠？一所學校、一名普通教師又該如何進行創新課程的研發呢？其實，創新課程的研發就在我們身邊，我們每一位中小學的教育工作者都有能力進行研發。在對現有創新課程相關資料的了解后，我們總結出了一些基本的研發策略供大家參考。

（1）國家課程的二度開發。由于學校或教師個人的特質差異和學生的需求差異，我們對國家課程的理解和研究專長也有所不同。我們可以利用自身的優勢資源對國家課程進行相對應的充實與補充，通過有針對性的探究活動的設計，豐富學生的學習過程，把課本中的封閉型知識轉化為開放性問題。隨著課程的日積月累和集思廣益，最終形成富有個性的校本或有地方性特色“創新課程”。

（2）注重學習者的實際需求，有針對性地研發課程。課程的研發不能盲目進行，研發出的內容要讓學習者感興趣。一方面，我們可以提供給學習者一些課程的菜單；另一方面，我們可以廣泛征集學習者的學習愿望，結合學校自身特色和能力，有選擇地研發創新課程。

（3）緊跟時代發展步伐，抓住世界發展中的熱點問題進行課程研發。教育要跟上時代發展的腳步，僅僅依靠國家課程是非常困難的。我們要善于捕獲社會發展中的熱點信息，以專題的形式組織人員進行專業進修，再結合自身特點和學習者特點，降低難度進行創新課程的研發。

（4）專家引領與科研課題結合進行課程研發。在專業技術能力不足的時候，我們還可以聘請相關方面的專家與學校教師一同進行專項課程研發的課題研究，用科研方法去研發“創新課程”。

4. 創新課程應利用STEAM與創客教育的核心思想對學生進行有效性評價

創新課程與以往學科課程的最本質區別在于：學科課程更多地強調求同思維，學生們最終得出的結論往往是趨同的；創新課程倡導求異思維，強調學生最終作品的個性化。評價是每一門課程未來發展方向的重要引導性指標。在求異思維的引領下，利用STEAM多元化、跨學科的特性對學生的作品進行評價，將有助于提升學生的全面發展。將創客教育思想融入創新課程的評價體系中，將有助于激發學生從各個學科角度有個性地去創新。STEAM與創客教育的核心思想的融合將有助于我們利用創新課程培養出全面而富有個性發展的人才。

中小學創新課程研發與發展，將是未來中國創客教育領域中的一個不可或缺的重要組成部分。它實踐著將教育目標從知識與能力的培養，逐步轉向對學生價值觀的培養；實踐著將教育內容以課程本位的思想逐步轉向學生本位的思想；實踐著將教育方式從全民教育逐步轉向全民學習的方式。這些轉變將促使我們傳統的學校教學模式發生根本性的變革，學生想學什么內容，未來我們就要提供什么樣的課程；學生想怎樣學，未來我們就要提供怎樣的學習方式。學生將從教育的消費者變為教育的創造者；從教育的被評價者轉變成為教育真正的主人！

（作者單位：北京市東城區教育研修學院 北京市東城區國際教育交流中心）