3D打印課程在小學信息技術領域的探索與實踐

徐振宇

【摘 要】當下3D打印技術快速發展，學生對于3D打印技術的興趣非常濃厚。筆者開設了小學信息技術領域拓展性課程——3D打印課程。筆者通過對3D打印課程的探索實踐，對教學目標進行了歸納說明，提出了教學過程的整體框架，并以具體案例輔助說明教學過程中主題的選擇、導入的方式、設計與創作的方法及評價的過程，盡可能詳細地展現課堂實施過程，與大家分享交流。

【關鍵詞】3D打印；小學信息技術；拓展性；探索實踐

【中圖分類號】G434 【文獻標識碼】B

【論文編號】1671-7384（2016）10-0074-04

在當下的創客時代，各種先進技術飛速發展，3D打印等新興技術也不斷影響著教育的發展。隨著這些技術逐步進軍教育領域，生活在較發達城市的孩子容易接觸到這些新技術，同時也深深地被這些技術所吸引。孩子有學習新興技術的需求，而小學階段又是人的一生當中最具有創造力的階段之一，3D打印技術能更直觀、便捷地讓學生們的夢想變成現實。由此可見，對小學信息技術課程進行拓展性校本探索和實踐是一種必然趨勢。

3D打印技術及應用現狀

1. 3D打印技術

3D打印就是使用特殊的材料，例如塑料、尼龍、陶瓷、金屬等，通過電腦將打印材料一層一層的疊加起來，最后形成想要的實物的一個過程。目前主要的3D打印技術類型有：熔融沉積成型技術（FDM）、數字光學處理技術（DLP）、立體光固化成型技術（SLA）、選擇性激光燒結技術（SLS），分層實體制造技術（LOM）等。其中熔融沉積成型技術在市面上最為常見。

2. 3D打印技術應用現狀

3D 打印技術被譽為“第三次工業革命的重要生產工具”，新媒體聯盟（New Media Consortium，NMC）在2013年地平線報告中，首次將3D打印技術列為教育領域未來4-5年內普及應用的創新型技術。當前3D打印不再是成人設計師的專有權利了，越來越多的信息顯示，兒童3D打印教育正逐步在科技館、博物館、學校等地開展（Pringle， 2015）。 美國的3D System公司于2014年實施了MAKE.DIGITAL計劃，該計劃提供集成了工具、軟件和課程等各種資源的完整系統，從而逐步形成了成熟而健全的3D打印教育體系，使各個層次的學生和教育機構都能從中受益。諸如此類的豐富特色課程資源和產品，將3D打印以一種簡單、有趣的方式帶入小學課堂。

3D打印技術在我校應用的基本現狀

1. 開展3D打印課程的硬件環境

2015年9月，我校利用每周三下午三課時時間開展拓展性課程研究與實踐，筆者設計開發了3D打印課程。在此基礎上，我校配備了3D打印實驗室，設有1臺3D打印機、1臺激光打印機、10支3D打印筆、計算機等設備，本著以學生為本的原則，將實驗帶入課堂，為學生的實踐提供可能。

2. 師生的3D打印知識水平分析

3D打印對我校的全體師生是一個新生事物，我校與公司合作，定期邀請技術人員來校分享3D打印知識與操作技術。通過一段時間的學習與了解，教師與學生對于3D打印的基本常識及原理已經心中有底。在整個學習過程中，師生對于3D打印興趣濃厚，都非常期待3D打印走進課堂，通過3D打印技術來實現自己想要的東西。通過一個多學期的探索與學習，我們逐步開始了3D打印課程的探索與開發。盡管3D打印在學校并沒有較為廣泛的應用，無論是對于老師還是學生都是一個全新事物，甚至是個挑戰，我們都有很強的信心將3D打印課程開展好，在學習中總結經驗，共同進步。

探索我校3D打印課程設計

1. 3D打印工具的選取

3D打印分為3D打印機與3D打印筆兩種打印形式。3D打印機開展課程的方式主要是預先在電腦上進行三維模型設計（可借用內置模型或掃描所得的三維模型），然后連接3D打印機并將模式設計的參數信息傳送至打印機，3D打印機接收到指令后，可以逐層打印，最終形成3D模型。在整個過程中，主要需要的是學生三維建模能力，這個要求對于只有二維平面概念小學生來說，有一定的難度，可以用于輔助學習。

因此，我們在課程實施的過程中，主要采用3D打印筆開展課程。所謂的3D打印筆是具有3D打印功能的筆，操作它無需電腦或電腦軟件支持。通電后，就可以開始創作。基于3D打印，擠出熱融的塑料（PLA、ABS），然后在空氣中迅速冷卻，最后固化成穩定的狀態，如圖1所示。

2. 3D打印課程的實施

3D打印課程是由學生自主選擇，學生的主體構成為3-6年級學生。為了更全面地呈現3D打印課程在我校實施的具體過程，筆者將以3D打印課堂實施的具體內容進行說明。

（1）教學目標分析

在知識與技能方面，掌握利用3D打印筆通過二維平面圖搭建三維立體模型方法，擴大學生的知識面。在過程與方法方面，通過學生課前搜集資料、主題探討、圖形設計、作品分享的過程，培養學生獨立學習思考的能力，培養學生的創新意識。在情感態度方面，培養學生對3D打印的興趣，創新作品，與當下的創客環境接軌。

（2）教學實施過程

課堂中教師以主題的形式開展教學，在交流中向學生提出挑戰性的問題。提出問題后，學生開始用畫圖軟件中進行平面圖形設計，通過創造性的設計后，將設計圖打印出來修改調整。調整后，利用3D打印筆打印平面圖形，再進行拼接或直接創作，形成三維立體模型，點綴裝飾。最后將設計出的成果在課堂上與同學們交流討論，提出可行性建議，學生微調修改，得到完美作品。具體過程如圖2所示。

主題的選擇

3D課程作為我校一門全新的課程，在課程實施的過程中，首先面對的就是如何選擇適合小學生的主題來開展課程。基于貼近生活、源于生活的原則，我們確定以衣食住行四個大主題（如圖3）為我們3D課程的研究主題。穿衣、吃飯、住房、行路是每個人生活的基本需要，也是小學生能輕易產生聯想并進行再創造的有效途徑。

導入的方式

積極的思維活動是課堂教學成功的關鍵，而富有啟發性的導入語可以激發學生的思維興趣，所以教師上課伊始就應當注意通過導入語來激發學生的思維，以引起學生對新知識、新內容的熱烈探求。課堂導入是課堂教學的主要環節之一，一堂課導入的成與敗直接影響著整堂課的效果。筆者的課堂導入一般是基于3D打印的設計原理進行有效提問，從而引導學生明確操作思路，提高課堂效率。下面將通過案例1進行說明。

案例1：如何基于3D打印設計進行提問

在以美食主題的課程中，教師首先提出問題：你最愛的美食有哪些？”緊接著根據3D設計原理提問：你打算用平面拼湊三維立體圖形的方式（如圖4）還是基于平面圖形鏤空操作（如圖5）？

進行這樣提問，教師能明確地引導學生掌握基于3D打印筆制作模型的原理，更準確、迅速地找到相對應的制作方法，節約時間，提高課堂效率。

設計、創作的方法

3D模型設計對于小學生來說，具有一定的難度，除了在3D打印工具的選擇上做了精挑細選外，我們在模型的設計上了也做了大文章。3D打印筆打印三維模型，首先需要平面圖形設計，再根據平面圖形打印平面圖形，最后根據平面圖形拼接形成三維立體模型。因此，在整個三維模型創建的過程中，需要二維平面設計的融入，在課程設計上將與畫圖軟件運用進行整合。學生可以通過畫圖軟件、3D打印筆設計創造性作品，給學生的學習增添樂趣和色彩。

案例2：學生如何利用畫圖軟件設計平面圖形和進行創作

學生在構思好想要創作的主題，并尋得采用的方法后，便需要進行平面圖形創作。目前，筆者的課堂采用的是畫圖軟件進行平面設計，設計后學生再根據3D打印筆選擇拼接或鏤空操作，最終成型（如圖6）。

這樣的操作過程，能讓學生對自己創作作品過程非常明確。此外，該過程充分利用學生在信息技術常規課中所學的畫圖軟件進行設計，既是對原有所學基礎知識的回顧，又是進一步的升華。

評價的過程

課堂教學評價是促進學生成長、提高課堂教學質量的重要手段。為了更有效地、更全面地評價學生作品，并推動其完善自己的作品，筆者采用小組交流分享的方式完成課堂的評價。這樣不僅能有效地促進小組內學生的交流與合作，還能更好地幫助學生再創作完善自己的作品。

案例3：如何通過小組交流分享，完善自己作品

學生在制作3D牛排成功后，教師便組織其在組內進行分享交流。在交流過程中，小組內成員給其建議，建議其再制作糖心蛋，組合成牛排套餐。制作牛排的學生覺得意見很不錯，采納后成功制作了牛排套餐（如圖7）。

圖7 再創造后的牛排套餐作品

在小組“分享—交流—建議—修改”的過程中，學生在初次體驗成功的基礎上得到了跨越性的進步，學生的成就感也會隨之增強，創造思維也隨之打開。同時，這樣的過程，充分地發揮了小組合作所帶來的課堂效應。

3D打印課程實施后的成效

1. 拓展了學生的視野，激發了學生的學習興趣

在3D打印課程實施一個多學期以來，學生對3D打印產生了濃厚的興趣，從剛開始的對于3D打印技術的不了解到現在的自己設計創作的過程，很好地拓展了學生視野，提高了學生的信息獲取能力與應用能力，提升了學生的信息素養。

筆者從參與課程的兩批次共60名小學生的反饋里發現，95%以上的學生喜歡3D打印課程，并對課程的安排感到滿意（如圖8）。

2. 豐富了學生想象力，激發了學生的創造能力

美國加州理工大學的多林·尼爾森認為：基于設計的學習模式中，教師挑戰學生去創建實物來反映主題、概念和標準，有了這些實物，學生在互動中促進信息的回憶和重用。3D打印課程不僅在理論上給學生充電，還增加了學生接觸空間模型的機會。學生在通過小組協作等方式，相對獨立地完成設計過程，通過設計身邊感興趣的實體化的東西來驗證自己的設計是否符合要求，在實踐中不斷地完善自己，最終獲得成功，這就是激發學生創造思維能力的一個途徑。

3. 增強了學生對三維圖形的認識，培養圖形感知能力

在3D打印過程中，學生通過平面圖形設計到三維立體物品的呈現，清晰地明確了三維立體圖形的構建過程。由想象到圖形設計再到打印出實物，強烈的感知刺激使學生具有較強的圖形感知力。

3D打印技術滿足了小學信息技術領域課程教學改革的多種需要。隨著課程在每周三下午的開展與實施，我們希望看到學生們更輕易地通過電腦軟件設計自己的3D作品，并最終通過3D打印將自己的設計得以實現，低成本的3D打印將逐步推廣與應用。

3D打印是一個新生事物，仍然處于建設初期，其課程建設還不是很成熟，還需要突破。不過，隨著技術的不斷更新以及制造功能的不斷成熟，3D 打印將被推向更高的層面，同時也需要各個學校高度重視，注重交流合作，資源共享，為學生提供一個良好的學習氛圍，豐富小學階段信息技術學科拓展性課程的建設。

（作者單位：浙江杭州市濱江區教育局）

參考文獻

韓榮雷，孫雪冬.創客時代3D打印在高校課程開發的應用研究[N]. 沈陽師范大學學報（自然科學版），2016（1）.

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