3D打印技術(shù)與學(xué)科融合中的應(yīng)用與探索

李劍鳴+周競(jìng)超

【摘 要】 依據(jù)所想即所得的特點(diǎn)，3D打印技術(shù)在學(xué)生“理解抽象知識(shí)的過(guò)程”及“獲得學(xué)習(xí)成果的表達(dá)”上起到重要作用。本文通過(guò)對(duì)《探秘青銅器》這一綜合實(shí)踐課的設(shè)計(jì)，探討3D打印技術(shù)在與學(xué)科融合過(guò)程中的應(yīng)用與探索。

【關(guān) 鍵 詞】 3D打印技術(shù)；教學(xué)應(yīng)用；信息技術(shù)

3D打印技術(shù)是一種快速成型技術(shù)，自誕生以來(lái)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑、汽車、航空航天、醫(yī)療、教育、等多個(gè)領(lǐng)域，并取得一定的進(jìn)展。3D打印技術(shù)作為新興技術(shù)手段，在核心素養(yǎng)的養(yǎng)成以及新興教育模式的推廣中備受關(guān)注。3D打印技術(shù)其實(shí)可以分為“計(jì)算機(jī)3D建?！焙汀笆褂每扇诤喜牧现饘哟蛴　眱蓚€(gè)部分。前一部分重視對(duì)空間、結(jié)構(gòu)、藝術(shù)設(shè)計(jì)的理解，而后一部分會(huì)對(duì)材料、溫度、建構(gòu)等物理性質(zhì)加深認(rèn)識(shí)。所以它可以在不同的教學(xué)階段中承擔(dān)起不同的作用。本文以初一學(xué)生研究性學(xué)習(xí)項(xiàng)目《探秘青銅器》為例，探討3D打印技術(shù)與學(xué)科融合過(guò)程中的應(yīng)用與探索。

一、課程背景

研究性學(xué)習(xí)作為一種學(xué)習(xí)方式，提倡發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并且提供研究方法，在整個(gè)學(xué)習(xí)的過(guò)程中，有助于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)與分析能力。也會(huì)為創(chuàng)客教育過(guò)程提供支撐。利用項(xiàng)目體驗(yàn)式的教學(xué)設(shè)計(jì)，讓學(xué)生在項(xiàng)目生成的過(guò)程中實(shí)踐研究性學(xué)習(xí)的整個(gè)流程，會(huì)讓學(xué)生更容易理解并習(xí)得這種學(xué)習(xí)方式。為了打開(kāi)學(xué)生的思維，激發(fā)他們的研究興趣，提高他們的自主研究能力，我們需要精心設(shè)計(jì)與開(kāi)展綜合實(shí)踐課的研究性學(xué)習(xí)項(xiàng)目。

二、課程實(shí)施

在內(nèi)容的選取上，與學(xué)生相關(guān)且具備一定知識(shí)儲(chǔ)備的項(xiàng)目會(huì)更容易引入?；趕team教育思維，如果在項(xiàng)目中能體現(xiàn)各學(xué)科的知識(shí)交融會(huì)更有利于學(xué)生的綜合實(shí)踐。初一歷史“燦爛的青銅文明”模塊為學(xué)生提供了基礎(chǔ)的文化訊息，學(xué)校組織的博物館參觀活動(dòng)使學(xué)生有機(jī)會(huì)親自觀摩其外形及銘文特征。因此，學(xué)生對(duì)青銅器具備了一定的知識(shí)基礎(chǔ)。而上海博物館2016年舉辦的文化創(chuàng)意設(shè)計(jì)大賽為這一基礎(chǔ)提供了發(fā)揮的空間。模擬這一賽事，將中國(guó)古代青銅器的藝術(shù)文化符號(hào)融合到新的設(shè)計(jì)中，會(huì)涉及歷史、美術(shù)、數(shù)學(xué)、物理等多個(gè)學(xué)科的知識(shí)，而探索的過(guò)程也是研究性學(xué)習(xí)的過(guò)程。于是，這次項(xiàng)目的主題選定為“探秘青銅器”，目的是獲取青銅文化符號(hào)，復(fù)制并制作屬于自己的“青銅”特色生活用品。

第一節(jié)課從有趣的青銅器引入，我們?yōu)閷W(xué)生提供了子仲姜盤等造型奇特、用途貼近生活的青銅器圖片，引導(dǎo)學(xué)生去思考如果我們是古代人，我們可以設(shè)計(jì)哪些有趣的青銅制品？根據(jù)上海博物館的文化創(chuàng)意設(shè)計(jì)大賽的公告，與學(xué)生一起確定項(xiàng)目的選題：“設(shè)計(jì)制作屬于自己的青銅文化生活用品”。

確定了項(xiàng)目之后學(xué)生遇到了第一個(gè)問(wèn)題：如何制作青銅用品？

在人教版中國(guó)歷史第五課中對(duì)這個(gè)問(wèn)題有詳細(xì)的解釋。學(xué)生通過(guò)對(duì)此材料的認(rèn)真研讀，得到古人制作青銅器是以泥范鑄造法為主。這個(gè)步驟使學(xué)生初步感受文獻(xiàn)研究這一研究方法，并為接下來(lái)的實(shí)驗(yàn)研究法提供理論支撐。我們?yōu)閷W(xué)生提供了橡皮泥和尺子來(lái)制作泥模，要求是嘗試復(fù)制兩塊同為長(zhǎng)2CM×寬1cm×高0.5cm的立方體。

通過(guò)同組和異組之間相互觀察、調(diào)查同學(xué)們得出一致的結(jié)論：手工制作精美的泥模非常困難，很難實(shí)現(xiàn)對(duì)器型的嚴(yán)格控制。

在文獻(xiàn)研究的過(guò)程中，黃獻(xiàn)源的《古代青銅器的現(xiàn)代復(fù)制方法淺談》一文被大部分學(xué)生認(rèn)可。經(jīng)過(guò)對(duì)文章的分析，大部分小組選擇用3D打印技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)自己的設(shè)計(jì)，個(gè)別小組選擇了失蠟法來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。

通過(guò)對(duì)博物館官博中文物的詳細(xì)查閱和描摹，以及其他文獻(xiàn)的瀏覽，學(xué)生們對(duì)青銅器銘文、紋飾、器型、歷史意義等進(jìn)行了調(diào)研，并記錄了自己喜愛(ài)的銘文或紋飾。在設(shè)計(jì)自己的作品之前，我們引導(dǎo)學(xué)生從創(chuàng)意、文化符號(hào)來(lái)源、器型、結(jié)合度等幾個(gè)方面賞析了文化創(chuàng)意大賽的獲獎(jiǎng)作品，并從中獲取靈感。

之后，學(xué)生對(duì)設(shè)計(jì)圖的繪制、青銅文化的賦予、設(shè)計(jì)器型的了解、藝術(shù)性的表現(xiàn)、器物功能性設(shè)定五個(gè)方面進(jìn)行了小組討論，并最終完成手稿的設(shè)計(jì)和繪制。

其中設(shè)計(jì)圖的繪制、器型及器物功能性設(shè)定等方面需要學(xué)生進(jìn)行立體空間的想象，這時(shí)候?qū)W生在對(duì)器型進(jìn)行長(zhǎng)、寬、高三維數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)時(shí)就已經(jīng)為3D建模做好了數(shù)據(jù)和思維上的準(zhǔn)備。

將設(shè)計(jì)付諸實(shí)踐面臨的是技術(shù)操作的問(wèn)題。3D打印技術(shù)前期的三維建模需要學(xué)生進(jìn)行點(diǎn)—面—體的連接性想象，需要對(duì)空間直角坐標(biāo)系有一定認(rèn)識(shí)。現(xiàn)階段面向?qū)W生的3D建模軟件操作都比較簡(jiǎn)單，基本原理都是通過(guò)點(diǎn)數(shù)據(jù)確定線，通過(guò)線完成面的數(shù)據(jù)設(shè)定，通過(guò)面拉伸出形體，然后通過(guò)其他命令進(jìn)行更多要求的雕琢。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是從平面到立體，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜。而在塑形的過(guò)程中，學(xué)生很容易實(shí)現(xiàn)空間的想象，直觀地體驗(yàn)直角坐標(biāo)系中物體的建立過(guò)程，會(huì)對(duì)三維數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)有更深刻的認(rèn)識(shí)。學(xué)生在學(xué)習(xí)中，對(duì)線生成面，面生成體的原理有一定的接受難度，但在實(shí)際操作了幾次后就將這一過(guò)程內(nèi)化了。這種內(nèi)化正是個(gè)人空間感形成的一種方式，這會(huì)為接下來(lái)平面及立體幾何的學(xué)習(xí)形成積極的影響。

經(jīng)過(guò)學(xué)生觀察，打印的過(guò)程實(shí)際上是一種立體繪制的過(guò)程，是將材料溶解然后依據(jù)預(yù)先建立的坐標(biāo)數(shù)據(jù)重塑，這里涉及多種化學(xué)和物理交織的成型方法，最常見(jiàn)的是“熔積成型”和“激光燒結(jié)”，當(dāng)然還有更多的堆疊技術(shù)，這些對(duì)材料的選擇及熱熔方法的探討會(huì)讓學(xué)生對(duì)物質(zhì)的物理、化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生更多的興趣。

少部分學(xué)生選擇以失蠟法來(lái)完成鑄造，是用蜂蠟做成鑄件的模型，再用別的耐火材料填充泥芯和敷成外范。加熱烘烤后，蠟?zāi)Ｈ咳刍魇?，使整個(gè)鑄件模型變成空殼。再往內(nèi)澆灌熔液，便鑄成器物。傳統(tǒng)的工藝需要多年的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)積累才能完成好的作品，相比之下，3D打印技術(shù)確實(shí)是實(shí)現(xiàn)個(gè)性化實(shí)體設(shè)計(jì)的最佳之選。

三、探究結(jié)果與反思

1. 3D打印技術(shù)可以表達(dá)學(xué)生的內(nèi)在習(xí)得。教學(xué)的輔助工具從想象到圖畫再到圖片和視頻，經(jīng)歷了一個(gè)漫長(zhǎng)的階段，而在信息技術(shù)高速發(fā)展之后，信息化教學(xué)輔助工具越來(lái)越多，學(xué)生對(duì)知識(shí)的感受越來(lái)越“深入”，但大部分的工具都是感官外部的支撐和數(shù)據(jù)的量化和監(jiān)測(cè)。3D打印技術(shù)卻更多地用在學(xué)生的表達(dá)上，學(xué)生學(xué)習(xí)收獲的成果用3D打印的手段表達(dá)出來(lái)，比直接用數(shù)據(jù)和理論表達(dá)更讓學(xué)生有成就感，也更加清晰明確。

2. 3D打印技術(shù)與各學(xué)科融合更有利于學(xué)科知識(shí)的理解。3D打印技術(shù)涉及的數(shù)理化知識(shí)不僅會(huì)為學(xué)生提供獲取的興趣，直接的觸感，更會(huì)為學(xué)生增加學(xué)習(xí)的動(dòng)力。學(xué)習(xí)和應(yīng)用一直難以掛鉤，各種應(yīng)用類問(wèn)題讓學(xué)生覺(jué)得抽象而沒(méi)有實(shí)際的意義，項(xiàng)目和3D打印技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式會(huì)讓學(xué)生直觀地感受知識(shí)的用武之地。提高他們對(duì)知識(shí)獲取的興趣和研究的動(dòng)力。而這種直觀也會(huì)更有利于理解不同領(lǐng)域的知識(shí)誕生的過(guò)程。

3. 3D打印技術(shù)只是一種工具，需要教師的設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)它的價(jià)值。3D打印技術(shù)并不是開(kāi)啟學(xué)生創(chuàng)意思維的方式方法，而只是一種工具，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)不能依靠3D打印技術(shù)本身，而要依靠教師的教學(xué)設(shè)計(jì)，教師能看到這種工具對(duì)教學(xué)某一個(gè)環(huán)節(jié)的加強(qiáng)作用，并進(jìn)行靈活應(yīng)用，這才是3D打印技術(shù)在教學(xué)上的真正意義。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 李柯影，鄭燕林. 3D打印技術(shù)在中小學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 現(xiàn)代教育技術(shù)，2015（4）.

[2] 徐文文. 青銅文化考——青銅冶煉鑄造工藝之探源[D]. 武漢理工大學(xué)，2005.

[3] 王正玉. 小學(xué)3D打印課程的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的研究[D]. 上海師范大學(xué)，2014.

[4] 陳立華. 3D打印技術(shù)：為課堂增添創(chuàng)新活力[J]. 中小學(xué)管理，2015（4）.