“比賽化”3D打印教學的探索與實踐

□陸少超

3D打印，即一種快速成型技術，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。目前，無論是小巧靈活的3D打印筆，還是高端大氣的3D打印機，在學校教育教學中已經非常普及，[1]大部分學校都開設了 “3D打印課程”。但是這些課程往往只停留在教學表面，教會了學生單一的技術能力，卻忽略了對學習者核心素養的關注和培養。

課堂是主體，課外是延伸，3D打印教育不應該僅僅停留在課堂教學階段，還應該給學生創造參加3D打印比賽的機會。3D打印比賽一般都有一個明確的主題，這個主題從未來的生產和生活角度出發，搭建某種建筑型結構，或者實現某種特殊型功能。比賽分為多個階段，如設計階段、打印階段、答辯階段，這不僅豐富了3D打印教學的內容，而且在每個階段都可以融入對中學生核心素養的培養和實踐。筆者認為，“比賽化”的3D打印教學，從設計、測試、答辯三個階段，實現了對中學生核心素養的培養。

一、3D打印比賽之設計階段——多學科融合，助推學生的設計思維

根據主題，3D打印在作品的設計階段，學生需要運用數學知識計算出各部件的尺寸，結合物理知識設計各部件之間的鏈接結構，并運用信息技術能力在建模軟件中繪制出3D模型，最后還要從美學的角度修改3D模型，使其更貼近生活實際。除此之外，建議和鼓勵知識儲備豐富的學生結合諸如仿生學、工程學、建筑學等各方面的知識來進一步拓展設計思維。由此可見，在3D打印比賽的設計階段，充分發揮多學科融合的作用力來助推學生的設計思維，是可行且必要的。

例如，在深圳舉行的2017年3D打印創新設計與制造挑戰賽中，賽題為“天梯挑戰”——太空電梯自20世紀70年代提出來之后，不斷有科學家提出新的設計方案并做出種種嘗試，請運用150克3D打印材料 （PLA），構建一座盡可能高的 “天梯”，并且能夠承受不少于2.1千克砝碼的壓力不垮塌或斷裂。這個比賽主題有三大要點：①層層疊高的塔式結構；②在有限材料范圍內承重能力越強越好；③高度越高越好。對此，有的學生在3D設計思路上提出 “碳60”的想法 （如圖1），這是一種足球狀的結構，具有強度高、外觀美等許多優異性能，并且巧妙地將化學知識引入到建筑中來；有的學生對中國古代建筑感興趣，在3D設計思路上提出 “榫卯”結構的想法 （如圖2），外觀非常精致，這種凹凸相扣式的結構不但可以承受較大的荷載，而且允許產生一定的變形，合理地將古建筑文明碩果應用于未來設計。以這兩種創意為代表的設計是對多學科融合的最佳詮釋，更體現了自然和人文的相互交融。

圖1 “碳60”結構

圖2 “榫卯”結構

設計思維是以解決方案為導向的思維形式，它不是從某個問題入手，而是從目標或者要達成的效果著手探究問題的解決方案，是一種獨特的 “在行動中進行創意思考”的方式。要推動學生設計思維的培養和發展，需要教師善于挖掘3D設計中豐富的文化信息和思維內涵。在3D設計過程中，教師要激發學生的想象力，不僅鼓勵學生發揮數學、物理、化學等理科類學科培養的邏輯推理和抽象思維，還要融入語文、歷史、美術等文科類學科的直覺感受和形象思維，[2]為創新打開設計思維之門。

二、3D打印比賽之測試階段——團隊合作，提升學生的社會參與感

3D打印比賽體現時代進步，反映現實社會生活，符合學生的興趣和要求。相較于普通的3D打印課堂而言，比賽是一種將團隊合作的教育思想落到實處的活動，其實質是根據學生個體間的差異分配任務，明確個人職責，分工到位。參賽者需要組成3～4人的團隊，從草圖設計、物理計算、3D模型繪制、3D打印機操作等職責中挑選各自擅長的任務，共同完成一個3D成品。在3D打印測試階段，團隊成員之間的互動可以在最大程度上提升學生的社會參與感。

為了培養團隊合作精神，教師應該傳遞給學生的思想是：所有的設計創作沒有對錯之分，必須通過實際打印出物體模型后才能檢驗合不合理，即 “建模——打印——再建模”的迭代過程。例如，“天梯挑戰”賽中，負責3D打印機操作的學生打印出實物后，放到現實環境中測試其是否滿足要求。結果發現第一次設計的天梯 （如圖3）由于橫向連接件太細，使得整個天梯在測試承重時，未達到2.1千克就垮塌了。根據這一測試結果，問題被反饋到負責草圖設計的學生那里，由他和負責物理計算的同學探討改進方案。改進后的天梯部件 （如圖4），其縱向連接件變細，橫向連接件加粗，同時再增加一圈三角形。這一改進方案再交由負責3D模型繪制的學生修改，完成作品的 “再建模”任務。最后由負責3D打印機操作的學生再次打印并實際測試。整個過程如同一個市場化的產業鏈，每個 “部門” （學生）各司其職，3D測試工作井然有序地開展，作品修改可能要反復好多次，直至滿足實用性指標。通過打印實現、實地測試、修改模型、重新測試等幾個環節，“比賽化”的3D打印教學活動讓學生體驗到了團隊合作的真正意義。

圖3 第一次設計的天梯

圖4 改進后的天梯部件

通過團隊合作提升學生的社會參與感，這就需要教師善于把握自己在3D打印比賽中的角色。教師既不是旁觀者，也不是控制者，而是適時的指點者。在實際測試作品遇到問題時，學生往往第一時間想到求助教師，如果此時給予幫助給出答案，無異于扼殺了學生團隊合作的機會；相反，教師在此時給予引導，使他們集體進入“建模——打印——再建模”的迭代過程，就等同于把主動權交還給學生，在生生互助和產出過程中，學會與不同人的溝通藝術，加深對團隊合作的理解，提升學生的社會參與感。

三、3D打印比賽之答辯階段——答辯機制，培養學生的表達和邏輯思維能力

傳統的3D打印教學，雖然著力于學生的技術素養和創新素養，但要全面培養中學生的核心素養，筆者認為表達和邏輯思維能力也必不可少。“比賽化”的3D打印教學，亮點在于引入答辯機制，就像大學生在完成畢業論文時需要答辯一樣，需要面對來自各個專家的質疑和追問。但答辯活動不應簡單等學生考到大學后由大學來做，而是要在中學階段利用現有條件，如3D打印比賽，讓學生提前領略科研的過程與樂趣。[3]答辯機制，從3D打印比賽的角度來說，要求學生用5分鐘介紹自己的作品，并回答專家評委組的提問。在這個階段，如何向專家介紹自己的想法和設計方案，讓他人理解就顯得非常重要。教師可以指導學生圍繞以下幾個方面展開：通過調查發現了什么問題，想到了哪些解決的辦法，每種辦法各有什么優缺點，最后選擇了哪個，本設計方案的最大特點是什么，是否實現了之前的想法，還有什么不足需要改進等。

例如，學生在回顧 “天梯”作品設計的過程中，總結出三大優勢：三角形結構多則穩定性強、“榫卯”結構聯結既古典又方便、多條天梯軌道增加客運量。學生能做出這樣高度概括性的表達既讓人意外又在情理之中，因為他們在準備答辯的時候找不同的人推銷作品，了解了大家對同一事物的不同想法。更令人欣慰的是，他們甚至考慮到人文關懷，把對人的生存、發展和幸福等因素考慮到答辯內容中。他們指出：“天梯”設置有參觀平臺，未來人類在進入太空的旅途中，既可以中途休息又可以鳥瞰地球之美。精彩的表達、人性化的思考，這些由答辯機制帶來的裨益是傳統課堂教學無法企及的。

在自我展示完成后，進入評委問答環節，這對學生邏輯思維的嚴謹性是一種考驗。例如，教師提出了一個問題，你們的 “天梯”有幾個連接處為什么很松，而其他幾處又很緊，學生回答可能是機械誤差造成的。但這沒有進行實驗驗證，僅僅是理論猜測。當他們經過互聯網搜索和檢驗后才發現，3D打印的打印噴頭有粗細之分，而學校所使用的3D打印噴頭是0.4mm規格，因此1.2mm粗的線條需要噴頭打印3次，但是1.3mm粗的線條呢？同樣只打印3次，誤差顯而易見。至此，他們總結出3D模型的尺寸必須是0.4mm的整數倍。嚴謹的邏輯思維能力不是與生俱來，更不是一蹴而就的，所幸的是答辯機制中的問答環節創造了這樣的訓練機會。專家評委組從專業角度出發，會不斷追問作品存在的缺陷，這一方面迫使學生答辯前必須事先做充分準備，[3]對出現過的問題及解決方法及時梳理，[4]不能想當然，稍有不慎，就會被問倒；另一方面提升了學生的邏輯思維能力，不但要求學生會設計、會操作，更要求他們利用 “互聯網+”技術使自己具備廣博的知識面和充足的實驗常識。

如果僅僅完成3D作品，師生之間缺乏直接的思想碰撞。引入答辯機制，學生團隊之間的隱性競爭變為顯性競爭，不再僅僅是3D模型大小、稱重能力等數字高低的較量，而是比拼研究、科研的嚴謹與規范，從低層次競爭轉變為高層次競爭。

四、結論

隨著3D打印從象牙塔里的高科技發展成為融入學校、家庭和社會教育常態的具有革命性影響的技術，[5]3D打印教學將成為未來中學教育必不可少的一部分。本文通過對 “比賽化”3D打印教學的探索，把中學生核心素養融入教學的各個環節，搭建起中學生核心素養發展所需的良性生態和良好平臺，以滿足我國未來社會和經濟發展對綜合型人才的需求。[6]