黎加厚，楊曉哲，楊高云

上海師范大學教育技術系，上海 200234

1 第三次工業(yè)革命對時代變化的影響

2012年，《經濟學人》雜志發(fā)表社論，描述了正在進行的第三次工業(yè)革命，實質就是以數(shù)字制造技術、互聯(lián)網(wǎng)技術和再生性能源技術的重大創(chuàng)新與融合為代表，從而導致工業(yè)、產業(yè)乃至社會發(fā)生重大變革，這一過程將推動一批新興產業(yè)的誕生與發(fā)展，將會替代自從第一次和第二次工業(yè)革命所形成的傳統(tǒng)產業(yè)，還將導致社會生產方式、制造模式甚至生產組織方式等方面的重要變革，最終使人類進入生態(tài)和諧、綠色低碳、可持續(xù)發(fā)展的社會［1］。

長期關注制造業(yè)技術和數(shù)字制造發(fā)展的《經濟學家》資深編輯保羅·麥基里(Markillie)認為，第三次工業(yè)革命將帶來制造模式的重大變革，人們可以完全按照自己的意愿來設計和個性化定制產品，自第二次工業(yè)革命以來的大規(guī)模生產流水線和標準化制造將逐步失去意義。隨著制造業(yè)的數(shù)字化，新材料的應用以及諸如3D打印、機器人、網(wǎng)絡協(xié)作生產、個性化服務等全新工序，將導致小批量生產變得更加劃算，生產也為更靈活，所需勞動力的投入也更少。

眾所周知，第一次工業(yè)革命始于18世紀后期，英國紡織業(yè)的機械化是第一次工業(yè)革命的標志。此前需要數(shù)以百計的織布作坊里的工人手工完成的任務，被匯集在一個紗廠中規(guī)?；a，工廠機器生產取代了作坊手工制作。第二次工業(yè)革命開始于20世紀初期，亨利·福特使用了可移動的流水生產線，并開創(chuàng)了規(guī)模化生產的時代［2］。人類社會進入21世紀后，現(xiàn)正進行歷史上的第三次工業(yè)革命，由于信息技術、新能源技術等的飛速發(fā)展，全球制造業(yè)正走向數(shù)字化。這意味著智能軟件、新材料、靈敏機器人、新的制造方法及一系列基于網(wǎng)絡的商業(yè)服務將形成合力，成為改變經濟社會進程的巨大力量。

在歐美發(fā)達國家，人們已經看到了工業(yè)機器人、自動化工程器械以及由計算機輔助完成的各種設計，許多公司正在開發(fā)出更多、更智慧的計算機軟件。利用三維設計軟件，工程師可以將物品設計轉化為三維模型，可以輕松地在電腦上從多個角度檢查設計物品的結構、外形和功效，發(fā)現(xiàn)任何缺點都可以在第一時間方便地進行修改。如果有需要，可以再次構造、檢查和修改設計，重復這個迭代過程，直至設計出最好的模型。設計師可以通過互聯(lián)網(wǎng)，將設計圖紙、模型、樣品上傳給制造商，還可以利用3D打印機，打印出少量產品檢驗市場的接受度，再決定是否進行產品的大批量生產。

三維打印技術有可能將取代大規(guī)模定制化的生產方式，這種基于三維打印技術的定制制造的好處是:第一，完全適合消費者的個性化需求?？筛鶕?jù)每一個客戶的不同需求，隨時在電腦上設計并打印生產，充分滿足消費者的個性化偏好;第二，節(jié)約成本。3D打印沒有鑄造、裁剪、車鉗銑磨等傳統(tǒng)加工過程造成的邊角料浪費。由于是個性化定制生產，不會產生產品庫存，從而可以在減少原材料消耗和碳排放的前提下，保持更高的生產效率;第三，3D打印的運用還將改變人們的商業(yè)交易方式。從前，消費者都是在店里挑選、購買已經生產好的商品?，F(xiàn)在則可以根據(jù)各自的需求，在線預約，遠程設計，“打印店”定制，甚至邊生產、邊體驗、邊修改，及時獲得讓每一個用戶喜歡的產品。

2 三維打印技術的原理和功能

三維打印技術是從快速成型技術發(fā)展起來的一種新興技術?？焖俪尚图夹g(rapid prototyping，RP)是20世紀80年代后期發(fā)展起來的一種先進的制造技術［3］。3D打印機(3D printer)又叫三維立體打印機，能夠實現(xiàn)從計算機上設計虛擬3D模型到打印出實物的功能，具有打印精度高、生產速度快、高易用性等特點。

3D打印機所使用的材料，不是噴墨打印機的墨粉，而是一些可以發(fā)生固化反應的材料?，F(xiàn)在可以作為3D打印材料的原材料多種多樣，包括樹脂、塑料、陶瓷、金屬等，甚至包括人體細胞培養(yǎng)液。

3D打印機的種類豐富，根據(jù)目前的應用可分為噴塑3D打印機、粉劑3D打印機和生物3D打印機。而且打印機的種類越來越多，甚至食物也可以被打印。例如:康奈爾大學的研究人員已經成功打印出蛋糕。

噴塑3D打印機的工作原理同噴墨打印機的工作原理類似。首先，在電腦上設計出三維立體模型，然后，將計算機三維設計模型的數(shù)據(jù)傳送到3D打印機，打印材料的液態(tài)塑料送至打印頭，利用打印頭在一個托盤上噴出超薄的液體塑料層，并經過紫外線照射而凝固。另一種三維打印塑料制品的方式是熔融沉積成型(fused deposition modeling，F(xiàn)DM)，即通過高溫的打印頭將塑料融化，然后噴出絲狀材料，從而構成一層層薄層，最后累積成為一個三維的立體物體［4］(如圖1 所示)。

圖1 熔融沉積成型

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。每一層的打印過程分為兩步:首先在需要成型的區(qū)域噴灑一層特殊膠水，膠水液滴本身很小，且不易擴散;然后是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，實體模型將會被“打印”成型，打印完畢后只要掃除松散的粉末即可“刨”出模型，而剩余粉末還可循環(huán)利用［3］。

生物3D打印機是迄今最具想象力和實用性的三維打印技術，可以用來復制一些簡單的生物體組織，如肌肉、皮膚、血管等，甚至打印制造人體的膀胱、腎臟等器官。為了防止生物體對非自身移植器官的排斥，需要使用患者自己的干細胞進行打印材料的培育，在進行器官移植后，其身體就不會對打印出來的器官產生排斥。

三維打印技術研發(fā)的初期主要用于制作一次性樣品(例如工業(yè)生產的模具)的一種方式，可以大大節(jié)省模具的設計和制造成本。但隨著三維打印技術的發(fā)展，更多的東西被作為成品直接打印出來［5］。隨著新材料的出現(xiàn)以及技術的革新，3D打印正在更多的領域展現(xiàn)其非凡的潛力。

3 三維打印技術的發(fā)展與未來

三維打印技術已經在交通、醫(yī)療保健、軍事以及教育等這些機構得到充分利用。用途包括打印概念模型、功能原型、工廠設備(如模具和機器手裝置)，甚至是打印制成品(如汽車、飛機的結構組件)。目前，發(fā)達國家在航空、醫(yī)療這兩個行業(yè)已經開發(fā)出先進的三維打印技術應用設備。

2010年2月，Organovo醫(yī)學公司生產出首臺3D生物打印機，能夠打印出人體的組織和器官，誤差控制在20微米之內。2010年5月，意大利發(fā)明家恩里科成功研制出大型3D打印機，能夠打印出整個立體建筑物。2010年11月，全球首輛利用三維打印技術制造的Urbee雙座汽車誕生。2010年12月，美國康奈爾大學研制出3D食物打印機，能夠打印出個性化外形的食物。2011年7月，美國明尼蘇達州廠商開發(fā)出Stratasys Fortus 250mc 3D打印機。支持多種顏色注入，支持 0.007 英寸、0.01 英寸和0.0013英寸 3種厚度的單層材料輸出。2011年8月，英國南安普頓大學的工程師設計并用3D打印機，制造出世界上第一架無人駕駛飛機。2012年，兩院院士評出中國十大科技進展，華中科技大學教授史玉升團隊研發(fā)的世界最大激光快速制造裝備入選。專家介紹，通過激光快速制造裝備可以造出任何想得到的實物，該裝備也因此被形象地稱為工業(yè)用“3D打印機”［6］。該技術遠遠超過德國、美國等公司同類產品，使得我國在快速制造領域達到世界領先水平。

三維打印技術經過十多年的探索與發(fā)展，目前能夠實現(xiàn)600 dpi分辨率，每層厚度只有0.01 mm，即使模型表面有文字或圖片也能夠清晰打?。?］。3D打印尺寸、技術及速度日新月異，應用領域也在不斷擴展，隨著3D打印機本身精度的不斷提高，3D打印材料逐步豐富多樣，價格將會不斷下降，并以人們難以想象的速度普及到日常生活領域。在美國Solidworks World 2012展覽會上，桌面級的塑料3D打印機的市場標價僅為1699美元(http://www.up3dusa.com/)。今年在北京、上海等地舉辦的國際展覽會上，均有3D打印機商家參展(http://www.pp3dp.com/)。3D打印民用化普及趨勢明顯，其設計平臺正從專業(yè)設計軟件轉向簡單設計應用發(fā)展。其中，比較成熟的平臺有基于Web的3D設計平臺—3D Tin。另外，微軟、谷歌以及其他軟件業(yè)巨頭也相繼推出了基于各種開放平臺的3D打印應用軟件平臺，大大降低了3D設計的技術門檻，可以讓普通用戶通過類似玩樂高積木的方式設計3D模型。例如:Google Sketchup(谷歌草圖軟件)就是一款注重設計創(chuàng)作過程的軟件，操作簡潔，用戶操作Sketchup軟件，能夠直接在電腦上進行十分直觀的構思和設計，然后將最終形成的模型支持用3D打印機直接打印出來成品。Sketchup的操作使用技術簡便易學，即使中小學學生都可以通過培訓掌握三維立體模型的設計。

4 三維打印技術在中小學教學中的應用

基礎教育是為了培養(yǎng)孩子們未來的生存和工作的基本能力素養(yǎng)，需要具有一定的前瞻性，培養(yǎng)孩子們能夠更好地適應時代的發(fā)展。面對第三次工業(yè)革命浪潮，教育需要更多地讓孩子們接觸、感知和體驗未來的新興技術，培養(yǎng)學生的創(chuàng)造性思維能力。三維打印技術的普及為學校的創(chuàng)新教育提供了新的視角和技術支持。

從今年秋季開始，上海師范大學教育技術黎加厚團隊與上海市閘北區(qū)和田路小學共同合作，在小學一線教學中做了大膽的嘗試，開發(fā)了面向小學生的3D打印校本課程—《虛實創(chuàng)造課程》，并在2012年9月份對該校5年級的小學生開始授課。

在小學階段開設《虛實創(chuàng)造課程》，旨在讓小學生接觸三維打印技術，在學校教育中運用這一新興技術，促進學生的空間思維、計算思維、設計思維和創(chuàng)造性思維的發(fā)展，促進學生虛擬世界、實體世界和內心世界的聯(lián)通，激發(fā)學生的想象力。

根據(jù)維果茨基的最近發(fā)展區(qū)學習理論和建構主義學習理論，《虛實創(chuàng)造課程》采取循序漸進的原則，將課程教學分為五個階段(如表1所示)，逐步構建起學生的虛擬、實體和想象的聯(lián)通，最終實現(xiàn)融通與創(chuàng)造。在課程的開發(fā)過程中，逐步從教師主導轉變?yōu)閹熒步ㄕn程資源，形成合理的內在良性循環(huán)。在課程實施的五個階段中，師生產生的各種成果，如源文件、效果圖、操作視頻等都將被整理出來，作為寶貴的資源與其他師生分享。

表1 課程實施五個階段

基于三維打印技術的《虛實創(chuàng)造課程》分為五個學習階段:

第一階段:案例學習。課前，教師選取案例，錄制成視頻。課中分為共同學習時間和自主學習時間。在共同學習時間，教師對部分案例分步講解，學生模仿。教師為學生提供了多樣的幫助資源，如效果圖、源文件和視頻，以保證學生能跟上課堂節(jié)奏。在自主學習時間，學生可以挑選自己感興趣的例子進行模仿創(chuàng)造，教師巡視并進行個別指導。學生使用Google Sketchup草圖軟件進行虛擬三維建模，該軟件界面簡單，操作也比較容易，小學生非常容易上手。在案例學習中，學生能夠輕松而愉快地掌握軟件主要功能的使用，為后期學生的想象創(chuàng)造打下了牢固的基礎。

第二階段:拍照創(chuàng)建。學生收集自己生活中感興趣的物品或主題，拍成照片，運用Google Sketchup草圖軟件嘗試構圖，并對其中不合理的地方進行再設計。學生可以將自己的構圖或再設計圖，以及相應的視頻介紹上傳到虛實創(chuàng)造學習平臺，與其他學生分享、交流。對該設計有不同見解的學生可以進行再修改并附上自己的設計和想法。通過深層互動，學生依托Google Sketchup草圖軟件在實踐中不斷地求證自己的設想，最終達到更為合理的設計。

第三階段:三維實物構建。教師為學生提供豐富的實物模型或者是學生自帶生活中的小物品。在“學習觀察單”的指導下，學生感知三維實體的設計細節(jié)，并在軟件操作中不斷地檢驗或證實自己的設想，完整地搭建起虛擬模型。學生將實踐中遇到的問題和解決的方法進行整理，成為一份寶貴的學習材料，供其他學生學習。

第四階段:想象搭建。在經歷過拍照創(chuàng)建、實物構建兩個階段的充分體驗后，需要讓學生去嘗試創(chuàng)建自己的奇思妙想。學生可以按照“學習觀察單”提供的成長路線來完成自己的想象搭建:①我想象的東西是(圖畫);②看看我捏的陶泥(陶泥圖片);③瞧瞧我做的虛擬模型(虛擬模型圖)。也可以根據(jù)自己的能力挑選其中的一種或幾種來呈現(xiàn)自己的想象(構建虛擬模型是必須要經歷的環(huán)節(jié))。這樣，在滿足學生個性需求的同時，又能保證學生體驗從想象到虛擬的全過程。

第五階段:虛實創(chuàng)造。學生使用3D打印機，將自己在Google Sketchup軟件中虛擬搭建的模型打印出實體，從而融通起想象、虛擬與實體的世界，將自己頭腦中的想象與計算機中的三維設計模型和真實世界的具體三維物品聯(lián)系起來。

這五個階段是一個循序漸進的過程:第一階段是基礎，通過案例的學習，幫助學生掌握軟件的基本操作，其他四個階段是虛擬構建、實物構建和內心想象不斷深化的過程，但又是一個相互交融的過程。

實驗學校專門為《虛實創(chuàng)造課程》建設了一個網(wǎng)絡學習平臺，用來支撐課程教學活動，為學生提供一個展示、交流、創(chuàng)新的環(huán)境，突破課堂時間和空間的局限性，將課堂內外結合，幫助學生在《虛實創(chuàng)造課程》中充分交流共享思想，培養(yǎng)學生的思維品質，讓創(chuàng)造成為學生的一種習慣。

目前，《虛實創(chuàng)造課程》正在上海市和田路小學五年級實施，課程已經進展到第二階段的學習。學生們能夠較為熟練地掌握Google Sketchup三維建模軟件的基本功能，能夠在軟件上構建出簡單的三維模型。學生拍攝家里的臺燈、電風扇、電冰箱、洗衣機、書桌、臥室等生活中的照片，然后在軟件中進行三維建模。不少學生在建模的基礎上又提出了自己有創(chuàng)意的改進想法。例如:臺燈的燈罩可以隨意變形;電風扇沒有葉片;洗衣機沒有按鈕，用遙控器控制;廚房的抽油煙機用的時候是懸掛的，不用的時候可以折疊收起來……。這些五彩繽紛的創(chuàng)意想法，不僅涌現(xiàn)在學生的頭腦中，學生們能夠親自動手，在計算機上將自己的想法設計成為三維模型。在《虛實創(chuàng)造課程》的第五階段，學生將學會使用3D打印機來完成真實作品的打印。

五個階段的設計還需要在實施中不斷地修改完善，從目前實施情況來看，第一階段采用基于案例的教學方式，在保證教學質量的同時，也大大提高了教學效率。在有限的課堂時間里，學生學習案例的數(shù)量由1個上升到3個、4個，所涉及的工具使用也更加豐富。教師擁有更自由的時間關注學生的個性化發(fā)展，進行個別輔導。但同時，我們也發(fā)現(xiàn)自主學習環(huán)節(jié)的幫助功能還需要完善。一方面，需要教師有意識地引導學生利用提供的資源;另一方面，需要對提供的資源進行再設計，加強資源自身的幫助功能，以引導學生解決自主學習時遇到的困難。第二階段教師以主題活動的方式，由易到難，由淺入深地加強學生的設計、想象、創(chuàng)造能力。

我們在教學中發(fā)現(xiàn)，通過幾周主題式的學習，學生的觀察能力、設計能力、空間思維能力有了明顯的變化。他們的作品由簡單的布局，到具體實物設計，再到修改設計，最后是細節(jié)加工處理，一步一步地深入。通過階段觀察，也驗證了《虛實創(chuàng)造課程》最初的設想，每個階段都涉及到內心的想象，除了第一階段案例學習外，其他四個階段是相互交融。比如:主題“生活一角的設計”，這是第二階段的內容，讓學生拍攝照片，再運用Google Sketchup軟件進行模型搭建。學生拍攝了非常豐富的圖片，有臥室的一角，有客廳的一角，也有衛(wèi)生間的一角。通過對現(xiàn)實生活中這些真實場景的使用，學生提出了許多修改意見，并運用軟件對自己所選的場景進行再設計，還構建出自己想象中的可能設計，最終學生呈現(xiàn)出來的作品都是非常有創(chuàng)意的。

在實踐研究中，我們感受到了孩子們對未來新興技術的濃厚興趣，對自己能夠創(chuàng)建三維模型并且能夠打印出實體的興奮之情。

5 小結

三維打印技術是第三次工業(yè)革命的關鍵技術。教育要與時俱進，應盡可能讓孩子們去接觸、體驗、掌握這樣一門新興的技術，從而發(fā)展學生的空間思維能力和創(chuàng)新思維能力，這將會對孩子的未來產生重要的影響。在學習掌握三維打印技術的過程中，我們的教育理念也會發(fā)生轉變:未來的教育，不再是為了培養(yǎng)流水線上高效的勞動者，這些勞動者極有可能被未來機器取代，被3D打印機取代。我們的教育需要培養(yǎng)具備想象能力、設計能力、創(chuàng)造能力的人才，這是我們下一代面臨第三次工業(yè)革命必須具備的基本能力。

［1］芮明杰.第三次工業(yè)革命的起源、實質與啟發(fā)［N］.文匯報，2012-09-17

［2］杰里米·里夫金(Jeremy Rifkin).第三次工業(yè)革命:新經濟模式如何改變世界［M］.張體偉，孫豫寧，譯.北京:中信出版社，2012:6

［3］古麗萍.蓄勢待發(fā)的3D打印機及其發(fā)展［J］.數(shù)碼印刷，2011，(10):65-67

［4］趙春雷.3D 打印機種類［J］.世界科學，2012，(7):19

［5］趙辰.3D打印機分層軟件的設計與實現(xiàn)［D］.南京:東南大學，2009:1

［6］朱建華.武漢造世界最大“3D打印機”入選［N］.長江日報，2012-01-18

［7］The third industrial revolution.The Economist［N］.2012-04-21(5)