（惠州市三棟鎮(zhèn)中心小學，廣東惠州516025）

基于3D打印筆的小學創(chuàng)意課程實踐研究

☆曾冕

（惠州市三棟鎮(zhèn)中心小學，廣東惠州516025）

將傳統(tǒng)3D打印機直接應用于小學教育教學中存在著成本高、使用困難、便攜性差等問題，為了解決上述難題，筆者嘗試在小學創(chuàng)意課程中引入3D打印筆展開教學。本文分析了3D打印筆的技術特點，探討引入3D打印筆后小學創(chuàng)意課程的教學目標、內(nèi)容設置、效果評價等問題，并開展了相應的教學實踐。實踐表明，合理運用3D打印筆能將小學教育中的數(shù)學、信息技術、科學、美術等學科課程內(nèi)容有機地結合起來，可顯著提升學生的空間想象能力，豐富小學課堂的教學形式，充分發(fā)揮出3D打印技術的教育價值，有利于學生創(chuàng)造思維的培養(yǎng)。

3D打印筆；創(chuàng)意課程；小學教育

一、引言

近年來，3D打印技術作為一種新型的快速成型技術，被譽為“第三次工業(yè)革命的重要生產(chǎn)工具”。3D打印技術在工業(yè)界取得巨大成功的同時，也逐步進入教育領域，受到國內(nèi)外教育工作者的重視。新媒體聯(lián)盟（New Media Consortium，NMC）在2013年的《地平線報告（基礎教育版）》中首次將3D打印技術列為教育領域未來普及發(fā)展的對象，2014年《地平線報告》更是將3D打印技術列為在教育領域優(yōu)先關注的目標。3D打印技術可培養(yǎng)學生的創(chuàng)造性思維、使學生跨越了想象—虛擬—實體三者之間的鴻溝，是開展創(chuàng)新學習的重要技術手段。目前國內(nèi)外眾多教育機構已經(jīng)嘗試將3D打印技術應用于教育領域，并開展相應的課堂教學實踐，在國內(nèi)有的學校甚至開展了3D打印教學比賽。3D打印技術應用到基礎教育領域中的趨勢已勢不可擋。

傳統(tǒng)的3D打印技術，需要先構建三維數(shù)字模型，再利用專門的3D打印機中的粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式構造出實物造型。目前，國內(nèi)教育機構通常是將傳統(tǒng)的3D打印機進行較為簡單的適應性改造，并將其應用于基礎教育領域的教學。但是，傳統(tǒng)3D打印技術直接應用于基礎教育領域，特別是小學教育領域，也存在著不少缺點。如構造三維數(shù)字模型的軟件較為復雜，過程繁瑣，小學生通常難以在短時間內(nèi)掌握；傳統(tǒng)3D打印機的打印速度較慢，三維造型的打印非常耗時，小學生往往缺乏耐心。此外，傳統(tǒng)3D打印機一旦開始打印，模型就無法修改，靈活性差，價格較為昂貴，維護也較為困難。

近一兩年來，市場上出現(xiàn)了一種小巧便攜的3D打印筆，其外形猶如一支大號鋼筆，特殊的耗材經(jīng)過3D打印筆后可以迅速成型，在三維空間依次分層涂抹即可生成三維物體。3D打印筆克服了傳統(tǒng)3D打印機成本高、使用困難、便攜性差等缺點，能高效、便捷地構造出立體模型，供學生涂鴉出個性的三維模型，有利于培養(yǎng)學生的空間想象能力。借助3D打印筆可將小學教育中的數(shù)學、信息技術、科學、美術等學科課程內(nèi)容有機地結合起來，豐富小學課堂的教學形式，充分發(fā)揮出3D打印技術的教育價值。本文嘗試將3D打印筆應用于在小學創(chuàng)意課程中，在分析3D打印筆技術特點的基礎上，通過教學實踐探討課程的教學組織形式、內(nèi)容設置、效果評價等問題。

二、3D打印筆及其特點

根據(jù)成型材料的類別，3D打印筆可分為兩種：光感材料型和熱融材料型。光感材料型3D打印筆使用液態(tài)的感光樹脂，該類型感光樹脂加壓后可從打印筆存儲容器中擠出，擠出時為半固態(tài)軟膏狀，塑形后可用特定光源照射（如特定波長的UV光源），感光樹脂即可固化。熱熔材料型3D打印筆使用的是熱擠出級樹脂，近年來經(jīng)過改良后的打印筆常使用聚乳酸（PLA）作為熱成型材料。熱擠出級樹脂經(jīng)過3D打印筆的加熱部件熱融后，通過擠出頭形成細絲，經(jīng)過空氣的冷卻固化成穩(wěn)定的狀態(tài)。由于光感材料通常有一定毒性、不容易降解、價格較高，因此近年來光感材料型3D打印筆已逐漸退出兒童教育市場。相對地，熱融材料聚乳酸（PLA）使用的原料是可再生植物資源（如玉米）所提取的淀粉，經(jīng)由糖化、發(fā)酵以及化學合成制得，具有良好的生物可降解性，使用后能被自然界中的微生物完全降解，最終生成二氧化碳和水，不污染環(huán)境，并且其熱融溫度低，成型快，價格低廉，因此熱融型3D打印筆得到了迅速的普及，成為市場的主流。本文的研究與教學實踐也主要基于熱融型3D打印筆。

熱融型3D打印筆將3D打印機的噴頭做成獨立裝置，使其能夠噴出PLA材料，這種材料接觸空氣后會立即冷卻成型，使用者可于3D空間中直接描繪出3D造型或3D圖案。通常熱融型3D打印筆主要由隔熱外殼、擠出頭（負責將打印材料擠出）、控制馬達（控制出料速度）和加熱與溫控（負責將融化并控制溫度范圍）組成，它的結構和我們?nèi)粘Ｊ褂玫臒崮z槍非常類似，如圖1所示。（說明：圖1（A）為熱融型3D打印筆外觀。圖1（B）為熱融型3D打印筆內(nèi)部結構，其中各標號分別代表：1出料嘴，2進料口，3進料管，4發(fā)熱芯，6隔熱硅膠，7通風口，9主動輪，10從動輪，12進料按鈕，15外殼，16中空體。）

圖1 熱融型3D打印筆外觀與內(nèi)部結構

三、小學創(chuàng)意課程設計

美國教育學家戴爾提出的“經(jīng)驗之塔”理論認為教學活動應從學生的具體經(jīng)驗入手，逐步進入抽象經(jīng)驗。小學生認識抽象事物的能力不足，而創(chuàng)意的產(chǎn)生是一個由抽象到具體、由虛擬到現(xiàn)實的實現(xiàn)過程。運用3D打印筆可以讓小學生在認知具體模型中提升空間思維與創(chuàng)造思維能力，變抽象為具體，從而使學習活動更加高效。此外，為激發(fā)小學生探索新知的興趣，培養(yǎng)其分析、解決問題的能力，小學創(chuàng)意課程宜采用主題教學或者項目教學的方式展開；為培養(yǎng)小學生的溝通協(xié)調(diào)能力、群體意識，小學創(chuàng)意課程宜采取小組合作的形式進行。3D打印筆的引入，恰如一道粘合劑，將小學創(chuàng)意課程的各項要求全部有機地組合到了一起。2015年開始，惠城區(qū)三棟鎮(zhèn)中心小學就運用3D打印筆開展了小學創(chuàng)意課程的教學實踐，由科學、信息技術、美術教師共同開發(fā)了這門面向我校高年級學生的興趣課程。

1.課程目標

小學創(chuàng)意課程旨在讓小學生通過親自動手操作3D打印筆構造各種三維造型，連通虛擬世界與實體世界，從而促進學生空間想象能力的提升，培養(yǎng)學生的設計思維和創(chuàng)新思維，激發(fā)小學生的創(chuàng)造力和想象力。

具體的課程目標有：（1）讓學生了解3D打印技術的基本原理，并熟練掌握3D打印筆的使用方法；（2）通過繪畫、動畫創(chuàng)作、實驗設計等活動系統(tǒng)地訓練學生，使學生能熟練掌握3D打印筆的建模技巧，自主創(chuàng)作簡單的三維模型；（3）激發(fā)小學生的學習興趣，培養(yǎng)創(chuàng)造思維，著力培養(yǎng)學生分析、解決實際問題的能力，使其自行設計的3D作品具有一定的實用價值。

2.實施策略

在教學過程中主要采取以下策略。

第一，創(chuàng)設教學情境，提高學習動機。運用3D打印筆建模并生成特定造型需要細心與耐心，學習過程相對較為枯燥。因此在教學過程中教師可利用學生熟悉而又感興趣的圖案和造型，并從他們的學習經(jīng)驗、知識結構出發(fā)，適時創(chuàng)設具有趣味性、探索性、延伸性的教學情境，激發(fā)學生的學習意識和創(chuàng)作欲望。

第二，任務驅(qū)動，自主協(xié)作學習。運用3D打印筆進行創(chuàng)意教學可采用任務驅(qū)動的方式展開，學生按照任務自主形成學習小組，圍繞任務展開搜索、調(diào)查、設計、建模、修正等探索活動，通過學生自主發(fā)現(xiàn)問題，以及學生之間的討論、交流等活動培養(yǎng)學生的集體意識。教師也應及時觀察學生的學習情況，給予必要的監(jiān)督、指導和支持。

3.教學內(nèi)容

小學創(chuàng)意課程設計了三個主題任務，如表1所示。通過對這三個主題任務進行實踐，使學生充分感受3D打印給生活、學習帶來的好處，逐步學會跨越想象與現(xiàn)實之間的鴻溝，最終實現(xiàn)多學科知識的融會貫通。

表1 基于3D打印筆的小學創(chuàng)意課程主題任務

（1）烏鴉喝水。從小學語文課文“烏鴉喝水”的片段出發(fā)：一只烏鴉飛了很久，口渴了，它在低空盤旋著找水喝。找了很久，才發(fā)現(xiàn)不遠處有一個水瓶?？墒?，水瓶里水太少了，瓶口又小，瓶頸又長，烏鴉的嘴無論如何也夠不著水。這可怎么辦呢？課堂由此開始，學生需要做的就是以小組為單位設計一個劇本使得烏鴉最終能喝到水。劇本中涉及別的道具如烏鴉、石頭和水瓶均是在教師的指導下，由學生通過3D打印筆構造而成的。特別是構造水瓶，可用透明材質(zhì)的PLA來堆疊打印，既不能漏水又不能堆疊得太厚，能觀察到瓶中的水位，對學生提出了較高的要求，有助于培養(yǎng)學生的團隊意識。打印完成后，學生可以利用自己設計、打印的道具，結合“定格動畫工作室”軟件，將之前設計好的紙質(zhì)劇本拍攝成定格動畫，供師生進行交流、展示與共享。

（2）搭建長城。該主題任務以學生構建長城為例進行教學，教師在教授學生中國歷史知識的同時，讓學生構造并搭建一個長城模型，使學生了解如何從平面構建搭建立體實物的建模方法。首先，教師展示我國長城的照片與實物模型，向?qū)W生講解長城的歷史與作用，并進一步講授長城的構造及其功能。然后，教師布置任務讓學生用3D打印筆構造出一段長城模型。這期間，要注重引導學生思考如何才能用最少的材料、最快的方法構造出一個立體模型。教師提示可從構造平面部件開始，再通過平面部件進一步生成立體的長城模型。最后，學生以小組為單位開展長城模型構造比賽，比一比哪個組用的材料最省、搭建最快、結構最牢固。本案例中，學生在運用3D打印筆的同時學習了相關歷史建筑知識，不僅高效達成了各學科的學習目標，還感受到了不同學科知識之間的相通、相融性，并進一步增強了民族自豪感。

（3）定量鹽勺。世界衛(wèi)生組織建議人類控制食鹽的攝入量以減少高血壓疾病的發(fā)生。國人烹飪時過度地追求色香味，往往在菜肴中添加了過量的食鹽，加大了患高血壓等疾病的可能。為了控制食鹽，本創(chuàng)意課程主導學生設計并實現(xiàn)一種在烹飪中控制放鹽量的實用生活用具——定量鹽勺，要求學生自行設計并實現(xiàn)一整套的定量鹽勺，使用這套鹽勺可以非常方便地舀出所需重量的鹽。首先，教師引導學生什么樣的數(shù)字組合最容易舀出定量的鹽。然后，教師提供電子天平，并進一步引導學生通過實驗的方法來確定鹽勺勺杯的大小。最后，學生在教師的指導下通過自主協(xié)作的方式用3D打印筆對鹽勺進行建模打印，并最終形成個性化的鹽勺作品。鹽勺可以帶回家里送給爸爸、媽媽，通過這種方式將控鹽的知識進行宣傳普及。通過該主題的學習，學生既學習了知識，又豐富了情感，有助于發(fā)展他們的多元智力。

四、課程實施成效

基于3D打印筆的小學創(chuàng)意課程實踐提高了學生的動手能力、想象力和協(xié)調(diào)溝通能力。參與學習的學生表現(xiàn)優(yōu)異，特別是在要求他們發(fā)揮想象力的環(huán)節(jié)上，學生能夠大膽地去嘗試各種新想法，并能通過動手將這些想法變成為實物，有效提升了他們的創(chuàng)新思維和創(chuàng)造能力。

為了進一步驗證新型教學法對學生想象力提高的效果，筆者對參加教學實驗的學生進行想象力測試。實驗對象為廣東省惠州市某小學五年級學生，實驗前對這些學生進行空間想象力測試，測試內(nèi)容詳見測試題庫（http://wenku.baidu.com/link?url=cjJDzxaUNqeOg1ueT544 a_yMZCxWCouhD43JqK8JYhaZ0fpM3XQapVubOkVb_zZH fUebBqTsyg0cpWCIto6CqJtV5CD4KISSBj65rt0IUwC）。選取40名測試成績較為接近的學生構成被試。將40名學生分成兩組，選取其中20人組成實驗組，標記為甲組，進行上述的小學創(chuàng)意課程學習；另外20人組成對照組，標記為乙組，進行通常的繪畫興趣課程學習。教學活動結束后再進行類似的空間想象力測試。測試的結果如表2所示。

表2 甲、乙組學生空間想象能力測試結果統(tǒng)計表

結果表明：甲組學生學習興趣得分平均值為91.23，乙組平均值為70.88，甲組平均得分高于乙組近21分。甲乙組進行t檢驗，結果顯示在空間想象能力方面甲乙組學生有十分顯著的差異（P=0.002＜0.01）?？梢姡瑢嶒灲M的學生空間想象能力得到了顯著提高。

五、結束語

合理運用3D打印筆能將小學教育中的數(shù)學、信息技術、科學、美術等學科課程內(nèi)容有機地結合起來，顯著地提升了學生的空間想象能力，豐富小學課堂的教學形式，充分發(fā)揮出3D打印技術的教育價值，有利于學生創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)。當然，現(xiàn)有的3D打印筆仍然存在缺點，如進料不順暢，容易堵噴頭，噴頭容易過熱引發(fā)燙傷事故等，需要教育工作者在使用時格外留意。此外，現(xiàn)有的小學創(chuàng)意課程內(nèi)容仍不夠豐富，今后需努力增加并完善教學內(nèi)容。

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1671-7503（2016）23-0050-03

莊豐源]