雷蔓 羅佐云 李永湘 馬秀勤

摘要：在“大眾創(chuàng)業(yè)、萬(wàn)眾創(chuàng)新”的大環(huán)境下，開(kāi)展中學(xué)生的創(chuàng)客教育能夠激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，三維建模技術(shù)、3D打印技術(shù)能夠把中學(xué)生的設(shè)想變?yōu)閷?shí)際模型，從而可以驗(yàn)證設(shè)想的可行性。團(tuán)隊(duì)把三維建模技術(shù)、3D打印技術(shù)融入中學(xué)創(chuàng)客教育，在分析了創(chuàng)客教育理念的基礎(chǔ)上，按照創(chuàng)客教育理念，以設(shè)計(jì)一個(gè)能降暑的作品作為案例，介紹了創(chuàng)客教育案例的開(kāi)發(fā)過(guò)程、3D打印步驟和裝配流程。該案例在七星關(guān)區(qū)鴨池中學(xué)實(shí)施過(guò)程中，學(xué)生積極性高，起到了培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)、鍛煉學(xué)生動(dòng)手能力、提升學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的效果，教學(xué)效果良好。

關(guān)鍵詞：創(chuàng)客教育;3D打印;案例;創(chuàng)新

1 引言

創(chuàng)客的英文為“Maker”，指制造者的含義，特指出于興趣與愛(ài)好，通過(guò)努力奮斗，能夠把各種想法創(chuàng)意轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的人，與DIY（Do It Yourself）有相似的含義。把創(chuàng)客與教育融合，就有了現(xiàn)在的創(chuàng)客教育，目的是通過(guò)實(shí)踐，做中學(xué)、學(xué)中做，提升學(xué)生的動(dòng)手能力，鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。

李克強(qiáng)總理提出，要在960萬(wàn)平方公里的土地上掀起“大眾創(chuàng)業(yè)”、“萬(wàn)眾創(chuàng)新”的新勢(shì)態(tài)，要健全創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)輔導(dǎo)指導(dǎo)制度，支持舉辦創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練營(yíng)、創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新大賽等活動(dòng)，培育創(chuàng)客文化，讓創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新蔚然成風(fēng)[1]。在此背景下，創(chuàng)客教育已經(jīng)在全國(guó)各地初高中開(kāi)展了起來(lái)。

在“貴州省青少年3D打印創(chuàng)意設(shè)計(jì)大賽”的推動(dòng)下，3D打印技術(shù)得到了貴州省中小學(xué)創(chuàng)客教育界的重要關(guān)注[1] ，目前貴州省很多中小學(xué)也都具有桌面型FDM 3D打印機(jī)。

在具備了3D打印機(jī)后，把3D打印技術(shù)引入中學(xué)創(chuàng)客教育，開(kāi)發(fā)基于3D打印機(jī)的創(chuàng)客教育案例，能夠使中學(xué)生很快掌握3D打印機(jī)的使用，拓展學(xué)生的創(chuàng)新思路，使學(xué)生很快把小制作小發(fā)明的想法變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

2 中學(xué)生3D打印創(chuàng)客教育案例開(kāi)發(fā)的理念

“SCS 創(chuàng)客教學(xué)法”由傅騫教授提出，分為七個(gè)步驟（圖 1），又稱為SCSCSCS 創(chuàng)客教學(xué)法，這七個(gè)步驟依次是情景故事引入S（story）、簡(jiǎn)單任務(wù)模仿C（copy）、知識(shí)要點(diǎn)講解S（state）、擴(kuò)展任務(wù)完成C（copy extended）、創(chuàng)新激發(fā)引導(dǎo)S（stimulate）、協(xié)同任務(wù)完成C（cooperation）、成功作品分享S（share）[2]。

SCS 創(chuàng)客教學(xué)法符合創(chuàng)新的思維過(guò)程，創(chuàng)新源于生活，故事引入就是創(chuàng)新點(diǎn)。引入故事，提出問(wèn)題，分析問(wèn)題。要解決問(wèn)題，首先要簡(jiǎn)單的模仿，通過(guò)講解分析協(xié)同創(chuàng)新得到解決問(wèn)題的較好方案，再協(xié)同完成任務(wù)，分享成果和為之奮斗的過(guò)程，得到幸福感與收獲感。

“做中學(xué)”也叫探究式教育（Inquiry based science education）是以學(xué)生為主，以學(xué)生為中心的教育理念。該教育理念吸取了美國(guó)Hands-OnInquiryLearning教育理論與法國(guó)的LaMainaLaPate教育理論，從生物、地理、物理化學(xué)、科技四大自然科學(xué)領(lǐng)域，培養(yǎng)學(xué)生的思維能力、觀察能力、解決問(wèn)題能力、創(chuàng)造能力、表達(dá)能力、合作能力和社會(huì)情緒控制能力，使孩子主動(dòng)學(xué)習(xí)，快樂(lè)學(xué)習(xí)，提高學(xué)習(xí)效率，提高考試成績(jī)。

杜威指出，由于人們最初的知識(shí)和最牢固地保持的知識(shí)，是關(guān)于怎樣做（how to do）的知識(shí)。因此，教學(xué)過(guò)程應(yīng)該就是“做”的過(guò)程。“從做中學(xué)”也就是“從活動(dòng)中學(xué)”、從經(jīng)驗(yàn)中學(xué)，學(xué)生只有在活動(dòng)中得到的經(jīng)驗(yàn)才算是真正的知識(shí)[3]。

“經(jīng)驗(yàn)之塔”理論由美國(guó)視聽(tīng)教育家戴爾在其著作《視聽(tīng)教學(xué)法》中提出（圖 2）。他認(rèn)為，學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程要從具體到抽象，學(xué)習(xí)之路應(yīng)該充滿具體經(jīng)驗(yàn)[4]。

經(jīng)驗(yàn)之塔依次是做的經(jīng)驗(yàn)、觀察的經(jīng)驗(yàn)、抽象的經(jīng)驗(yàn)。

做的經(jīng)驗(yàn)有直接有目的的經(jīng)驗(yàn)、設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)、演戲的經(jīng)驗(yàn)。通過(guò)我們自己的眼睛看、耳朵聽(tīng)、身體觸、嘴巴嘗和鼻子嗅得到的經(jīng)驗(yàn)為直接有目的的經(jīng)驗(yàn)，直接有目的的經(jīng)驗(yàn)學(xué)到的知識(shí)最牢固;設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)與創(chuàng)客的經(jīng)驗(yàn)是一致的，通過(guò)自己設(shè)計(jì)、自己做的模型得到的知識(shí)也不易忘記;演戲的經(jīng)驗(yàn)相當(dāng)于是角色扮演，深入其境、沉浸于其中，得到的知識(shí)也難以忘記。

觀察的經(jīng)驗(yàn)包括觀摩示范、見(jiàn)習(xí)旅行、參觀展覽、電視、電影、廣播錄音照片幻燈片。觀摩示范即邊看邊學(xué)，通過(guò)看別人的演示示范，記下步驟后，自己再練習(xí)。觀察的經(jīng)驗(yàn)學(xué)到的知識(shí)沒(méi)有做的經(jīng)驗(yàn)學(xué)到的知識(shí)牢固，但是觀察的經(jīng)驗(yàn)學(xué)知識(shí)所用的時(shí)間少，利用好了能夠大幅度的提高學(xué)習(xí)的效率。

可以用看出，上述教育理念都強(qiáng)調(diào)了 “邊做邊學(xué)”、“ 邊學(xué)邊做”的重要性。基于3D打印機(jī)，開(kāi)發(fā)中學(xué)創(chuàng)客教育案例，讓學(xué)生自己動(dòng)腦動(dòng)手完成模型的設(shè)計(jì)制作，符合上述教育理念的要求，下面以一個(gè)任務(wù)為例，介紹案例的開(kāi)發(fā)過(guò)程。

3案例開(kāi)發(fā)及三維建模

3.1 任務(wù)提出

創(chuàng)新任務(wù)的提出不需要太具體，比如針對(duì)目前天氣炎熱這個(gè)問(wèn)題，不能提出“讓同學(xué)們?cè)O(shè)計(jì)制作一個(gè)扇子”、 “讓同學(xué)們?cè)O(shè)計(jì)制作一個(gè)電風(fēng)扇”等這樣的任務(wù)，這樣會(huì)限制學(xué)生創(chuàng)新思維，可以提出“請(qǐng)同學(xué)們自己設(shè)計(jì)制作一個(gè)能夠降暑的作品”這樣的任務(wù)。

3.2 方案的確定及三維建模

作品的設(shè)計(jì)制作可以根據(jù)不能動(dòng)、手動(dòng)控制、電動(dòng)控制、自動(dòng)控制來(lái)劃分其難易程度。一個(gè)方案的確定可能要經(jīng)過(guò)幾天或者較長(zhǎng)時(shí)間的思考、可以通過(guò)團(tuán)隊(duì)頭腦風(fēng)暴確定。方案來(lái)源于生活、高于生活，最后方案的樣子可能不是最初設(shè)想的樣子，設(shè)計(jì)過(guò)程是一個(gè)不斷更新、不斷調(diào)整的過(guò)程。

在“設(shè)計(jì)制作一個(gè)能夠降暑的作品”的任務(wù)中，老師可以給出一種方案，不是參考，不是最好，目的是講述其設(shè)計(jì)與制作過(guò)程和相關(guān)的技術(shù)。

降暑的原理有很多，風(fēng)、水、冰都可以，每種原理可以設(shè)計(jì)出很多作品，方案的表達(dá)先確定原理，再畫出草圖，使用建模軟件畫出其模型。適合中學(xué)生使用的建模軟件很多，比如3done，其操作簡(jiǎn)單方便。經(jīng)過(guò)思考與討論，給出了一個(gè)能夠降暑的作品，其模型如圖 2所示，該作品通過(guò)一個(gè)大齒輪帶動(dòng)小齒輪旋轉(zhuǎn)，這樣小齒輪能夠得到比較高的轉(zhuǎn)速，帶動(dòng)葉片旋轉(zhuǎn)吹風(fēng)。

4 作品的3D打印及安裝

3D打印技術(shù)又稱為增材制造技術(shù)，3D打印機(jī)采用的原理很多，按照原理的不同，常用的3D打印機(jī)可以分為：（1）熔融沉積成型打印機(jī)（FDM），其主要材料為ABS和PLA;（2）光固化成型（SLA）3D打印機(jī)，其使用的材料主要是光敏樹(shù)脂;（3）三維粉末粘接（3DP）3D打印機(jī)，其主要材料為粉末材料，如陶瓷粉末、金屬粉末、塑料粉末等;（4）選擇性激光燒結(jié)（SLS）3D打印機(jī)、其主要材料也是粉末材料。

最常用且成本最低的是采用FDM（Fused Deposition Modeling）原理的3D打印機(jī)（圖 4），材料為絲狀，在噴頭里面加熱融化被擠出，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制噴頭沿切片層的X-Y輪廓運(yùn)動(dòng)得到一層實(shí)體，然后Z軸（打印平臺(tái)）下移一層的厚度，按照同樣的原理打印下一層，這樣材料能夠噴出來(lái)一層一層的堆疊形成三維模型。

該作品需要打印的零件有大齒輪、小齒輪、機(jī)架、葉片、蓋帽和轉(zhuǎn)動(dòng)手柄，因?yàn)榱慵?，一次不能全部打印完成，需要分批打印，由于軸承可以購(gòu)買，所以不需要3D打印。

3D打印過(guò)程中，零件的擺放位置很重要，為了減少支撐，很多打印面需要45°擺放，總體要求是支撐少且方便去除支撐材料，該作品各個(gè)零件打印時(shí)的擺放如圖 5所示。

3D打印的流程為：建?！至慵?dǎo)出STL模型文件→導(dǎo)入3D打印機(jī)控制軟件→調(diào)整零件打印放置位置→切片→3D打印→取出零件并去除支撐→打磨裝配，裝配后的作品如圖 6所示。

5 總結(jié)

將三維建模技術(shù)、3D打印技術(shù)融入中學(xué)創(chuàng)客教育，有助于提升創(chuàng)客教育的科技水平與課程的吸引力。該方法能夠很快把學(xué)生的想法變?yōu)槟Ｐ驮僮優(yōu)閷?shí)物，能夠鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新思維、動(dòng)手能力、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。

該案例在七星關(guān)區(qū)鴨池中學(xué)的實(shí)施過(guò)程中，學(xué)生的積極性很高，很多學(xué)生也在此作品的基礎(chǔ)上提出了很多可行的改進(jìn)意見(jiàn)，證明了學(xué)生確實(shí)在思考。創(chuàng)新的源泉來(lái)自生活，創(chuàng)新的成果改變生活，該案例的實(shí)施啟發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新思維，得到了很好的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]曾玉如，伍權(quán)，羅國(guó)宇，等.基于創(chuàng)客教育的中學(xué)3D打印課程教學(xué)實(shí)踐研究[J].教育觀察，2019（37）：29-31.

[2]徐海賢.SCS 創(chuàng)客教學(xué)法在高中信息技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用—以3DS MAX三維動(dòng)畫設(shè)計(jì)入門課為例[J].教育信息技術(shù)，2018（6）：59-62.

[3]鄭賢.基于STEAM 的小學(xué) 3D 打印課程設(shè)計(jì)與教學(xué)實(shí)踐研究[J].中國(guó)電化教育，2016（08）：82-86.

[4]許玄玄.中小學(xué)3D打印課程設(shè)計(jì)與實(shí)踐研究[J].中國(guó)教育信息化，2019（08）：21-24.