北方工業(yè)大學胡福文：3D打印創(chuàng)新教育的關鍵是內(nèi)容創(chuàng)新

南極熊備注：本文是由北方工業(yè)大學 副教授 碩士研究生導師 胡福文 投稿，深刻思考了3D打印的創(chuàng)新教育，值得讀者細細閱讀。


3D打印作為一種數(shù)字化的直接制造技術，破除了傳統(tǒng)物質(zhì)條件、制造條件和設計空間對人們創(chuàng)造獲得約束，讓“創(chuàng)物、創(chuàng)材、創(chuàng)意”變得無限制、無邊界。學習和掌握3D打印技術，對于激發(fā)學生的創(chuàng)新創(chuàng)造潛力，提高學生的創(chuàng)新創(chuàng)造能力，營造全新的學習體驗，均具有重要意義。以內(nèi)容創(chuàng)新為核心，依托創(chuàng)客空間、創(chuàng)新工坊、STEAM課程、創(chuàng)新創(chuàng)意競賽等多形態(tài)平臺，開發(fā)并構建知識驅(qū)動型、動手實踐型、創(chuàng)新驅(qū)動型和綜合創(chuàng)造型3D打印創(chuàng)新教育課程矩陣，是推進3D打印創(chuàng)新教育內(nèi)涵發(fā)展的有效途徑。

3D打印被譽為一項改變世界的顛覆性技術，正在快速應用到人們生活和生產(chǎn)的各個領域。作為一種數(shù)字化的直接制造技術，3D打印最大程度解除了 “減材”加工、“等材”加工等傳統(tǒng)制造條件對人們創(chuàng)新創(chuàng)造能力的束縛，大大降低了創(chuàng)新創(chuàng)造的門檻，從而成為驅(qū)動創(chuàng)新大眾化的重要技術平臺。學習和掌握3D打印技術，對于激發(fā)學生的創(chuàng)新創(chuàng)造潛力，提高學生的創(chuàng)新創(chuàng)造能力，營造全新的學習體驗，均具有重要意義。美國、英國及我國的政府、學校及相關企業(yè)在推動3D打印技術“進校園、進課堂、進實驗室”從資金、政策及技術方面提供了有力支撐，從而對推動3D打印創(chuàng)新教育的發(fā)展奠定了良好基礎。然而正如很多先進技術的發(fā)展應用一樣，3D打印在從“技術優(yōu)勢或工具優(yōu)勢”向“內(nèi)容優(yōu)勢或創(chuàng)新優(yōu)勢”的發(fā)展進化過程中卻不如預期的那樣理想。原因自然是多方面的，但最大的瓶頸在于缺乏內(nèi)容創(chuàng)新。本文擬從內(nèi)容創(chuàng)新的角度，探討推進3D打印創(chuàng)新內(nèi)涵發(fā)展的相關策略。

一、3D打印的技術優(yōu)勢
3D打印技術之所以被譽為改變世界的顛覆性技術，是和其與生俱來的“數(shù)字化、直接化、自由化”制造優(yōu)勢密切相關。與傳統(tǒng)的“減材”切削制造、“等材”成形制造等技術相比，3D打印技術具有“所想即所得”、“設計即制造”的技術優(yōu)勢。

（1）生長性制造原理驅(qū)動3D打印破除了傳統(tǒng)制造條件的約束，讓“造物”無邊界。
傳統(tǒng)的“減材”切削制造（車削、銑削、刨削等）和“等材”成形制造（鑄造、沖壓、拉深、焊接等），操作實施過程和物體結構的復雜程度嚴格相關，物件結構越復雜，實施過程也越復雜，對操作人員的技術要求也越高，制造成本也越高。傳統(tǒng)制造工藝受限于刀具、模具形狀，無法制造出復雜曲面、異形深孔結構、封閉鏤空結構、微孔晶陣結構等。但是對于3D打印或增材制造來說，其打印一個簡單圓柱體，和打印一個體積相同的鏤空花瓶，所消耗的材料、時間等成本相差無幾，對操作人員的技術要求也沒有差別，即3D打印的復雜性邊際成本幾乎為零，如圖1所示。3D打印的這種數(shù)字化直接制造、自由制造的優(yōu)勢，3D打印破除了傳統(tǒng)制造條件對人們創(chuàng)造活動的約束，在制作復雜的、個性化的物件方面具有明顯的比較優(yōu)勢，越來越多的傳統(tǒng)加工手段無法實現(xiàn)的物體通過3D打印技術制造出來。

圖1 3D打印和傳統(tǒng)制造的對比

（2）數(shù)字化材料復合原理驅(qū)動3D打印破除了傳統(tǒng)物質(zhì)條件的約束，讓“創(chuàng)材”無邊界。
傳統(tǒng)的“減材”切削制造（切削、銑削等）加工過程中，往往會產(chǎn)生大量的切屑，有些航空航天結構件材料的切削去除率甚至高達95%，這無疑是原材料的巨大浪費。比較來說，3D打印幾乎能將98%以上的原材料轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品，因此3D打印屬于節(jié)約材料的加工技術。此外，3D打印技術也可以實現(xiàn)多種材料的任意復合或組合，從而制造出具有獨特屬性和功能的全新材料，例如，負膨脹超材料、負泊松比超材料、電磁學超材料等人工超材料，多尺度復合材料、多材料功能材料等。在生物醫(yī)學領域3D打印更是開辟前所有未有的“創(chuàng)材”空間，越來越多的具有生物活性、生物相容性、生理功能性或生物熱力學特性的“新材料”通過3D打印技術被創(chuàng)造出來，從而驅(qū)動3D打印從“創(chuàng)材”邁向“創(chuàng)生”。

圖2 3D打印的創(chuàng)材空間

（3）自由化建造模型原理驅(qū)動3D打印破除了傳統(tǒng)設計空間的約束，讓“創(chuàng)意”無邊界。
3D打印可以將任意形狀的三維數(shù)字模型加工成實物，其三維數(shù)據(jù)源首先來自設計師的三維數(shù)字化設計，其次可以通過三維掃描儀逆向?qū)嵨锝�模獲取，還可以通過數(shù)學建模軟件、大數(shù)據(jù)以及虛擬現(xiàn)實交互生成超出人類正常思維空間的“超模型”，總之3D打印破除了傳統(tǒng)設計空間的約束，讓“創(chuàng)意”無邊界，讓普通人、跨專業(yè)人員和專業(yè)人員一樣均能開展創(chuàng)意設計活動。其次，基于3D打印的技術優(yōu)勢，人們廣泛參與設計的過程中孕育了很多新穎的設計理念和設計理論，比如少/免裝配設計、基于現(xiàn)有實物擴展的增強設計、基于數(shù)學模型/大數(shù)據(jù)/虛擬現(xiàn)實驅(qū)動的超模型設計、基于微晶結構的多尺度設計、基于材料復合的功能集成設計等等。圖3是基于現(xiàn)有實物擴展的增強創(chuàng)新設計的案例，其中（a）是給膠槍擴展設計了一個支腿，（b）是在現(xiàn)有魔方的表面貼上3D打印的形狀，從而讓魔方可以“盲玩”，（c）是給咖啡杯設計的一個杯套，（d）是意大利設計師libero rutilo利用廢塑料瓶增強設計的3D打印創(chuàng)意花瓶，這些設計通過3D打印不僅易于實現(xiàn)，無疑會給人們的生活帶來了便利、樂趣、綠色、溫暖和個性化。
經(jīng)過30多年的發(fā)展，截止到目前，根據(jù)不同的材料復合原理，已有分層實體制造（LOM）、光固化快速成型（SLA）、熔融沉積成型（FDM）、選擇性激光燒結技術(SLS) 等十多種3D打印技術方法被發(fā)明出來，構成了百花齊放的3D 打印技術體系。3D打印進一步和醫(yī)學、服裝、建筑、家電、工業(yè)制造、工業(yè)設計、食物加工等行業(yè)的特殊需求相結合，讓“創(chuàng)物、創(chuàng)材、創(chuàng)意”的邊界無限擴展，日益爆發(fā)出人類歷史上前所未有的創(chuàng)新創(chuàng)造力量。

圖3 基于已有實物的3D打印增強設計

二、3D打印創(chuàng)新教育的實施樣態(tài)
充分挖掘和發(fā)揮3D打印“所想即所得”的數(shù)字化直接制造優(yōu)勢，融合做中學、創(chuàng)客教育、STEAM教育（Science， Technology，Engineering，Art &Mathematics，簡稱STEAM）、成果導向教育（Outcome Based Education，簡稱OBE）等教育理念，通過科技實踐課、課外興趣班、社團活動、創(chuàng)客實驗室、科技競賽活動等多途徑，推進3D打印進校園、進課堂，讓學生學習和掌握3D打印技術，對于激發(fā)學生的創(chuàng)新創(chuàng)造潛力，營造全新的學習體驗，提高學生的創(chuàng)新創(chuàng)造能力，具有重要意義。

（1）基于“做中學”的理念，開發(fā)基于知識驅(qū)動的3D打印創(chuàng)新課程。
“做中學”的提出者、美國著名教育家約翰˙杜威明確提出“從做中學比從聽中學是更好的學習方法”。我國著名教育家陶行知主張“教學做合一”，“教學做是一件事，不是三件事。我們要在做上教，在做上學”。相對于以教師為中心、“聽中學”、“學以致考”的演繹式教學模式，“做中學”模式則屬于歸納法教學模式等�！白鲋袑W”以學生為中心，學生由學習過程的被動接受者轉(zhuǎn)變?yōu)榉e極參與者，成為學習的主角；教師則起著引導和幫助學生發(fā)揮潛能進行主動學習和有效學習的作用，也比傳統(tǒng)的演繹式教學擔負更多的責任、需要更多的投入。

基于“做中學”的理念，將3D打印技術作為輔助教學平臺，挖掘語文、數(shù)學、生物、藝術、物理、化學等學科課程的學習重點和難點，構建可視化、可觸摸、可拆解的3D模型，輔助主干課程學習。如圖4所示，在小學語文《趙州橋》的教學中，大部分小學生就只能通過圖片或視頻來了解趙州橋的結構，而利用3D 打印技術打印出趙州橋的模型，學生就可以很直觀地觀察、欣賞趙州橋的整體及各個部分的構成。在生物課上，學習人體骨骼結構時，可以將復雜的脊椎等人體結構打印出來，從而將復雜的、難以觸摸到、難以見到真實面目的人體骨骼或內(nèi)臟器官變得可視化、可觸摸、可拆解。在數(shù)學課上，打印出一個幾何體的模型，便可以更直觀地幫助學生了解幾何內(nèi)部各元素之間的聯(lián)系，解析幾何的學習將更輕松。3D打印可以讓知識可視化、可觸摸，讓分散的知識集成起來形成有意義、有意思的學習環(huán)境，可以快速縮小“抽象”和“具體”、“理論和實踐”之間的差距，有利于構建全新的學習體驗，輔助主干課程學習。

圖4 應用3D打印輔助構建全新的教學環(huán)境

（2）基于STEAM教育理念，開發(fā)基于創(chuàng)造學習的創(chuàng)新實踐課程。
STEAM是五個單詞的縮寫：Science（科學）, Technology（技術）, Engineering（工程）, Arts（藝術）, Math（數(shù)學）。STEAM是美國政府提出的教育倡議，即加強美國K12關于科學、技術、工程、藝術以及數(shù)學的教育。STEAM教育理念的本質(zhì)是讓學生們自己動手完成他們感興趣的、并且和他們生活相關的項目，從過程中學習各種學科以及跨學科的知識。

圖5 STEAM學習案例

圖5是STEAM學習案例，(a)-(f)分別是機械式計算機、中國古代指南車、風能-重力勢能轉(zhuǎn)化裝置、磁懸浮裝置、韋氏靜電發(fā)電機、超材料結構扳手。以類似的STEAM學習案例作為牽引，引導學生用3D打印機制作并裝配起來，無疑會使整個教學過程充滿了趣味性、吸引力和創(chuàng)造性，有利于學科間知識的整合，開展綜合性學習活動，發(fā)展學習者的跨學科思維，實現(xiàn)學科知識的綜合運用，全方位的培養(yǎng)學生知識綜合應用能力、動手能力、三維數(shù)字建模能力和創(chuàng)新創(chuàng)造能力。

（3）基于創(chuàng)客文化，建立基于動手實踐的創(chuàng)客實驗室。
創(chuàng)客是互聯(lián)網(wǎng)向制造業(yè)深化、互聯(lián)網(wǎng)向傳統(tǒng)教育模式滲透、數(shù)字化直接制造技術發(fā)展、開源軟硬件平臺興起等綜合效應的產(chǎn)物，是傳統(tǒng) “DIYer”的升級版。創(chuàng)客文化是從創(chuàng)客活動的群體所共同認同、共同遵守的基本理念和準則，其基本內(nèi)涵包括：鼓勵技術的創(chuàng)新應用和傳統(tǒng)劃分下不同領域技術的交叉創(chuàng)新；特別強調(diào)“做中學（Learning Through Doing）”，鼓勵做的過程中大膽試錯和嘗試創(chuàng)新，而不是按部就班、墨守成規(guī)；認同網(wǎng)絡社區(qū)學習交流（線上）和面對面（線下）同伴學習分享的重要作用。創(chuàng)客文化應當說是成長于“正規(guī)學習系統(tǒng)”的高墻之外，它不僅僅是涉及到具體對象的創(chuàng)新創(chuàng)造，也涉及到基于此而構建的社會化學習和分享的文化。

基于創(chuàng)客文化建立創(chuàng)客實驗室需要的支撐平臺包括活動場所、制造平臺、開源技術平臺、創(chuàng)意交流平臺等。制造平臺指的是相對完備的自制造環(huán)境，一般應包括鉗工臺、鉆銑床、激光切割機、小型數(shù)控中心、3D打印機等基本制造設備，從而可以確保學生自主化的快速實現(xiàn)創(chuàng)新創(chuàng)造。技術平臺包括各類開源的、低成本的軟硬件平臺，一般配置Arduino、Raspberry Pi、Intel Edison等控制器，還要有機械電子元器件、型材結構件、各類傳感器等基礎材料。創(chuàng)意平臺包括創(chuàng)意交流會、經(jīng)驗分享會、項目交流會等經(jīng)常性的創(chuàng)意活動以及熏陶出來的創(chuàng)意氛圍。圖6是網(wǎng)絡社區(qū)上的一些開源創(chuàng)客項目，(a)-(f)分別是仿人機器人、多足機器人、機械臂、四旋翼、兩輪平衡車、智能小車。

圖6 創(chuàng)客開源項目案例

（4）基于競賽活動，培育基于競賽牽引的創(chuàng)新實踐社團。
學科競賽或科技創(chuàng)新競賽活動從參與范圍來說可分為校級、省部級、國家級和國際級競賽，從競賽命題形式上來說分為命題式任務積分賽、主題對抗賽、無主題式創(chuàng)新賽、交流式友好賽等多種類型�；�于競賽活動牽引，以賽促學、以賽促創(chuàng)，全面提高學生的綜合能力，為優(yōu)秀人才脫穎而出創(chuàng)造條件是教育屆的共識。通過組織學生參加3D作品創(chuàng)新設計大賽、3D打印創(chuàng)新設計親子馬拉松等競賽實踐活動，開展具有競爭環(huán)節(jié)、親子環(huán)節(jié)和團隊精神的科技實踐競賽活動，實現(xiàn)創(chuàng)新能力、團隊精神、表達能力、溝通能力等能力的全方位訓練和培訓，促進學生的全面發(fā)展。

三、3D打印創(chuàng)新教育的發(fā)展趨勢
從全世界范圍來看，發(fā)達國家的3D打印技術早已進入教育領域。如美國幾乎所有的大學、中學、小學都開設了3D打印創(chuàng)客課堂，通過3D打印技術的學習，對青少年進行創(chuàng)新意識、技術手段的培養(yǎng)，讓3D打印成為促進“美國智造”的有力手段。2012 年，英國教育部將 3D 打印列入中小學國家課程表，并向 21 所國立中學的STEM和設計課程提供資金資源。2013 年 10月起，英國的上千名中小學教師將接受 3D 打印相關的教學培訓課程，為學生們能夠獲得這一在工程領域中的新的實用技術做教學準備。2014年韓國政府宣布成立3D打印工業(yè)發(fā)展委員會，該委員會擬針對各個層次的民眾制訂相應的3D打印培訓課程，包括從小學到成人。他們將在全國范圍內(nèi)提供3D打印教育資源，包括課程開發(fā)，以及為貧困人口提供相應的數(shù)字化基礎設施。2016年在印度，由世界知名的3D打印機制造商MakerBot公司和Veltech大學合作，在當?shù)卣�府的幫助下，將�?00名教師提供各種3D打印相關流程的實踐培訓，包括CAD軟件培訓，3D建模、打印機操作，以及有關如何將3D打印技術更好地整合到課堂以優(yōu)化STEAM教育的指導。

中國政府近兩年開始大力推動3D打印教育的普及，教育部于2015年發(fā)布關于"十三五"期間全面深入推進教育信息化工作的指導意見，其中提到了未來五年對教育信息化的規(guī)劃，鼓勵探索3D打印融入STEAM教育等新教育模式。但是總體看，質(zhì)量不高、流于形式，很多中小學限于教育評價、升學考核、師資力量和經(jīng)費投入等原因，并沒有將3D打印創(chuàng)新教育持續(xù)性的開展下去。

突出的問題主要包括：
①課程內(nèi)容開發(fā)總體質(zhì)量不高。大部分停留在對3D打印原理認知層面，停留在對3D打印模型的興趣體驗階段，缺乏創(chuàng)新型、創(chuàng)造型驅(qū)動課程。
②課程內(nèi)容開發(fā)和主干課程學習關聯(lián)性不高。大部分課程將3D打印視為課外科技實踐課，沒有注意將課程內(nèi)容開發(fā)和數(shù)學、語文、生物等主干課程學習有機融合起來，缺乏知識驅(qū)動型課程。
③課程內(nèi)容開發(fā)的積極性不高。高質(zhì)量課程內(nèi)容開發(fā)需要投入龐大的人力、財力，很多學校限于師資力量和經(jīng)費，缺乏內(nèi)容開發(fā)的積極性。

為了更加深入推進3D打印創(chuàng)新教育的普及化、規(guī)范化，需要堅持問題導向和產(chǎn)學研一體協(xié)同，以共建共享為基礎，重點開展以下工作：

①以內(nèi)容創(chuàng)新為核心，依托創(chuàng)客空間、創(chuàng)新工坊、STEAM課程、創(chuàng)新創(chuàng)意競賽等多形態(tài)平臺，加大投入開發(fā)高水平的知識驅(qū)動型、動手實踐型、創(chuàng)新驅(qū)動型等多層次的3D打印課程，增強課程內(nèi)容的魅力和吸引力，增強課程的價值內(nèi)涵。
②以共建共享為基礎，區(qū)域參與、校企協(xié)同，逐步構建以3D打印技術為核心的創(chuàng)新創(chuàng)造平臺體系，包括學期創(chuàng)意馬拉松、3D打印創(chuàng)新創(chuàng)造競賽、線上創(chuàng)新創(chuàng)造分享平臺、線下創(chuàng)新創(chuàng)造分享平臺等。

四、結束語
3D打印作為一種個性化、數(shù)字化的直接制造技術，既是創(chuàng)新教育不可或缺的技術平臺，也是教育創(chuàng)新提質(zhì)增效的技術手段。作為教育教學供給側改革的重要抓手，政府、學校和企業(yè)合力推進3D打印進課堂、進校園，推進以學生創(chuàng)新能力培育為核心的內(nèi)容建設和內(nèi)涵創(chuàng)新顯得尤為重要。創(chuàng)客教育、STEAM教育、成果導向教育等先進人才培養(yǎng)理念，需要在全社會教育理念開放進化的基礎上，充分尊重學生發(fā)展成才的多元化需求，以3D打印等新興技術作為技術條件作為支撐，以具有吸引力和創(chuàng)新性的內(nèi)容作為引領，才會落地生根、開花結果，惠及學生的全面發(fā)展成才。

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刊載于：《中國教育信息化》2017年 第18期 總第405期
作者簡介：
胡福文（北方工業(yè)大學 機械與材料工程學院），1980年生，男，工學博士，副教授，碩士研究生導師，研究方向：3D打印及智能機器人技術、高等工程創(chuàng)新教育。
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