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                      3D打印進學校課堂,看上去很美

                      2016-06-23 15:07
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                      看著眼前剛剛修好的3D打印機和一片狼藉的工作臺,我說,3D打印進中小學課堂看上起很美,其實未必。不是嗎?

                      觀點之一:3D打印進入中小學課堂的意義

                      2015年8月21日下午,國務院第一會議室變成了一間臨時講座場所。主講者是一位70歲的白發院士,而“聽眾”則是國務院總理、副總理、國務委員,以及各部部長、央企、金融機構的負責人。這位主講人是中國工程院院士、“高檔數控機床與基礎制造裝備”重大專項技術總師、西安交通大學機械工程學院院長盧秉恒,題目是“先進制造與3D打印”。

                      總理對3D打印的重視,是關注其在我國制造業轉型中的重大意義。因為3D打印技術目前受到了媒體和大眾的熱烈追捧,被認為最近20年世界制造技術領域的一次重大突破,將與其他數字化生產模式一起推動新的工業革命。但在教育領域,3D打印同樣有著重要價值。教育技術圈中人人皆知的《地平線報告》,已經連續幾年關注3D打印技術了。

                      如果要分析3D打印的教育價值,我們可以從教師和學生兩個角度去觀察:

                      其一、教師角度。

                      3D打印技術降低了制作作品的難度,教師借助3D打印技術,開發實物模型(教具)能夠讓學生更加真實地感知事物。比如在數學課上,3D打印能夠幫助學生看到更為立體化的圖形和數學模型,快速幫助學生建立三維空間想象性思維;在地理課上,3D打印能夠幫助學生更好地理解地質構造的規模;在歷史課上古文物的復制品能夠使學生獲得更多做中學的體驗。

                      其二、學生角度。

                      學生利用3D打印技術,可以在實驗室內親歷從想象到圖紙再到實物的全過程。的確,3D打印對于藝術表現形式與科學概念的表達是一種新穎并且非??春玫姆绞?,特別有助于科技與藝術相結合的學習,即STEAM。只有將圖紙上的個性化創意作品真正“造”出來,創造性探究學習才得以“落地”,而不是停留在畫畫草圖、紙上談兵的階段。

                      觀點之二:3D打印是校園創客空間必備的工具

                      和3D打印一樣,“創客空間”也受到地平線報告的關注,2014年和2015年的地平線報告(基礎教育版)中,“創客空間”入選未來5年內影響基礎教育12項關鍵技術名單,是促進基礎教育學習變革的數字策略之一?!皠摽汀保╩aker/hacker)起源于美國,麻省理工學院發起了一間個人制造實驗室(Fab Lab),為創新提供平臺,使得發明創造不再受地點(如具有昂貴設備的實驗室)和人群(如專業科研人員)的限制,它的發展掀起了個人設計和制造的浪潮,創客由此涌現。

                      幾乎所有的校園創客空間建設方案中,3D打印機都是必選的工具。因為創客關注“造物”,沒有比3D打印機更便于“造物”了。自從“RepRap”3D打印機項目開源后,一些動手能力較好的老師,都開始自己設計、制作3D打印機了,如山東淄博的于方軍老師團隊,他們不僅自己做普通的3D打印機,還折騰出國內首創的陶泥打印機來。

                      問題之一:3D打印廠商,你準備好了嗎?

                      3D打印要進入中小學課堂,肯定需要3D打印機廠商的支持。短短幾年,3D打印機從數萬元一下子降到數千元。一些精度不高的DIY打印機套件,價格甚至降到1500元左右,簡直是白菜價了。從去年開始,北京、杭州、濟南等地的教育局先后推出“3D打印進校園”的計劃,政府采購了一大批打印機,然后分發到各個學校。

                      但對于“3D打印進校園”,3D打印廠商真的準備好了嗎?我看未必,機器價格是僅僅是一方面,要在校園扎根,還需要做很多工作。不可否認,當前的3D打印機還存在很多硬傷:

                      1)打印作品的速度慢。

                      行內人都知道,3D打印機打印速度很慢,一個20*20*20的模型,如果要稍微打印精細些,一般需要50-70小時打印。你沒有看錯,是50小時,你要開著打印機沒日沒夜地等著。哪怕再小巧一點的模型,從開始加熱到模型打印完畢,總得要半個小時左右吧。這對追求當堂打印作品的老師來說是不可承受的。他們總希望3D打印應該要向激光打印一樣,幾分鐘就能完成。

                      我們常??吹?,一些不熟悉技術的老師,一開始因為好奇而紛紛來圍觀3D打印機??吹酱蛴∷俣嚷拖訔?,看到快速打印出來的成品質量不高又失望。等體驗了一次完整的打印過程后,又為打印一個作品居然要調這么多參數而表示不可理解。

                      2)機器維修困難。

                      早期玩桌面級3D打印機的都是創客,他們動手能力好,買些散件自己就能折騰出一臺打印機來。對創客們來說,往往還會改造打印機結構,零部件壞了自己做一個。我校的打印機噴頭處的亞克力板壞了,學生都能自己用激光切割機切一塊補上去。但是,一旦3D打印大面積普及就不同了,總不能要求每所學校都有一位非常精通機械和電子,動手能力超強的老師?有些設計不好的機器,一旦壞了還要整臺快遞回廠家維修,很不方便。

                      我曾經和上海一家3D打印的廠商聊起打印機維修的問題。他們自豪地表示,他們的打印機在噴頭方面做了獨特的設計,一旦堵頭,卸掉幾個螺絲,更換一個即可。但是一問價格就失望了,一個用來更換的噴頭價格得數千,畢竟不是普通學校能夠承受的。

                      3)很多模型無法打印。

                      我學校開設了3D打印課程,學生也設計了好多有趣的模型,比如學校里的亭臺樓閣,很漂亮。既然設計了,總要打印出來吧。一打印就發現問題來了。很多模型有懸空或者突起的部件,沒有加一些特殊的支撐,根本無法打印。要把這些稀奇古怪的模型打印出來,師生都要對打印機本身非常熟悉,了解其工作原理和各種參數。

                      問題之二:要開設怎樣的3D打印課程

                      打印機買來了,接下來做什么?根據前面的分析,打印機要么教師用要么學生用。讓學科教師學會設計3D模型,然后打印出各種各樣的教具用于教學,這幾乎是不可能的任務。除非3D設計要如PowerPoin一樣,成為教師的必修技能。要知道,3D設計比做做PPT來說,難度不知道要高出多少個等級。所以,3D打印目前只能用于學生方面,開設相關課程,讓學生學習3D設計,并且能夠打印出作品。

                      3D打印機剛剛流行的時候,國內就有好幾所敢于吃螃蟹的學校開設了3D打印課程。這些課程也是良萎不齊,問題多多。比如有學校是讓學生上網找現成的3D模型,然后打印出來玩,美其名曰體驗3D打印。也有學校老師購買了3D打印機散件,從裝搭開始到最后的打印,親歷整個過程。

                      不可否認,這些課程都有一定的教育價值,有問題也是正常的,所謂“初生之物其形必丑”。但是僅僅打印現成模型,這當然不能凸顯3D打印的教育價值。自行裝搭3D打印機的課程,是不可復制并且普及的課程。試想一下,一輪課程結束后,學生搭出了十來臺打印機。那下次拆了再來一次還是繼續搭出新的打印機?可見,最終要將目光放在3D設計方面才對。據說在新一輪的高中技術課程標準修訂中,3D設計是其中一個課程模塊,這是非常令人期待的事情。

                      3D設計的軟件選擇哪一款?這也是重點。我曾經把常見的3D設計軟件都試用了一次,比如UG、Solidworks、Rhino(犀牛)等,最后還是選擇了Sketchup。理由很簡單,Sketchup是開源軟件,安裝包也最小,對電腦系統的要求也最小。既然是普及教育,總不能選擇只有貴族學校才能使用的軟件吧?,F在國內已經有老師編寫了基于Sketchup的教材,如常州天寧區管雪沨老師的團隊。除此之外,中學生也可以嘗試用OpenScad軟件來研究3D建模。OpenScad也是開源軟件,我校的3D打印課程《數學視野下的3D打印》就是基于OpenScad開發。

                      其實3D設計跟STEM領域結合才是最有生命力的。和數學的結合,是大家最容易理解也最關注的。有專家分析數學和3D打印結合會經過以下幾個步驟:(1)教學中,學習者可以看見具體的實物,現實中從三維的角度去觀察物體,在概念的學習中能讓學習者有一個真實的、三維的認識。體現了數學是來自于生活的理念。(2)歸納總結規律的過程。這一過程,是學習者將生活中的問題歸納為數學問題的過程,借助3D模型,學生可以重新探索知識發生的過程,讓缺少空間想象力的學習者有一個真實的認知過程。(3)總結規律,嘗試制作。學習者在學會知識后,利用所學知識,可以制作一個3D模型,通過打印檢驗所學的知識是否正確。(4)創新過程。學會知識,就有了創新的條件,學習者可以利用所學知識進行創新,并通過3D打印的方式進行檢驗,并在創新的過程中讓知識得到升華。

                      結語:高科技普及是實現經濟繁榮的前提

                      諾貝爾獎獲得者埃德蒙·費爾普斯在《大繁榮》一書中說到,真正的創新并非源于少數精英和自上而下的推動,而是一個基于大眾的、草根的、以人為本的、自下而上的全民創造進程。大眾參與的創新,才能帶來經濟社會的繁榮興盛。盧秉恒院士在國務院的講座中設想了未來制造業可能的前景:一半以上的制造為個性化定制,一半以上的價值由創新設計體現,一半以上的企業業務由眾包完成,一半以上的創新研發由極客、創客實現。所謂創新2.0是以人為本、以應用為本的創新活動,利用技術手段讓所有人都有參與創新的機會。從這個意義上看, 3D打印進入中小學課堂的意義則是非常重大,不僅看上去很美,其本質更美,值得我們去嘗試。


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