3D打印在创客主题STEAM教育中的应用研究

　　近年随着开源软硬件的百花齐开和创客运动的兴起，引发了制造技术和教育方式的革命，3D打印等数字桌面制造工具迅速地成为全球各领域关注的焦点。3D打印技术作为一种快速成型技术是一个可以快速实现个性化创造的工具，它可以塑造原本存在于脑海中的设计，把脑海中的设计转化为实体，从而促进设计思想的交流，促进基于创新创造的学习。当前的3D打印教育创新应用项目，主要集中在科研、创客空间和STEAM课程中。随着3D打印技术不断进步和由3D打印教育创新应用构成的体系不断优化，使3D打印从以前对于许多学校高不可及的高科技，慢慢地融入学校、家庭和社会教育，这是对传统教育有着革命性影响的技术。在创客主题教育模式不断演进与更新中，把3D打印融入创客主题的STEAM教育中将是势不可挡的事情，它可以丰富基于创造的学习样态，更可以拓展基于创造的学习存在形式。
　　
　　近年随着开源软硬件的百花齐开和创客运动的兴起，引发了制造技术和教育方式的革命，3D打印等数字桌面制造工具更是成为全球各领域关注的焦点。2012年美国政府规划未来4年内将在1 000多所学校引入“创客空间”,并配备3D打印机和激光切割机等桌面制造工具，通过实践培养新一代的设计工程师和生产创新者。2013年美国前总统奥巴马发表国情咨文演讲强调3D打印的重要性，并称将再投资三个制造业中心以推动这些新技术产业的发展。美国几乎所有的大中小学都开设了3D打印课程，培养青少年的创新意识和应用技能。2013年8月，习近平总书记在考察3D打印企业时指出，这个技术很重要，要抓紧产业化。在医学、材料、机械工程、建筑、电子工程以及教学科研等领域。2015年8月23日，中共中央政治局常委、国务院总理李克强主持国务院专题讲座，讨论加快发展先进制造与3D打印等问题。
　　
　　3D打印技术介绍
　　
　　3D打印属于快速成形技术的一种，作为一种快速成型技术，3D打印是一个可以快速实现个性化创造的工具，它可以塑造原本存在于思维中的设计，把思维中的设计转化为实体，从而促进思维交流，促进基于创造的学习。3D打印是一种以数字模型文件为基础，通过立体成型的方法把3D打印原材料（一般是运用粉末状金属、ABS和PLA塑料等材料）打印成模型，跟我们传统的减材加工制作方法如数控车床加工不同，3D打印是通过逐层叠增的方式来构造物体（即增材制造），它不需要传统的刀具、夹具、机床和任何模具，就能直接把计算机中的任何三维图形生成实物；3D打印技术可以自动、直接和精确地将计算机中的三维设计转化为实物模型，甚至可以直接制造零件或模具，这样可以大大地缩短了产品研发周期，而且对比传统的减材加工制作方法，3D打印这种通过逐层叠增的方式来构造物体的技术更能节省材料，在构造的过程中没有边角料的产生，提高了材料的利用率。3D打印的具体工作过程：先用建模软件进行建模，然后再将建成的三维模型导入到切片软件中切片，即切成逐层的截面，软件就会生成打印机要逐层打印的路径。把完成切片的数据导入3D打印机，打印机通过读取文件中的逐层打印的路径信息，3D打印机就会用原材料材料将三维模型一层一层地打印出来，再将各层以各种方式粘合起来从而制造出一个实体，通过这种技术我们几乎可以造出任何形状的物品。
　　
　　随着3D打印技术和3D打印材料的更新迭代，从过去常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，现正逐渐用于一些产品的直接制造，特别是一些专业性比较强的行业应用已经有使用这种技术打印而成的零部件，意味着“3D打印”这项技术正常普及各行各业。
　　
　　3D打印在创客主题STEAM教育中的创新分析
　　
　　最早在美国开始，近年来席卷全球的教学新理念“STEAM教育”正在逐步进入中国的各大中小学校。STEAM代表科学（Science），技术（Technology），工程（Engineering），艺术（Art），数学（Mathematics）。STEAM教育就是集科学、技术、工程、艺术、数学多学科融合到一起的综合教育。STEAM是一种教育理念，它有别于传统的单学科、死记硬背书本知识的教育方式。STEAM是一种重视实践的超越学科的教育概念。当今社会任何事情的成功完成都不仅仅依靠某一种能力就能实现，而是需要借于多种能力，比如电子产品的设计生产过程中，不但需要科学技术，运用高科技手段创新产品功能，还需要好看的外观，也就是艺术等方面的综合才能，所以单一技能的运用已经无法支撑当今社会的人才发展，未来的发展，我们需要的是多方面发展的综合型人才。
　　
　　在基于这一大背景的前提下，我国乃至于全世界都十分重视STEAM教育的发展，从而引发大家都在探索STEAM教育的各种新模式。而3D打印这热门的技术和最近火爆的STEAM教育，毫无疑问会引起又一次教育模式的新改变。在STEAM教育中，3D打印技术可以给学生的“学习方式”带来新的思考，让原本比较抽象的概念变得更加容易理解，可以激发学生对科学、数学尤其是工程和设计创意的兴趣，让实践与理论、知识与创意、现实与虚拟三方面的相互结合。具体表现为：
　　
　　1）3D打印让学生的想象更容易变成现实，培养学生的创新意识，鼓励学生的创新实践。
　　
　　2）学习运用建模软件，发展学生立体空间思维。
　　
　　3）通过选择贴近日常生活的主题让学生进行建模，培养学生解决生活实际问题的能力。
　　
　　3D打印在创客主题STEAM教育中的应用
　　
　　随着3D打印机的普及，面向业余使用者的三维建模软件也如雨后春笋般，像国外知名的欧特克公司发布的3D建模软件 Autodesk 123D,以及国内新兴的3Done建模软件，使用者不需要复杂的专业知识，通过鼠标简单地拉几根线就可以建立简单的几何图形，并且这款软件完全免费，使用者可以在欧特克公司的官方网站找到下载链接，让每一个普通人都能轻易获得和使用，解决了关于3D打印应用软件的问题。
　　
　　在创客教育中，学生在完成自己的项目的时候，学生会遇到各种需要用到机械架构和外壳的时候，在3D打印机普及以前学生会用标准件搭建或者用纸甚至锯木做架构和外壳，这种方法在许多情况不大适用和不美观。直到3D打印机普及，现在学生可以根据自己的需求，先在Autodesk 123D或者3Done这类建模软件上把自己设想的结构和外形画出来，然后导出到3D打印机上就可以把设想中的结构外形打印出来，这样可以节省材料和大量的时间。在STEAM教育中，这样可以让学生把精力集中到创意和想法中上去，而不是在反复打磨金属和木材中浪费大量时间。
　　
　　当然对于3D打印机技术的应用不单单上面的结构和外形，在互联网发展迅猛的今天，异地创造和分享一个开源产品来成为一个可能，这也是创客教育能否成功的关键之处，因为创客的精神就是分享和合作。我们可以让学生跟不同的班级，学校和省市，甚至不同国家的学生交流，相互把自己认为有趣的作品项目分享给别人，或者跟远在异国的小创客一起开发一个开源项目，一起进行交流讨论。在这过程中，产生各种思维的火花，共同进步。我们也可以多看看有丰富的共享资源的网站，这样更容易学生得到启发和帮助。而现在国内在教育上做得最好的是3Done,教师可以通过软件对学生的作品进行管理，学生也可以分享自己的作品上去3Done的网站，这样学校与学校之间可以进行交流。
　　
　　3D打印在东莞市科学技术博物馆的创客主题STEAM教育中的应用
　　
　　东莞市科学技术博物馆在2017年上半年进行了创客主题培训及展览宣教活动，其创客团队带上电子构件、机械架构和3D打印机到广东省内不同的学校进行创客主题STEAM教育培训。创客老师通过用图形化编程软件Scratch让学生在比较短时间内可以进行简单的编程。图形化编程软件Scratch是一款由麻省理工学院设计开发的面向少儿图形化编程工具。其特点是：使用者可以不懂编程代码和编程语法，也可以不认识英文单词，甚至也可以不懂怎么使用键盘。构成程序的命令和参数可以通过一个个积木形状的模块来实现，使用者只需要用鼠标拖动不同模块里的积木到程序积木搭建区就可以了。
　　
　　在学生学会了编程后，创客老师再用简单易懂的例子来讲各种传感器，让学生初步认识传感器的原理和使用方法，从而让学生可以在较短时间内可以用编程程序来控制电子构件，再加上用机械构件搭建造型，就可以做一些比较简单的电子创客作品。在搭建造型的过程中，许多时候学生会对创意作品的造型有许多想法和创意，要求用到许多特殊的造型的构件或者是外壳，这个时候如果用传统的减材加工方法完全不能及时地满足课程，面对这种情况3D打印机很好地解决了问题。由于短时间内学生无法完整地学习建模软件，这个创客老师跟学生通过交流，创客老师就按照学生的要求建模出学生要求的造型，再通过带去的3D打印机构造出实物。让学生的想法和创意不会受到现有的器材所限制，更加有利于学生的创意的培养和思维的交流，这样也有助于我们衍生出新的3D打印创客主题STEAM教育课程。
　　
　　广东省东莞市常平镇袁山贝有执小学3D打印成果
　　
　　在广东省东莞市常平镇，袁山贝有执小学已经开始了造物课堂。学生们通过建模软件设计了各种的模型，例如笔筒、汽车模型、恐龙模型等，再通过3D打印机打印出立体模型。2016年开始广东省东莞市常平镇开展3D打印技术在教学中的应用研究，袁山贝有执小学响应镇政府的提倡，积极的做了前期的调查，并邀请了广东省东莞市科学技术博物馆的创客教育团队来指导，经过长达半年的调研的准备，在2017年3月袁山贝有执小学建立了学校的第一间“3D打印创客空间”,这也是常平镇小学的第一间3D打印创客空间。
　　
　　袁山贝有执小学每周定期在第二课堂开展3D打印课程，老师常用生动通俗的语言介绍3D打印技术，对于低年级老师通过3D打印笔的课程开始入门，让学生自己创作自己喜欢的3D模型，并从中让全体学生了解3D打印的原理和及其相关的知识。对于接受过前期培训的高年级开设了3D打印与建模课程，教学生一些简单建模软件的操作。一开始让学生画一些基本的几何立体模型，再把不同的立体模型相互组合，然后学生可以通过自己的创意再结合这个软件，创造出自己想要的作品。在每周三下午三点半到五点的第二课堂的时间学校都会组织学生参加3D打印的第二课堂活动，帮助学生们将创意变为现实，让学生的创意思维得到发展，同时也让他们的动手动脑能力也得到提高。学校也主动参加省市开展的各种3D打印和作品设计的比赛，也主动在镇区科技活动中展示学校学生的作品，最近学校也将参加2017年12月的东莞市青少年3D打印比赛，学校邀请了广东省东莞市科学技术博物馆的创客教育团队过来学校进行比赛的说明和协助辅导。
　　
　　跟其他课程不一样，3D打印课程更偏向需要活动和实践。例如学校把3D打印课与各学科课结合，以发明小制作为主题开展实际操作，成为该校系统开展3D研究的第二个重要环节。如学生设计的3D打印USB小夜灯，学生们先自己在图纸上设计出自己小夜灯需要用的构件，再用3D建模软件建模并打印出来，并把各个部件组装起来，最后再把自己之前制作好的电子装置放进去，通过这种不同学科的结合，大大地锻炼学生的动手能力和探索能力，同时也激发了学生的创新思维能力。
　　
　　同样的课程除了东莞市常平镇袁山贝有执小学之外，还有许多中小学已经慢慢开始上3D打印的课程，例如2017年上班东莞市科学技术博物馆的创客老师也为虎门五中带来生动有趣的造物课，同时也帮助学校开展3D打印创客空间；同样的还有中堂中学等一批中小学慢慢地也加入到创客主题的STEAM教育来，3D打印课程也成为它们学校的其中一门受欢迎的第二课堂课。
　　
　　结论
　　
　　随着3D打印在社会和学校中普及，笔者认为3D打印对中小学生的影响不仅仅在于能让学生学习建模软件，3D打印在创客主题STEAM教育中更应该把学生培养成有思想、有创意的设计者、思考者与执行者，让学生完成一个探索、思考和操作实现的完整过程，为中小学生开辟一种全新的思维方式。

　　参考文献

　　[1]丁焱.中小学开设3D打印课程的意义[J].中国现代教育装备，2014（14）：84-85.
　　[2]孙江山，吴永和，任友群.3D打印教育创新：创客空间、创新实验室和STEAM b[J].现代远程教育研究，2015（4）：96-103.