北方工业大学胡福文：3D打印创新教育的关键是内容创新

南极熊备注：本文是由北方工业大学 副教授 硕士研究生导师 胡福文 投稿，深刻思考了3D打印的创新教育，值得读者细细阅读。


3D打印作为一种数字化的直接制造技术，破除了传统物质条件、制造条件和设计空间对人们创造获得约束，让“创物、创材、创意”变得无限制、无边界。学习和掌握3D打印技术，对于激发学生的创新创造潜力，提高学生的创新创造能力，营造全新的学习体验，均具有重要意义。以内容创新为核心，依托创客空间、创新工坊、STEAM课程、创新创意竞赛等多形态平台，开发并构建知识驱动型、动手实践型、创新驱动型和综合创造型3D打印创新教育课程矩阵，是推进3D打印创新教育内涵发展的有效途径。

3D打印被誉为一项改变世界的颠覆性技术，正在快速应用到人们生活和生产的各个领域。作为一种数字化的直接制造技术，3D打印最大程度解除了 “减材”加工、“等材”加工等传统制造条件对人们创新创造能力的束缚，大大降低了创新创造的门槛，从而成为驱动创新大众化的重要技术平台。学习和掌握3D打印技术，对于激发学生的创新创造潜力，提高学生的创新创造能力，营造全新的学习体验，均具有重要意义。美国、英国及我国的政府、学校及相关企业在推动3D打印技术“进校园、进课堂、进实验室”从资金、政策及技术方面提供了有力支撑，从而对推动3D打印创新教育的发展奠定了良好基础。然而正如很多先进技术的发展应用一样，3D打印在从“技术优势或工具优势”向“内容优势或创新优势”的发展进化过程中却不如预期的那样理想。原因自然是多方面的，但最大的瓶颈在于缺乏内容创新。本文拟从内容创新的角度，探讨推进3D打印创新内涵发展的相关策略。

一、3D打印的技术优势
3D打印技术之所以被誉为改变世界的颠覆性技术，是和其与生俱来的“数字化、直接化、自由化”制造优势密切相关。与传统的“减材”切削制造、“等材”成形制造等技术相比，3D打印技术具有“所想即所得”、“设计即制造”的技术优势。

（1）生长性制造原理驱动3D打印破除了传统制造条件的约束，让“造物”无边界。
传统的“减材”切削制造（车削、铣削、刨削等）和“等材”成形制造（铸造、冲压、拉深、焊接等），操作实施过程和物体结构的复杂程度严格相关，物件结构越复杂，实施过程也越复杂，对操作人员的技术要求也越高，制造成本也越高。传统制造工艺受限于刀具、模具形状，无法制造出复杂曲面、异形深孔结构、封闭镂空结构、微孔晶阵结构等。但是对于3D打印或增材制造来说，其打印一个简单圆柱体，和打印一个体积相同的镂空花瓶，所消耗的材料、时间等成本相差无几，对操作人员的技术要求也没有差别，即3D打印的复杂性边际成本几乎为零，如图1所示。3D打印的这种数字化直接制造、自由制造的优势，3D打印破除了传统制造条件对人们创造活动的约束，在制作复杂的、个性化的物件方面具有明显的比较优势，越来越多的传统加工手段无法实现的物体通过3D打印技术制造出来。

图1 3D打印和传统制造的对比

（2）数字化材料复合原理驱动3D打印破除了传统物质条件的约束，让“创材”无边界。
传统的“减材”切削制造（切削、铣削等）加工过程中，往往会产生大量的切屑，有些航空航天结构件材料的切削去除率甚至高达95%，这无疑是原材料的巨大浪费。比较来说，3D打印几乎能将98%以上的原材料转化成产品，因此3D打印属于节约材料的加工技术。此外，3D打印技术也可以实现多种材料的任意复合或组合，从而制造出具有独特属性和功能的全新材料，例如，负膨胀超材料、负泊松比超材料、电磁学超材料等人工超材料，多尺度复合材料、多材料功能材料等。在生物医学领域3D打印更是开辟前所有未有的“创材”空间，越来越多的具有生物活性、生物相容性、生理功能性或生物热力学特性的“新材料”通过3D打印技术被创造出来，从而驱动3D打印从“创材”迈向“创生”。

图2 3D打印的创材空间

（3）自由化建造模型原理驱动3D打印破除了传统设计空间的约束，让“创意”无边界。
3D打印可以将任意形状的三维数字模型加工成实物，其三维数据源首先来自设计师的三维数字化设计，其次可以通过三维扫描仪逆向实物建模获取，还可以通过数学建模软件、大数据以及虚拟现实交互生成超出人类正常思维空间的“超模型”，总之3D打印破除了传统设计空间的约束，让“创意”无边界，让普通人、跨专业人员和专业人员一样均能开展创意设计活动。其次，基于3D打印的技术优势，人们广泛参与设计的过程中孕育了很多新颖的设计理念和设计理论，比如少/免装配设计、基于现有实物扩展的增强设计、基于数学模型/大数据/虚拟现实驱动的超模型设计、基于微晶结构的多尺度设计、基于材料复合的功能集成设计等等。图3是基于现有实物扩展的增强创新设计的案例，其中（a）是给胶枪扩展设计了一个支腿，（b）是在现有魔方的表面贴上3D打印的形状，从而让魔方可以“盲玩”，（c）是给咖啡杯设计的一个杯套，（d）是意大利设计师libero rutilo利用废塑料瓶增强设计的3D打印创意花瓶，这些设计通过3D打印不仅易于实现，无疑会给人们的生活带来了便利、乐趣、绿色、温暖和个性化。
经过30多年的发展，截止到目前，根据不同的材料复合原理，已有分层实体制造（LOM）、光固化快速成型（SLA）、熔融沉积成型（FDM）、选择性激光烧结技术(SLS) 等十多种3D打印技术方法被发明出来，构成了百花齐放的3D 打印技术体系。3D打印进一步和医学、服装、建筑、家电、工业制造、工业设计、食物加工等行业的特殊需求相结合，让“创物、创材、创意”的边界无限扩展，日益爆发出人类历史上前所未有的创新创造力量。

图3 基于已有实物的3D打印增强设计

二、3D打印创新教育的实施样态
充分挖掘和发挥3D打印“所想即所得”的数字化直接制造优势，融合做中学、创客教育、STEAM教育（Science， Technology，Engineering，Art &Mathematics，简称STEAM）、成果导向教育（Outcome Based Education，简称OBE）等教育理念，通过科技实践课、课外兴趣班、社团活动、创客实验室、科技竞赛活动等多途径，推进3D打印进校园、进课堂，让学生学习和掌握3D打印技术，对于激发学生的创新创造潜力，营造全新的学习体验，提高学生的创新创造能力，具有重要意义。

（1）基于“做中学”的理念，开发基于知识驱动的3D打印创新课程。
“做中学”的提出者、美国著名教育家约翰˙杜威明确提出“从做中学比从听中学是更好的学习方法”。我国著名教育家陶行知主张“教学做合一”，“教学做是一件事，不是三件事。我们要在做上教，在做上学”。相对于以教师为中心、“听中学”、“学以致考”的演绎式教学模式，“做中学”模式则属于归纳法教学模式等。“做中学”以学生为中心，学生由学习过程的被动接受者转变为积极参与者，成为学习的主角；教师则起着引导和帮助学生发挥潜能进行主动学习和有效学习的作用，也比传统的演绎式教学担负更多的责任、需要更多的投入。

基于“做中学”的理念，将3D打印技术作为辅助教学平台，挖掘语文、数学、生物、艺术、物理、化学等学科课程的学习重点和难点，构建可视化、可触摸、可拆解的3D模型，辅助主干课程学习。如图4所示，在小学语文《赵州桥》的教学中，大部分小学生就只能通过图片或视频来了解赵州桥的结构，而利用3D 打印技术打印出赵州桥的模型，学生就可以很直观地观察、欣赏赵州桥的整体及各个部分的构成。在生物课上，学习人体骨骼结构时，可以将复杂的脊椎等人体结构打印出来，从而将复杂的、难以触摸到、难以见到真实面目的人体骨骼或内脏器官变得可视化、可触摸、可拆解。在数学课上，打印出一个几何体的模型，便可以更直观地帮助学生了解几何内部各元素之间的联系，解析几何的学习将更轻松。3D打印可以让知识可视化、可触摸，让分散的知识集成起来形成有意义、有意思的学习环境，可以快速缩小“抽象”和“具体”、“理论和实践”之间的差距，有利于构建全新的学习体验，辅助主干课程学习。

图4 应用3D打印辅助构建全新的教学环境

（2）基于STEAM教育理念，开发基于创造学习的创新实践课程。
STEAM是五个单词的缩写：Science（科学）, Technology（技术）, Engineering（工程）, Arts（艺术）, Math（数学）。STEAM是美国政府提出的教育倡议，即加强美国K12关于科学、技术、工程、艺术以及数学的教育。STEAM教育理念的本质是让学生们自己动手完成他们感兴趣的、并且和他们生活相关的项目，从过程中学习各种学科以及跨学科的知识。

图5 STEAM学习案例

图5是STEAM学习案例，(a)-(f)分别是机械式计算机、中国古代指南车、风能-重力势能转化装置、磁悬浮装置、韦氏静电发电机、超材料结构扳手。以类似的STEAM学习案例作为牵引，引导学生用3D打印机制作并装配起来，无疑会使整个教学过程充满了趣味性、吸引力和创造性，有利于学科间知识的整合，开展综合性学习活动，发展学习者的跨学科思维，实现学科知识的综合运用，全方位的培养学生知识综合应用能力、动手能力、三维数字建模能力和创新创造能力。

（3）基于创客文化，建立基于动手实践的创客实验室。
创客是互联网向制造业深化、互联网向传统教育模式渗透、数字化直接制造技术发展、开源软硬件平台兴起等综合效应的产物，是传统 “DIYer”的升级版。创客文化是从创客活动的群体所共同认同、共同遵守的基本理念和准则，其基本内涵包括：鼓励技术的创新应用和传统划分下不同领域技术的交叉创新；特别强调“做中学（Learning Through Doing）”，鼓励做的过程中大胆试错和尝试创新，而不是按部就班、墨守成规；认同网络社区学习交流（线上）和面对面（线下）同伴学习分享的重要作用。创客文化应当说是成长于“正规学习系统”的高墙之外，它不仅仅是涉及到具体对象的创新创造，也涉及到基于此而构建的社会化学习和分享的文化。

基于创客文化建立创客实验室需要的支撑平台包括活动场所、制造平台、开源技术平台、创意交流平台等。制造平台指的是相对完备的自制造环境，一般应包括钳工台、钻铣床、激光切割机、小型数控中心、3D打印机等基本制造设备，从而可以确保学生自主化的快速实现创新创造。技术平台包括各类开源的、低成本的软硬件平台，一般配置Arduino、Raspberry Pi、Intel Edison等控制器，还要有机械电子元器件、型材结构件、各类传感器等基础材料。创意平台包括创意交流会、经验分享会、项目交流会等经常性的创意活动以及熏陶出来的创意氛围。图6是网络社区上的一些开源创客项目，(a)-(f)分别是仿人机器人、多足机器人、机械臂、四旋翼、两轮平衡车、智能小车。

图6 创客开源项目案例

（4）基于竞赛活动，培育基于竞赛牵引的创新实践社团。
学科竞赛或科技创新竞赛活动从参与范围来说可分为校级、省部级、国家级和国际级竞赛，从竞赛命题形式上来说分为命题式任务积分赛、主题对抗赛、无主题式创新赛、交流式友好赛等多种类型。基于竞赛活动牵引，以赛促学、以赛促创，全面提高学生的综合能力，为优秀人才脱颖而出创造条件是教育届的共识。通过组织学生参加3D作品创新设计大赛、3D打印创新设计亲子马拉松等竞赛实践活动，开展具有竞争环节、亲子环节和团队精神的科技实践竞赛活动，实现创新能力、团队精神、表达能力、沟通能力等能力的全方位训练和培训，促进学生的全面发展。

三、3D打印创新教育的发展趋势
从全世界范围来看，发达国家的3D打印技术早已进入教育领域。如美国几乎所有的大学、中学、小学都开设了3D打印创客课堂，通过3D打印技术的学习，对青少年进行创新意识、技术手段的培养，让3D打印成为促进“美国智造”的有力手段。2012 年，英国教育部将 3D 打印列入中小学国家课程表，并向 21 所国立中学的STEM和设计课程提供资金资源。2013 年 10月起，英国的上千名中小学教师将接受 3D 打印相关的教学培训课程，为学生们能够获得这一在工程领域中的新的实用技术做教学准备。2014年韩国政府宣布成立3D打印工业发展委员会，该委员会拟针对各个层次的民众制订相应的3D打印培训课程，包括从小学到成人。他们将在全国范围内提供3D打印教育资源，包括课程开发，以及为贫困人口提供相应的数字化基础设施。2016年在印度，由世界知名的3D打印机制造商MakerBot公司和Veltech大学合作，在当地政府的帮助下，将为800名教师提供各种3D打印相关流程的实践培训，包括CAD软件培训，3D建模、打印机操作，以及有关如何将3D打印技术更好地整合到课堂以优化STEAM教育的指导。

中国政府近两年开始大力推动3D打印教育的普及，教育部于2015年发布关于"十三五"期间全面深入推进教育信息化工作的指导意见，其中提到了未来五年对教育信息化的规划，鼓励探索3D打印融入STEAM教育等新教育模式。但是总体看，质量不高、流于形式，很多中小学限于教育评价、升学考核、师资力量和经费投入等原因，并没有将3D打印创新教育持续性的开展下去。

突出的问题主要包括：
①课程内容开发总体质量不高。大部分停留在对3D打印原理认知层面，停留在对3D打印模型的兴趣体验阶段，缺乏创新型、创造型驱动课程。
②课程内容开发和主干课程学习关联性不高。大部分课程将3D打印视为课外科技实践课，没有注意将课程内容开发和数学、语文、生物等主干课程学习有机融合起来，缺乏知识驱动型课程。
③课程内容开发的积极性不高。高质量课程内容开发需要投入庞大的人力、财力，很多学校限于师资力量和经费，缺乏内容开发的积极性。

为了更加深入推进3D打印创新教育的普及化、规范化，需要坚持问题导向和产学研一体协同，以共建共享为基础，重点开展以下工作：

①以内容创新为核心，依托创客空间、创新工坊、STEAM课程、创新创意竞赛等多形态平台，加大投入开发高水平的知识驱动型、动手实践型、创新驱动型等多层次的3D打印课程，增强课程内容的魅力和吸引力，增强课程的价值内涵。
②以共建共享为基础，区域参与、校企协同，逐步构建以3D打印技术为核心的创新创造平台体系，包括学期创意马拉松、3D打印创新创造竞赛、线上创新创造分享平台、线下创新创造分享平台等。

四、结束语
3D打印作为一种个性化、数字化的直接制造技术，既是创新教育不可或缺的技术平台，也是教育创新提质增效的技术手段。作为教育教学供给侧改革的重要抓手，政府、学校和企业合力推进3D打印进课堂、进校园，推进以学生创新能力培育为核心的内容建设和内涵创新显得尤为重要。创客教育、STEAM教育、成果导向教育等先进人才培养理念，需要在全社会教育理念开放进化的基础上，充分尊重学生发展成才的多元化需求，以3D打印等新兴技术作为技术条件作为支撑，以具有吸引力和创新性的内容作为引领，才会落地生根、开花结果，惠及学生的全面发展成才。

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刊载于：《中国教育信息化》2017年 第18期 总第405期
作者简介：
胡福文（北方工业大学 机械与材料工程学院），1980年生，男，工学博士，副教授，硕士研究生导师，研究方向：3D打印及智能机器人技术、高等工程创新教育。
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