姜王宁 陈胜银 刘凤娟

关键词：3D 打印技术；中小学生；创新能力；培养策略

创新人才的培养，应从中小学生抓起。现如今，3D打印技术的快速发展，为实现学生的创意想法，培养中小学生创新能力提供了有力的工具。2014年，国务院推出“3D打印创新教育播种”计划，旨在为学生的创新提供良好的氛围[1]。2019年，中共中央、国务院印发的《中国教育现代化2035》，要求大力提倡提升人才的创新能力[2]。在此背景下，3D打印技术被大力推崇引入教育领域，以促进中小学生创新能力的发展。因此，开展3D打印技术支持下中小学生创新能力培養策略研究显得尤为重要。

1 研究背景

1.1 3D 打印技术及特点

3D打印技术是利用塑料或树脂等可粘连的原料进行层层打印形成物件的增材制造技术[3]。具有三个较为明显的特征：第一，将材料积累，使作品立体化；第二，可直接利用3D建模工具进行自主建构，再利用打印机打印；第三，支持人们将创意想法变成现实中的实物，实现了创新作品制作。

1.2 创新能力及构成

培养创新人才一直以来就是教育界的主要研究领域之一。不同学者从不同角度对创新能力开展了大量研究，林崇德教授团队提出创新能力是根据一定目的，运用一切已知信息，产生出某种新颖、独特、有社会价值或个人价值的产品的智力品质[4]。李冀红等人提出了面向智能时代的创新能力六大维度框架[5]。而3D打印技术是数字化工具中的一种，从3D建模设计到产品打印输出全过程，都体现了对学生意识与思维能力等的培养。本研究选择从创新意识、思辨能力、设计思维、批判性思维四个方面探究3D打印技术支持下中小学生创新能力的培养。

1.3 3D 打印技术促进中小学生创新能力研究的必要性

申继亮等人研究发现：青少年创造性倾向的发展趋势总体上呈现倒V型，中小学生时期是创造性倾向发展的关键期。3D打印技术为中小学生创新能力培养提供了契机[6]。

1）支持学生将“创意”变成“实物”，提升学生创新动机水平。学生在见证3D打印模型建立的过程之中，看到自己的“创意”变成真实的“实物”后心中会充满成就感，激发了学生的创新动力。

2）助力学生建立立体化思维体系，培养学生创新思维能力。教师引导学生自主想象并利用3D建模工具设计空间几何体，设计的过程就是帮助学生立体化思维体系建构的双向过程。

3）促进学生学习反思，培养学生创新设计能力。

学生们通过反思评价作品以完善作品，在设计、修改、制作、完善的过程中真正地掌握作品设计的精华。

4）丰富学生综合实践活动，培养学生创新实践能力。3D打印技术可以让学生经历从头脑想象到图纸设计再到实物打印的全过程，对培养学生创新实践能力具有积极的现实意义。

2 中小学生创新能力培养中存在的问题

信息化社会需要创新人才，以激发社会创新能力。中小学生作为学习的主体，社会上较少关注其创新能力的培养，如何借助3D打印技术培养中小学生创新能力，通过查阅文献，并结合笔者在中小学的见习实践，发现中小学生创新能力的培养所存在的问题主要体现在如下方面：

2.1 中小学生创新动力不足，创新意识养成受限

李西营等人指出创造性意识的内部因素和创造性之间的相关非常显著[7]。笔者在中小学校实践实习中发现：某些学生只参加学校规定的3D打印基础课程，不愿意参加3D打印社团创新科技活动，这说明学生是在创新学分等外部条件的驱使下，为了完成任务而参加活动，侧面说明了学生创新动机的不足，创新意识养成受限。

2.2 中小学生心理不够成熟，思辨能力不足

唐光蓉等人指出：家庭创新环境、创造性意识和日常创造性行为相关显著[8]。笔者在中小学校实践实习中发现：某节3D打印设计的课堂上，大部分学生设计出来的就是教师展示过的花瓶，教师启发学生独立思考，设计自己心中的花瓶，而学生们不知所措，某一同学设计出了没有底座的花瓶，部分学生纷纷效仿，这就体现出学生缺乏一定的思辨能力。

2.3 课程融合不够紧密，学生设计思维能力受限

关成华等人指出：未来教育必然需要培养具有“生产性”思维的创新型人才[9]。张佳丽指出3D打印技术在培养中小学生创新能力方面与学科教学联系较少[10]。笔者在3D打印课程的实践实习中发现：各学校普遍开设3D打印课程，但是大部分学校只是将其作为一门单独的课程，并且大部分学校重操作，而轻设计，这就不能系统化地培养学生的设计思维能力。

2.4 中小学生批判性思维不足，问题解决能力受限

董勇提出：现阶段我国中学生非常缺乏数学批判性思维，缺乏探究能力、创新能力。没有批判、怀疑和评价，就不能提出新的问题[11]。3D打印为培养中小学生批判性思维提供了有效的技术平台，围绕3D打印课程系列内容创设质疑情境，可以帮助学生打破思维定式与功能固着，从而创新性地解决问题。

3 3D 打印技术支持下中小学生创新能力培养策略

作为一种能够综合训练创新思维与能力的技术形式，3D打印技术为中小学生创新能力培养提供了新视角，满足了中小学生适应信息化社会发展的需要。借助3D打印技术来培养中小学生创新能力，就是要把设计交给学生，让学生成为设计者。学生来设计，学生来分享，学生来创新。

3.1 支持创意变实物，激发培养创新意识

支持创意变实物，激发培养创新意识，主要体现在利用3D打印技术在制作过程中培养中小学生的创新能力。以3D打印作品《手机支架》为例进行分析。

首先，教师或是家长甚至学生自己应该学会提问：市场上形形色色的手机支架是否满足了学生自己的需求，有哪些需要改进的地方？

其次，学生去设计自己心中的手机支架，制作成自己喜欢的图案、颜色等，通过实际需求激发创新动机，培养创新意识。

最后是将“创意”变为“实物”的打印过程，这需要借助3D打印机的帮助。学生将制作好的《手机支架》作品以STL的文件格式保存在U盘里，与3D打印机连接，3D打印机将三维模型进行分层，创新性地选择蓝色、红色、黄色的熔丝线逐层打印，最后将各层黏合制作成为一个实物，如图1。

3D打印技术着重于激发学生的创新动机，因为3D打印技术就是让学生去设计、构思、实现自我创意想法，学生体验到创新成功，越创新越有劲，进入创新动机与创新效果的良性循环，从而培养中小学生的创新意识。

3.2 建立立體化思维体系，提升思辨能力

建立立体化思维体系，提升思辨能力，主要体现在利用3D打印技术在修改过程中培养中小学生的创新能力。以3D打印《长方体的认识》为例进行分析。

首先，创设开放思考的思维环境。学生尝试绘制，并讨论交流：二维空间和三维空间的区别到底是什么？长方体和长方形的区别仅仅在于多了z轴的高吗？

其次，教师或是家长演示长方体的棱长。通过3D打印笔尝试性地描绘长方体的棱长，通过动态直观演示，剥离实物形状，展示长方体的框架，引导学生在头脑中构建三维空间长方体的形状。

再次，引导学生反思修改模型参数。学生在3D 打印工具界面不断尝试和预览效果图的过程中体会长方形和长方体的不同，不断修改各项参数，了解长方体的同时掌握其体积计算方法，在修改参数的过程中，同学们创新性地发现了直四棱柱和正四棱柱（如图2），同学们在材质编辑器界面创新定义材质球并将其附加给长方体模型，同学们通过创意渲染出图，从而进一步认识立体图形，帮助学生形成三维空间意识。

最后通过反思与评估对设计出的各种长方体进行评价，促进学习反思。利用反思精神培养思辨能力，从而促进学生创新能力的发展。

“填鸭式”教育抑制了学生的创新思维发散意识。思辨即思考、辨析，培养思辨能力必须更新、完善学生的思维方式，3D打印技术可以助力学生在大脑中构建立体化的思维体系，以此打开学生思路，有利于学生摆脱思维定式，独辟蹊径地解决问题。

3.3 展示作品模型，培养设计思维

展示作品模型，培养设计思维，主要体现在利用3D 打印技术在设计过程中培养中小学生的创新能力。以3D打印技术与物理学科《神奇的滑轮》一课结合为例进行分析。

首先，教师展示3D打印滑轮模型。这个展示过程使学生在头脑中对滑轮的形态有了初步的设计构思，同时使学生对物理学科定滑轮、动滑轮、组合滑轮间的知识有了更深层次的理解。

其次，学生进行设计。先利用思维导图等方式设计滑轮草图，这将促进学生二维平面设计能力的发展。学生将头脑中的外框、转轮、孔的直径等要素进行草绘，如图3。在设计过程中，学生因为对外框、转轮以及孔的直径等要素考虑不同，定滑轮、动滑轮甚至是组合滑轮等创意想法层出不穷。利用3D魔术师软件进行3D模型设计，这将促进学生三维平面设计能力的发展。学生通过对滑轮的创意设计过程，引导学生对滑轮实物模型结构的深度学习与探究实践，如图4。

最后学生展示作品，并对设计作品进行创意想法分享。通过多样化作品的展示，学生不仅对学科知识进行了更深层次的掌握，而且对同一主题下学生之间不同的创意想法进行了分享，这可以使知识间形成迁移，促进学生对不同学科间知识进行横向、纵向的杂糅领悟。

设计思维的核心在于创意，而设计的具体表现就是人们为了达成自己的目的所进行的创造性活动。通过展示多样的3D打印作品模型，多学科融合探究，可以借助3D打印工具更好地培养学生的设计思维。

3.4 创设实践项目情境，培养批判性思维

创设实践项目情境，培养批判性思维，主要体现在利用3D打印技术在完善过程中培养中小学生的创新能力。以3D打印技术《口罩神器》为例进行分析。

首先，应支持创新实践项目情境的完整性，聚焦创新问题，分析生活问题。根据中小学生的思维认知特点，引出口罩在日常生活中的重要性，教师或是家长引导学生自己提出佩戴口罩时遇到的问题，并引导学生利用3D打印工具创新设计口罩神器，来解决长期佩戴口罩时遇到的例如勒耳的问题。

其次，构思设计方案，展示交流方案。通过对口罩神器设计知识的讲解，引导学生积极思考如何通过3D打印软件设计《口罩神器》作品。

再次，利用3D建模工具设计创意模型。设计连接杆，设计挂钩，设计装饰图案。展示创意作品，反思修改模型。

最后，进行教学活动评价。如何通过3D打印技术来培养批判性思维？其落脚点要落到3D打印作品的评价中。在3D打印《口罩神器》一课中，学生们设计了多款口罩神器，如图5所示。是否每一款都满足契合性、实用性，创新性、艺术性等评价标准呢？这就需要进行多样化的作品评价。某些口罩神器极具创新性，但是存在勒耳问题；某些口罩神器特别花哨，不适合严肃场合的佩戴等。教师或是家长，甚至学生自己联系实际生活，通过作品评价以及对口罩神器设计知识的了解，认识到现有问题，不断进行反思完善，从而设计出一款合适的口罩神器。

通过创设3D打印创新实践项目情境，增加中小学生接触创新实践活动的机会，联系学生生活，在真实的实践项目环境中，利用3D打印技术解决实际生活中的问题，在培养学生批判性技能的同时，也激发了学生的批判性思维能力。

4 结语

中小学生创新能力的培养是与时俱进的重要教育目标，3D打印技术为中小学生创新能力培养提供了重要技术支撑。因此，对3D打印技术支持下中小学生创新能力培养策略的研究非常有必要。但3D打印只是一个技术工具，若单纯依靠3D打印技术来培养中小学生创新能力是远远不够的，还需要家庭、校园、社会协同起来，从创新动机、创新思维、创新反思、创新实践等方面进行多方培养，以达到提升中小学生创新能力的目的。