雷蔓 罗佐云 李永湘 马秀勤

摘要：在“大众创业、万众创新”的大环境下，开展中学生的创客教育能够激发学生的创新思维，三维建模技术、3D打印技术能够把中学生的设想变为实际模型，从而可以验证设想的可行性。团队把三维建模技术、3D打印技术融入中学创客教育，在分析了创客教育理念的基础上，按照创客教育理念，以设计一个能降暑的作品作为案例，介绍了创客教育案例的开发过程、3D打印步骤和装配流程。该案例在七星关区鸭池中学实施过程中，学生积极性高，起到了培养学生创新意识、锻炼学生动手能力、提升学生科学素养的效果，教学效果良好。

关键词：创客教育;3D打印;案例;创新

1 引言

创客的英文为“Maker”，指制造者的含义，特指出于兴趣与爱好，通过努力奋斗，能够把各种想法创意转变为现实的人，与DIY（Do It Yourself）有相似的含义。把创客与教育融合，就有了现在的创客教育，目的是通过实践，做中学、学中做，提升学生的动手能力，锻炼学生的创新思维能力。

李克强总理提出，要在960万平方公里的土地上掀起“大众创业”、“万众创新”的新势态，要健全创新创业辅导指导制度，支持举办创新创业训练营、创业创新大赛等活动，培育创客文化，让创业创新蔚然成风[1]。在此背景下，创客教育已经在全国各地初高中开展了起来。

在“贵州省青少年3D打印创意设计大赛”的推动下，3D打印技术得到了贵州省中小学创客教育界的重要关注[1] ，目前贵州省很多中小学也都具有桌面型FDM 3D打印机。

在具备了3D打印机后，把3D打印技术引入中学创客教育，开发基于3D打印机的创客教育案例，能够使中学生很快掌握3D打印机的使用，拓展学生的创新思路，使学生很快把小制作小发明的想法变为现实。

2 中学生3D打印创客教育案例开发的理念

“SCS 创客教学法”由傅骞教授提出，分为七个步骤（图 1），又称为SCSCSCS 创客教学法，这七个步骤依次是情景故事引入S（story）、简单任务模仿C（copy）、知识要点讲解S（state）、扩展任务完成C（copy extended）、创新激发引导S（stimulate）、协同任务完成C（cooperation）、成功作品分享S（share）[2]。

SCS 创客教学法符合创新的思维过程，创新源于生活，故事引入就是创新点。引入故事，提出问题，分析问题。要解决问题，首先要简单的模仿，通过讲解分析协同创新得到解决问题的较好方案，再协同完成任务，分享成果和为之奋斗的过程，得到幸福感与收获感。

“做中学”也叫探究式教育（Inquiry based science education）是以学生为主，以学生为中心的教育理念。该教育理念吸取了美国Hands-OnInquiryLearning教育理论与法国的LaMainaLaPate教育理论，从生物、地理、物理化学、科技四大自然科学领域，培养学生的思维能力、观察能力、解决问题能力、创造能力、表达能力、合作能力和社会情绪控制能力，使孩子主动学习，快乐学习，提高学习效率，提高考试成绩。

杜威指出，由于人们最初的知识和最牢固地保持的知识，是关于怎样做（how to do）的知识。因此，教学过程应该就是“做”的过程。“从做中学”也就是“从活动中学”、从经验中学，学生只有在活动中得到的经验才算是真正的知识[3]。

“经验之塔”理论由美国视听教育家戴尔在其著作《视听教学法》中提出（图 2）。他认为，学生的学习过程要从具体到抽象，学习之路应该充满具体经验[4]。

经验之塔依次是做的经验、观察的经验、抽象的经验。

做的经验有直接有目的的经验、设计的经验、演戏的经验。通过我们自己的眼睛看、耳朵听、身体触、嘴巴尝和鼻子嗅得到的经验为直接有目的的经验，直接有目的的经验学到的知識最牢固;设计的经验与创客的经验是一致的，通过自己设计、自己做的模型得到的知识也不易忘记;演戏的经验相当于是角色扮演，深入其境、沉浸于其中，得到的知识也难以忘记。

观察的经验包括观摩示范、见习旅行、参观展览、电视、电影、广播录音照片幻灯片。观摩示范即边看边学，通过看别人的演示示范，记下步骤后，自己再练习。观察的经验学到的知识没有做的经验学到的知识牢固，但是观察的经验学知识所用的时间少，利用好了能够大幅度的提高学习的效率。

可以用看出，上述教育理念都强调了 “边做边学”、“ 边学边做”的重要性。基于3D打印机，开发中学创客教育案例，让学生自己动脑动手完成模型的设计制作，符合上述教育理念的要求，下面以一个任务为例，介绍案例的开发过程。

3案例开发及三维建模

3.1 任务提出

创新任务的提出不需要太具体，比如针对目前天气炎热这个问题，不能提出“让同学们设计制作一个扇子”、 “让同学们设计制作一个电风扇”等这样的任务，这样会限制学生创新思维，可以提出“请同学们自己设计制作一个能够降暑的作品”这样的任务。

3.2 方案的确定及三维建模

作品的设计制作可以根据不能动、手动控制、电动控制、自动控制来划分其难易程度。一个方案的确定可能要经过几天或者较长时间的思考、可以通过团队头脑风暴确定。方案来源于生活、高于生活，最后方案的样子可能不是最初设想的样子，设计过程是一个不断更新、不断调整的过程。

在“设计制作一个能够降暑的作品”的任务中，老师可以给出一种方案，不是参考，不是最好，目的是讲述其设计与制作过程和相关的技术。

降暑的原理有很多，风、水、冰都可以，每种原理可以设计出很多作品，方案的表达先确定原理，再画出草图，使用建模软件画出其模型。适合中学生使用的建模软件很多，比如3done，其操作简单方便。经过思考与讨论，给出了一个能够降暑的作品，其模型如图 2所示，该作品通过一个大齿轮带动小齿轮旋转，这样小齿轮能够得到比较高的转速，带动叶片旋转吹风。

4 作品的3D打印及安装

3D打印技术又称为增材制造技术，3D打印机采用的原理很多，按照原理的不同，常用的3D打印机可以分为：（1）熔融沉积成型打印机（FDM），其主要材料为ABS和PLA;（2）光固化成型（SLA）3D打印机，其使用的材料主要是光敏树脂;（3）三维粉末粘接（3DP）3D打印机，其主要材料为粉末材料，如陶瓷粉末、金属粉末、塑料粉末等;（4）选择性激光烧结（SLS）3D打印机、其主要材料也是粉末材料。

最常用且成本最低的是采用FDM（Fused Deposition Modeling）原理的3D打印机（图 4），材料为丝状，在喷头里面加热融化被挤出，通过计算机控制喷头沿切片层的X-Y轮廓运动得到一层实体，然后Z轴（打印平台）下移一層的厚度，按照同样的原理打印下一层，这样材料能够喷出来一层一层的堆叠形成三维模型。

该作品需要打印的零件有大齿轮、小齿轮、机架、叶片、盖帽和转动手柄，因为零件多，一次不能全部打印完成，需要分批打印，由于轴承可以购买，所以不需要3D打印。

3D打印过程中，零件的摆放位置很重要，为了减少支撑，很多打印面需要45°摆放，总体要求是支撑少且方便去除支撑材料，该作品各个零件打印时的摆放如图 5所示。

3D打印的流程为：建模→分零件导出STL模型文件→导入3D打印机控制软件→调整零件打印放置位置→切片→3D打印→取出零件并去除支撑→打磨装配，装配后的作品如图 6所示。

5 总结

将三维建模技术、3D打印技术融入中学创客教育，有助于提升创客教育的科技水平与课程的吸引力。该方法能够很快把学生的想法变为模型再变为实物，能够锻炼学生的创新思维、动手能力、分析问题和解决问题的能力。

该案例在七星关区鸭池中学的实施过程中，学生的积极性很高，很多学生也在此作品的基础上提出了很多可行的改进意见，证明了学生确实在思考。创新的源泉来自生活，创新的成果改变生活，该案例的实施启发了学生的创新思维，得到了很好的教学效果。

参考文献：

[1]曾玉如，伍权，罗国宇，等.基于创客教育的中学3D打印课程教学实践研究[J].教育观察，2019（37）：29-31.

[2]徐海贤.SCS 创客教学法在高中信息技术教学中的应用—以3DS MAX三维动画设计入门课为例[J].教育信息技术，2018（6）：59-62.

[3]郑贤.基于STEAM 的小学 3D 打印课程设计与教学实践研究[J].中国电化教育，2016（08）：82-86.

[4]许玄玄.中小学3D打印课程设计与实践研究[J].中国教育信息化，2019（08）：21-24.