3D打印，改变未来生活和教育的科技

陈染

2014年11月，美国宇航局（NASA）向国际空间站指令长发送一封邮件，在空间站工作的3D打印机收到邮件后，打印出一个扳手，这是第一个3D打印制造“太空工具”的尝试。以往，如果宇航员需要一个扳手，需要等待下一次运载火箭发射，这个时间往往需要数周甚至数月，运输成本和风险也比较高。而现在，在材料合适的情况下，只需要发送一封邮件，就可以在空间站的3D打印机中制作出来，3D打印技术大大节省了空间站的运营成本。目前，这封邮件已经公开，你可以在其官网上免费下载文档，自己打印一个国际空间站同款扳手[1]。

扳手虽小，但它却是3D打印技术带来的新工业革命的一种体现。今天，3D打印已经悄悄走出了工厂，来到了社区、家庭和学校。未来生活中3D打印将会是一个司空见惯的技能：日常生活中临时需要修理工具，只需要在网上下载，自己打印出来即可；孩子生日了想送独特的巧克力蛋糕，自己设计模型，就能够用3D打印出来；你想到了一个解决生活问题的小设计，也可以用3D打印制作出来。

什么是3D打印？

说到打印，我们最熟悉的莫过于喷墨打印机了。喷墨打印机根据电脑的指令，将墨水逐行精确地喷洒在打印媒介上，生成文字或图像。3D打印也采用了类似的原理，根据电脑指令将打印原料逐层精确地堆积在空间位置，生成打印物品。

早期的3D打印多是通过挤压打印喷头来形成铸件或液体材料，比如热塑性的ABS塑料等。目前3D打印技术的方式更加多样化，光聚功能3D打印技术、粉末黏合3D打印技术、层叠制造3D打印技术相继出现；打印材料也从塑料扩展到金属、陶瓷、生物材料，甚至食品原料；打印的尺寸、精度及速度也在逐渐提升，在未来3D打印的领域也将大大扩展，可以满足人们在不同场景下的打印需求[2]。

3D打印将带来什么？

在过去，如果你想设计一款产品，需要在图纸上设计好，然后到工厂进行开模，才能做成原型产品。开模成本很贵，花费的时间很长，这些原因让很多优秀的发明创造直接胎死腹中。而以3D打印为代表的桌面制造，正在悄然改变这种现状。

很多人认为3D打印是一个高新技术，其实不然。3D打印技术最早出现在20世纪80年代，但早期的3D打印机器大且昂贵，不能真正地走进大众生活[3]。随着技术的发展，在近十年的时间里，3D打印机变得小型化和桌面化，打印材料廉价化，生产不再被工厂垄断，每一个人都可以制作出自己的产品。

3D打印具有快速成型的特点。以往需要大量时间成本和劳动力的开模制作，现在只需要一台3D打印机就可以在很短的时间内自动完成，而且费用甚至是前者的一个零头。在制造生产模型和工具中，设计师用更少的时间和更廉价的成本就可以把自己的想法用直接数字化制造的方式呈现出来。

3D打印让个人制造变成可能。随着3D打印机的桌面化，大多数人都有能力购买一台小型3D打印机，就可以设计和生产自己个性化的产品。3D打印的软件也更加人性化，容易操作，大大降低了学习成本。随着创客文化的深入人心，越来越多创客社区为个人制造提供了发展和交流的空间，每个人都可以将制作的打印文件分享在刨客社区，促进了大众创新。

3D打印给科技教育带来了什么？

3D打印不仅带来了生产技术的变革，同时也对科技教育产生了深远的影响。2016年新媒体联盟发布中国基础教育技术展望的《地平线报告》中，3D打印技术被视为将在2?3年内采纳的一项教育技术的重大进展。《地平线报告》项目组认为，教师通过3D打印的手段获得不太容易得到的物品，从而方便在教学中进行真实的探究，学生也可以自己亲手生成模型，赋予学习更多的可能[4]。

在以往的科技教育活动中，学生在进行某些小发明小创作的时候，尽管花了很多时间和精力，但作品一般较为粗糙，而且往往只能是孤品。在课堂中引入3D打印技术，使学生的制作更加快速、精致，易于复制。

目前，很多学校正在探索如何将3D打印技术融入课堂。3D打印技术在课堂中怎样开展？它能夠给学生带来什么样的改变？带着这些问题，笔者采访了北京东城区史家小学的陈纲老师，看一看史家小学的“三维创意设计课”是如何进行的。

“三维创意设计课”是史家小学近两年开设的一门面向3—6年级学生的课程，每周开设2小时。从基础的课程3D模型设计开始，对3D打印进行深度探究。

课程的入门阶段，学生需要对3D打印知识有一个基础认识，如三轴三面是怎么回事，用什么样的原则来处理3D模型。陈纲老师说，入门阶段是学生学习最难的阶段，需要用好几周的时间才能让学生明白3D打印的基础知识。我们从笔筒和杯子两个基本的形状开始，让学生创作各种不同类型的器具，在动手做的过程中学会3D打印的基础知识及软件使用的技巧。

“三维创意设计课”与其他多门课程进行跨学科整合，使学生对三维设计产生更深入的认识。例如，在课程制作项目中，与另一门人文素养课程“国博课”相结合，让学生用3D打印的方式复原出国家博物馆的馆藏文物，不仅加深了学生的动手制作能力，同时也让学生的人文素养得到进一步提升。

最后，“三维创意设计课”还为五六年级的学生提供了一个3D打印实践项目一一我的校园。学生通过项目式学习的方式，用3D打印制作一个校园的等比例模型。史家小学的校园建筑极具现代气息，学生非常熟悉并热爱自己的校园建筑。但对于学生来说，这种认识和热爱是非常抽象的，学校具体有多大，他们并没有一个明确的概念。课程向学生提供学校的平面图，学生分组对校园的各个部分丈量，并进行等比例缩放，在电脑中构建校园的三维模型，用3D打印制作出来，并涂绘成彩色的校园模型。

“我的校园”项目让学生的作品制作不再拘泥于眼前的小设计，而是一个巨大的模型。学生需要考虑很多问题：用怎样的方法才能丈量校园、等比例缩放到多大合适、3D打印的内部结构支撑怎样制作等。很多困难是学生在制作之前想象不到的。学生在制作过程中，将数学、美术、劳技等课程知识整合起来，提髙了自主学习的意识、拓宽了学习领域[5]。

在“三维创意设计课”中，3D打印帮助学生实现从模仿到扩展再到跨越，“鹦鹉螺无源扬声器”的设计就是这样的过程（见题图）。首先，学生通过对校园中现实需求的分析，提出无源扬声器的设想。接着，通过数学和物理的研究性学习，发现螺线对于扬声器的意义。最后，模仿鹦鹉螺的形状，结合现实需求，用3D打印的方式设计出一款鹦鹉螺形状的无源扬声器，并用3D打印的方式生产出来。

在3D打印中，创意的实现不再是某个学生的灵光一现，而是一个长期的迭代过程，每一届的学生都可以对往届作品进行修改。“三维创意设计课”的作品可以让学生带回家，还可以进行批量生产进行销售，培养学生的商业能力。通过这些鼓励方法增强学生的成就感，为学生增加创新的动力。

参考文献

[1]国际空间站用首台太空3D打印机制造出扳手.中国新闻网.2014—12—21

[2]克里斯多夫.3D打印：正在到来的工业革命.北京：人民邮电出版社，2016

[3] Exploring the 3D printing opportunity. Fiancial Times. 2012—08-09

[4]L.Johnson，刘德建，黄荣怀，等.2016新媒体联盟中国基础教育技术展望：地平线项目区域报告.浙江教育技术，2016（1）：36-40

[5]陈纲.从“思”到“造”——3D打印教育助理小学生创新能力的培养.中小学信息技术教育，2016（4）：13—15endprint