基于3D打印技術(shù)的青少年創(chuàng)新技能培養(yǎng)與提升研究初探

林穎

摘 要：本文首先闡釋了創(chuàng)新能力的概念、創(chuàng)新能力三要素之間的關(guān)系，揭示了青少年創(chuàng)新技能培養(yǎng)和提升的重要性。接著在分析3D打印技術(shù)原理與特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合教學(xué)及生活中的實(shí)際，探討3D打印技術(shù)在提升青少年創(chuàng)新技能上起到的作用。對基于該技術(shù)的青少年創(chuàng)新技能實(shí)踐及應(yīng)用進(jìn)行了說明。

關(guān)鍵詞：3D 打印;創(chuàng)新技能;物化能力

國務(wù)院頒布的《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》中要求，以增強(qiáng)科學(xué)興趣、創(chuàng)新意識和學(xué)習(xí)實(shí)踐能力為主，完善基礎(chǔ)教育階段的科學(xué)教育;要加強(qiáng)青少年時期的科技創(chuàng)新教育，提升青少年科學(xué)素質(zhì)。青少年的科技創(chuàng)新能力在核心素養(yǎng)中也是占有重要地位的，北京教育科學(xué)研究院副院長、北京師范大學(xué)博士生導(dǎo)師褚宏啟教授在2017年7月就曾提出“創(chuàng)新能力也被視為核心素養(yǎng)寶塔頂端的明珠，如何培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，將成為教育改革中的重中之重?！?/p>

目前，在培養(yǎng)和提升青少年創(chuàng)新能力方面我們已經(jīng)有了一些好的經(jīng)驗(yàn)，但在過程中也發(fā)現(xiàn)了不少問題。其中就包括青少年的創(chuàng)新技能整體上還較薄弱，創(chuàng)新成果的表達(dá)和表現(xiàn)能力有限，并且缺乏好的手段、工具來物化自己的創(chuàng)新思維。這使得好多學(xué)生的創(chuàng)新想法都無法得到更深層次的轉(zhuǎn)化。那么，如何才能將青少年的創(chuàng)新意識，轉(zhuǎn)化成一種技能，且主動有效地運(yùn)用到解決實(shí)際問題中來，從而使其思維可見、讓其創(chuàng)意有形呢？這是現(xiàn)今創(chuàng)新教育發(fā)展中的一個值得研究的問題。

1 什么是創(chuàng)新能力

創(chuàng)新能力是技術(shù)和各種實(shí)踐活動領(lǐng)域中不斷提供具有經(jīng)濟(jì)價值、社會價值、生態(tài)價值的新思想、新理論、新方法和新發(fā)明的能力。它涉及批判性思維，包括問題解決能力、理性思維等，甚至信息素養(yǎng)、合作交流能力以及自主發(fā)展能力也囊括在內(nèi)。創(chuàng)新能力具有很強(qiáng)的綜合性，是涵蓋多方面能力的核心素養(yǎng)。

陶行知先生在1919年第一次將“創(chuàng)造”引入到教育的領(lǐng)域，他認(rèn)為培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力對民族的興旺和國家富強(qiáng)都有著極其重要的作用，在《第一流教育家》一文中他提出了要培養(yǎng)具有創(chuàng)造精神和開辟精神的人才。創(chuàng)新能力也是學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)的核心價值體現(xiàn)，應(yīng)當(dāng)著力培養(yǎng)，這與提升一個國家的國際競爭能力密切相關(guān)，也是有理性有思維的人的本質(zhì)體現(xiàn)。

2 創(chuàng)新能力的三要素

創(chuàng)新能力由創(chuàng)新意識、創(chuàng)新思維、創(chuàng)新技能三大要素構(gòu)成。在這三大要素的相互聯(lián)系和促進(jìn)下，構(gòu)成了人的整體創(chuàng)新能力。

在這三者中創(chuàng)新意識是創(chuàng)新能力的原動力，如果沒有創(chuàng)新意識，其他能力再強(qiáng)也無法得到發(fā)揮。它是創(chuàng)造新的思想、新的東西的愿景，是不可缺少的;創(chuàng)新能力的實(shí)質(zhì)內(nèi)容是創(chuàng)新思維，既是一種思想原型用來產(chǎn)生創(chuàng)新產(chǎn)品，也是一種行動指南得以實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新技能;倘若要將創(chuàng)新思維成果化，創(chuàng)新技能是必不可少的，它是在創(chuàng)新意識的引領(lǐng)下，一種物化的手段和技能。

創(chuàng)新能力的三要素是一個統(tǒng)一體，必須相輔相成。假如把創(chuàng)新能力比作一個嵌套的球體，其三要素之間的關(guān)系由于各自的作用和地位不同，就處于這個球體的不同位置。最內(nèi)層的是作為內(nèi)在能源的創(chuàng)新意識，處于中間層的是創(chuàng)新思維，它是創(chuàng)新能力的實(shí)質(zhì)內(nèi)容，最外層的是創(chuàng)新能力的外殼創(chuàng)新技能，具有最直接的表現(xiàn)作用。缺少了任何一個要素，創(chuàng)新能力都是不完整的，會使其大打折扣，甚至根本得不到發(fā)揮。

3 青少年創(chuàng)新技能培養(yǎng)和提升的重要性

創(chuàng)新技能屬于創(chuàng)新性活動的工作機(jī)制，它的形成受到創(chuàng)新智能的控制和約束。創(chuàng)新技能是一種反映創(chuàng)新主體行為技巧的動作能力，主要包括創(chuàng)新成果的表達(dá)能力和表現(xiàn)能力、物化能力等，是創(chuàng)新主體掌握和應(yīng)用創(chuàng)新技法的能力。

創(chuàng)新的過程和成果具有和以往不同的新形式、新內(nèi)容，要形象、具體、本質(zhì)地描述和表達(dá)出來，就需要具備創(chuàng)新成果的表達(dá)能力和表現(xiàn)能力。想要表達(dá)清楚事物的特殊本質(zhì)屬性，往往需要有與之相適應(yīng)的表達(dá)形式與手段。那些隱性或難以感覺的創(chuàng)新成果常常要用更形象的方式來表達(dá)，如盧瑟福的原子模型。值得一提的是，這些形式和手段都是根據(jù)創(chuàng)新成果表達(dá)的需要而不斷發(fā)展的。

物化能力指的是將意念、方案轉(zhuǎn)化為有形物品或?qū)σ延形锲愤M(jìn)行改進(jìn)與優(yōu)化的能力。努力把各種創(chuàng)意想法轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)產(chǎn)品與結(jié)構(gòu)，這也是“創(chuàng)客”（Maker）概念的內(nèi)涵。擁有物化能力，可以讓每一個孩子都有機(jī)會把學(xué)到的知識與現(xiàn)實(shí)世界對接起來，能夠通過知識的物化活動，享受創(chuàng)造與分享的樂趣。青少年物化能力的提高也有助于其知行合一，提升問題解決能力。

創(chuàng)新技能是創(chuàng)新能力的外殼，也是創(chuàng)新能力直接外在的表現(xiàn)。從能力的分類來看，創(chuàng)新技能屬于可遷移技能，通過實(shí)踐訓(xùn)練可以獲得。目前，學(xué)生的物化能力總體來說顯得較為薄弱，創(chuàng)新成果的表達(dá)和表現(xiàn)能力也有待加強(qiáng)。隨著世界日新月異的變化，我們應(yīng)該去研究探索一些新的途徑，尋找一些新的手段，運(yùn)用一些新的工具來幫助青少年物化自己的創(chuàng)新思維，引導(dǎo)他們更好的在創(chuàng)新的世界中遨游。

4 3D打印技術(shù)的特點(diǎn)

隨著3D打印技術(shù)成熟發(fā)展給教育工作者在提升學(xué)生創(chuàng)新技能方面提供了更有效的解決方法。3D打印技術(shù)是一種“快速成型技術(shù)”（Rapid Prototype），依托于計(jì)算機(jī)數(shù)字模型文件，利用3D打印機(jī)通過逐層打印的方式將虛擬的3D模型進(jìn)行“物化”。該技術(shù)能夠直接從計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)中生成設(shè)計(jì)所需零件，區(qū)別于以往的減材制造加工方式，無須機(jī)械加工或開模，我們稱其為“增材制造技術(shù)”。能夠極大地縮短產(chǎn)品的研制周期，降低生產(chǎn)成本和提高生產(chǎn)率。如今，這一技術(shù)在多個領(lǐng)域得到了應(yīng)用，我們可以用它來打印燈罩、珠寶，或者更加個性化的需求——根據(jù)腳型定制球鞋。這也使我們有理由相信，3D打印技術(shù)能成為提升青少年創(chuàng)新技能的新途徑。

5 3D打印技術(shù)是培養(yǎng)和提升青少年創(chuàng)新技能的有效途徑

3D打印技術(shù)的特點(diǎn)決定了增材制造這種方式在創(chuàng)新過程中起到了顛覆性的作用，可以幫助我們擺脫之前傳統(tǒng)制造技術(shù)設(shè)置的枷鎖，給創(chuàng)新設(shè)計(jì)帶來更大的釋放空間。該技術(shù)為創(chuàng)新技能的提升提供了支持，為學(xué)生在 “創(chuàng)新設(shè)計(jì)”與“快速制造”之間架起了一座新的橋梁。運(yùn)用3D打印技術(shù)的新知識、新技術(shù)、新方法來培養(yǎng)青少年的創(chuàng)新能力，一方面能夠讓學(xué)生了解前沿技術(shù)，另一方面還能夠成為他們創(chuàng)新實(shí)踐的新方式，是提升青少年創(chuàng)新技能的有效途徑。

運(yùn)用該技術(shù)，能夠直接從計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)中生成任何形狀的零件，采用三維的形式表現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖的手段。3D打印技術(shù)出現(xiàn)之前，創(chuàng)新思維局限于圖紙，或僅停留在設(shè)計(jì)者的腦海中。以往，在進(jìn)行創(chuàng)意構(gòu)思時，首先將其設(shè)計(jì)構(gòu)想體現(xiàn)在平面草圖上，而學(xué)生的草圖表達(dá)能力顯得差強(qiáng)人意，這是由于大部分學(xué)生的繪畫能力有限，并且利用二維平面作圖來表達(dá)空間結(jié)構(gòu)的能力不足所造成的。對于學(xué)生而言，發(fā)展空間思維最常用的方式就是讓他們進(jìn)行直觀化的操作。而3D打印技術(shù)就可將學(xué)生的構(gòu)思轉(zhuǎn)變?yōu)檎鎸?shí)， “可視化立體操作”的形式成為了學(xué)生能夠直觀的表達(dá)和表現(xiàn)創(chuàng)新成果的新手段。

借助3D打印技術(shù)，能夠幫助學(xué)生將數(shù)字化的設(shè)計(jì)模型快速變成實(shí)物?？梢詫?shí)現(xiàn)“想象—虛擬—實(shí)體”三者之間的鴻溝跨越，也是創(chuàng)新思維物化成型的過程。這一過程包括了理論知識的遷移，也是手腦并用的過程。并且由于3D打印材料環(huán)保可降解，對人體無害，加之主要使用的工具設(shè)施是計(jì)算機(jī)和3D打印機(jī)，作為物化的一種手段和工具，在操作上安全性也得到了保障。

6 3D打印技術(shù)培養(yǎng)和提升青少年創(chuàng)新技能的應(yīng)用及實(shí)踐

“經(jīng)驗(yàn)之塔”理論是美國視聽教育專家戴爾在《教學(xué)中的視聽方法》一書中提出的，它是日后試聽法教學(xué)的主要理論依據(jù)，該理論融合了杜威的教育理論和相關(guān)心理學(xué)觀點(diǎn)?！敖?jīng)驗(yàn)之塔”理論將學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)分為三大類：做的經(jīng)驗(yàn)、觀察的經(jīng)驗(yàn)和抽象的經(jīng)驗(yàn)。3D打印的三維數(shù)字化設(shè)計(jì)教學(xué)活動就是從設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)著手，逐步在做的過程中去觀察。學(xué)生通過三維數(shù)字化設(shè)計(jì)，到3D打印物化成品，在這一過程中，鍛煉了創(chuàng)新成果的表達(dá)能力和表現(xiàn)能力、物化能力，并且能夠從感性認(rèn)識過渡到理性認(rèn)識。

下面介紹三個3D打印教學(xué)實(shí)踐案例，分別從知識型應(yīng)用、實(shí)踐型應(yīng)用、研究型應(yīng)用角度出發(fā)，通過項(xiàng)目式、場景化學(xué)習(xí)的方式，訓(xùn)練學(xué)生的圖樣表達(dá)、創(chuàng)新設(shè)計(jì)、物化能力等方面的創(chuàng)新技能，幫助其提升技術(shù)意識和工程思維。

6.1 孔明鎖

小學(xué)四、五年級是學(xué)生建立空間立體概念的關(guān)鍵時期。孔明鎖的3D建模學(xué)習(xí)正是這樣一個挑戰(zhàn)空間想象力的任務(wù)。在實(shí)際的教學(xué)中，學(xué)生需要觀察模塊、測量和繪制，通過尺寸數(shù)據(jù)的計(jì)算，從原理上對孔明鎖增加理解，能夠?qū)酌麈i的立體圖形有更加直觀的認(rèn)識。通過孔明鎖3D打印的學(xué)習(xí)，不僅僅學(xué)習(xí)了原型圖的繪制，也經(jīng)歷了從具體到抽象再到具體的過程。借助繪制三視圖，可以培養(yǎng)學(xué)生的幾何直觀能力和空間想象力，見圖1。

6.2 U盤筆

U盤筆是對參加創(chuàng)意設(shè)計(jì)活動的學(xué)生進(jìn)行的一個3D打印實(shí)踐項(xiàng)目，對學(xué)生的3D建模能力是一個極大的挑戰(zhàn)，這款圣誕樹U盤筆是五年級學(xué)生的創(chuàng)新作品，獲得了2017年上海市創(chuàng)客新星大賽的二等獎。它的外形是一棵圣誕樹，由圣誕樹筆筒、U盤筆和五角星形樹頂u盤蓋三部分組成。U盤筆由上筆體和下筆體組成，上筆體的U盤呈扁平狀。放在書桌上既是個小擺設(shè)，使用時可方便地卸下當(dāng)做U盤的電子產(chǎn)品，整體協(xié)調(diào)美觀。在3D建模的時候，按照先整體再局部，通過外形輪廓的繪制旋轉(zhuǎn)得到實(shí)體，再逐漸增加繪制難度，考慮作品結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)、尺寸的設(shè)置，分部件完成3D建模。在實(shí)際的操作過程中，學(xué)生還要獨(dú)立解決尺寸丈量、等比例縮放等相關(guān)知識的學(xué)習(xí)和操作。最后，將模型打印出來組合裝配。項(xiàng)目實(shí)施過程使學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，能夠幫助他們提高了創(chuàng)新設(shè)計(jì)和物化的能力，見圖2。

6.3 野外智能凈水精靈

凈水精靈是五年級學(xué)生的一個科技創(chuàng)新作品，主要針對野外旅游提高飲用水安全問題進(jìn)行的研究。具體開發(fā)內(nèi)容是一個可以對水質(zhì)進(jìn)行簡單過濾，并可對水質(zhì)實(shí)現(xiàn)在線檢測的水杯。

運(yùn)用3D打印技術(shù)，學(xué)生設(shè)計(jì)了杯體，包括杯蓋，過濾體和盛水體等，其中過濾體主要用于盛放活性炭等過濾物質(zhì)的，實(shí)現(xiàn)對水質(zhì)的過濾。同時利用3D打印技術(shù)制造出產(chǎn)品模型，如圖所示，其中杯蓋和盛水體如常規(guī)水杯，過濾體主要用于盛放活性炭等。在設(shè)計(jì)的過程中設(shè)計(jì)了多個方案的比較，通過不斷的迭代修改，最后建模完成。

這個項(xiàng)目以問題為導(dǎo)向，探索解決方案，并且形成了一定的創(chuàng)新成果。雖然在作品的科學(xué)性、成熟度和有效性性上還需要更多的思考，但正是因?yàn)橛辛?D打印技術(shù)，已經(jīng)能夠讓五年級學(xué)生的研究課題落地了。通過對杯體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使學(xué)生在抽象概念和直觀經(jīng)驗(yàn)之間得到了自由轉(zhuǎn)換;以可視化的方式，更早地幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的錯誤和不足;引導(dǎo)學(xué)生將自己的設(shè)計(jì)思維“物化”;培養(yǎng)了學(xué)生的技術(shù)意識、工程思維、達(dá)到提升創(chuàng)新技能的目的，見圖3。

7 結(jié)論與展望

3D打印能夠作為一種新工具、新手段，可以讓學(xué)生從設(shè)計(jì)、制作、展示、參與等環(huán)節(jié)融入到學(xué)習(xí)過程。將這項(xiàng)新興技術(shù)引入到中小學(xué)教育領(lǐng)域，能夠成為一種培養(yǎng)和提升青少年創(chuàng)新技能的新途徑，為學(xué)生提供一個新的更加廣闊的創(chuàng)新實(shí)踐平臺。目前3D打印的教與學(xué)還有許多值得深入思考與探索的地方，普及起來也面臨著諸多的困難。但我們有理由相信，隨著現(xiàn)代技術(shù)的不斷進(jìn)步，社會的不斷發(fā)展，這些問題都會迎刃而解。通過訓(xùn)練學(xué)生的圖樣表達(dá)、創(chuàng)新設(shè)計(jì)、物化能力等方面的創(chuàng)新技能，幫助其提升技術(shù)意識和工程思維，實(shí)現(xiàn)達(dá)到提升創(chuàng)新能力的目的。

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