培养核心技能和品质的3D打印科技课程设计

龙源期刊网打印科技课程设计作者：杜伟来源：《湖北教育·科学课》2017年第05期3D打印是3D技术的有效组成部分，设计、建模和打印是它的三大核心功能。许多学校已经开设了3D打印课程，3D打印课程的重要功能与意义在于引导学生在学习中发现问题并创造性地解决问题，体验并经历一段奇妙的设计之旅，让学生意识到设计对生活的重要性。然而，许多学校开设的3D打印拓展课程存在诸多问题，主要有两方面：一是课程变成软件学习课。教学只围绕如何使用软件的各种功能，熟悉软件的操作，颠倒了设计造物和软件学习之间的本末关系。二是课程变成范例模仿课。学生依葫芦画瓢，按照教师的制作步骤或范例提示，一步步操作，完成作品，并把实物打印出来。教育不是培养流水线工人，不仅要关注学生是否掌握了基础知识，更要关注他们在课程中核心技能的提升和核心品质的塑造。如何才能让学校的3D打印拓展课程回归教育的本质呢？笔者所在的课程开发团队与有关科技公司进行了合作，从符合学生认知发展和教育规律的角度出发，初步整理了一个3D打印科技课程开发的结构化设计思路。一、关注3D打印课程的“双核”1.核心技能的聚合与外联要体现3D打印课程的核心教育价值，必然要关注与创新和创造能力息息相关的各种核心技能。这些核心技能，除了设计作品的技能、软件操作基本技能（复制、旋转、组合、变形、测量、挖空、抽壳、绘制曲线等）外，还有很多容易被忽略的技能，如观察、比较和测量能力，数据处理与分析能力，模型建构与修正的能力，创新思维能力等。以《小玮的3D主题屋》一书中的内容为例。在对书桌进行设计时，不是简单地在建模软件里设计一个书桌的造型就可以了，还要考虑到桌子的长宽高比例、符合人体工程学要求的桌子净空高度（地面到抽屉底部的距离，放腿的空间）等，只有经过实际测量和对数据的处理分析后，才能得出一个合理的比例数据，然后再进行造型的草图设计，在建模软件里将数据和草图相结合，初步完成建模。切片打印出来后，根据实物效果，进行打磨、修正、再设计。由此可见，一个看似简单的书桌设计过程，其实聚合了观察、测量、数据处理、模型建构等诸多核心技能。龙源期刊网打印课程相较于传统的以手工制作为主要手段的科技课堂，无论从课堂效率、核心技能聚合，还是领域拓展等方面，都有先天优势。以竹蜻蜓的制作为例，从研究竹蜻蜓的结构开始到最后完成作品，3D打印课堂和传统课堂教学的特点对比如表所示（见上表）：从案例中，我们可以看到活动的目标都指向那些可以互融互通的核心技能，这些不同的技能能关联和拓展不同的学习内容，从而在技术上实现学习领域的跨越和突破，有利于学习者转向其他科技领域的学习，甚至影响学习者学习的思维方式。2.关注核心品质的内化和辐射3D打印要成为一门面向中小学学习者的创客类课程，必须关注到学习态度方面的核心品质。在《小玮的3D主题屋》一书中，每个单元的最后一页都特别设计了表格来评价学习者在核心品质方面的收获。这些品质包括：（1）良好的学习行为。3D打印是一个慢工出细活的活动，很多作品从设计到打印成型，往往要经历数个甚至几十个小时的努力。在这个过程中，是否能保持持续的制作热情，遇到问题时是否能够不急不躁，并有足够的耐心去寻求解决方案，是学习者面临的挑战，这个过程有助于儿童内化形成良好的学习行为。（2）乐于合作与分享。作品制作中，需要多人进行合作完成一个主题屋的搭建，有负责涂装的，有负责物品上色的，有负责窗帘设计的，还有负责微型书本制作的，等等。这个过程需要大家分工协作，所以能否接受别人的批评意见，进而反思、调整自己的设计，是否愿意沟通交流，综合考虑小组各成员的意见，形成集体的观点，分享彼此的想法就变得很重要了。（3）创新的主观意愿。创客精神在3D打印活动中表现得淋漓尽致，学生可以学会大胆质疑，从不同视角提出设计思路，采用新方法、利用新材料，完善充实自己的设计与制作，对创新保持强烈的兴趣。二、3D打印课程的设计思路1.明确课程主线以《小玮的3D主题屋》为例，课程的基本目标是利用3D打印技术和一些装饰性辅材，设计制作一个微缩房间模型，这个模型里有家具、摆件，甚至还有墙面装潢。每个单元的学习都可以拟定一个主题，比如第一单元主要是熟悉3D软件的基本操作使用；第二单元是设计房间内最重要的家具——桌子；第三单元是学习制作一个重要摆件——竹蜻蜓；第四单元是利用3D扫描仪把自己的头像扫描出来，从而把自己的形象纳入主题屋的设计中；第五单元是整个课程的收尾部分，关注主题屋的整体装饰搭配和摆件设计，最终制作完成一个个性化的微缩房间模型作品。每个单元都有新技能的学习和使用，使得3D建模的学习过程变得有血有肉，不再枯燥，在实现课程基本目标的过程中，学生自然而然地习得3D建模的各项技能。龙源期刊网课程的主线内容可以不拘一格，比如把微缩房间模型的设计改为“微缩游乐场”“微缩餐厅”“微缩教室”等，同样可以生成一些有意思的课程。所以，课程主线的意义可以理解为让3D建模各项技能的习得过程变得系统化、条理化、趣味化。2.模块化课时框架3D打印课程的设计要顺应学习者的思维习惯。面对一个新问题，应当思考如何寻找一个合适的切入点，让问题的提出变得情境化，从而引发学习者的探索欲、好奇心，进而思考解决这些问题要统筹考虑哪些方面的因素，比如需要哪些技能准备、相关的背景常识等。对问题进行充分了解后，就可以动手进行设计建模或制作了。在这个过程中，课程的作用在于，既要指导学习者的学习过程，又不能面面俱到，要给学习者留下思考的空间、发挥的余地。设计完成后，打印出作品，进行适当的打磨加工，本节课的问题就算解决了。当然，如果作品不符合预期效果，则要思考问题出在哪里，应该如何改进。值得注意的是，课程设计应当拓展学习者的视野，发散学习者的思维，对学习者未来可能的思考和研究方向给予合理建议。为了便于评估学习效果，应当引导学习者进行自我反思，评价环节也应该出现在课程的特定区域。在《小玮的3D主题屋》一书中，每个课时都基本围绕“情景与任务”“调查与研究”“设计与建模”“制作与加工”“拓展与应用”5个方面进行内容设计，在每一章节的末尾，还会根据本节内容设计，包括学生自评、教师评价在内的教学评价。经过模块化后的课时框架设计，便于学习者掌握课程线索，培养思维习惯。3.合理的图文结构合理的图文结构编排是课程编写者必须提前考虑好的。面向年龄小的学习者，更应该加强图文结构的设计，可视化地呈现内容。可视化可以从以下几个方面来理解：（1）简洁的文字课程的文字可以分为两个部分：正文和辅文。正文主要呈现课时的核心内容，例如标题类的、定义类的、引导类的、总结类的等。辅文则是呈现正文不方便呈现的内容，例如提示类的、资料类的、拓展类的等。不论是正文还是辅文，都应该描述精准、具象，表达精炼、书面化。在《小玮的3D主题屋》一书中，编写者甚至特别规定，只要是卡通人物的提示类文字，总数不能超过20个字。（2）直观的图形在《小玮的3D主题屋》一书中，使用了诸如卡通图、实物图、示意图、操作图、记录图等多种图形来增强教材的易读性。如卡通图，一是为了增加课程的可读性、趣味性，更重要的是引导阅读者关注重点、难点和易忽略点。示意图的插入使用，也遵循“能在图中文字标示，绝不在图外文字注明”的原则，以方便阅读者把握要点。当然，图形的使用也要适度，放什么图，放多少图，图放哪里，都要仔细斟酌，统筹考虑图形的必要性、清晰度、版面等因素。龙源期刊网（3）功能性表格当涉及数据的收集、计划的拟定、分工的安排、评价的呈现等内容时，使用恰当的表格可以让内容更有条理，有的表格也是学习者记录学习过程的载体。（4）适当留白教材上在需要学习者进行写写画画的环节，必须留下足够的空白区域，以便学习者添加内容。此外，合适的行间距、图片与文字之间的距离，都属于留白区，需要编写者提前考虑，它们将直接影响最后的版面编辑效果和读者的阅读体验。总的来说，能关注与创新和创造相关联的各种核心技能和品质的培养，有一个明确的主题和课程脉络，并以模块化的课时框架进行梳理，配以合理的图文结构，就基本符合一个结构化3D打印好课程的标准了。广东省深圳市龙岗区外国语学校（518114）