明明白白看懂3D打印

杨晓哲

在全球经济飞速发展的今天，人们所面临的挑战越来越多，学生需要学习的技能和20年前相比已经大不相同了。而从传统教育走来的教师，面对新时代的学生，其间的差异和挑战可想而知。当我们预感到越来越多的新技术将成为未来的关键技术时，能否让学生去接触，能否引导学生更深入地探索，直接决定了学生创新能力的强弱。如果学生们能够在小时候就接触新技术，并用来深入地探索生活中的问题，甚至是对科学与艺术领域有了新的学习切入口，那么，每一位学生都将成为一个有创造力的人。要知道，比尔·盖茨小时候曾接触了当时世界上仅有的几台计算机，这对比尔·盖茨的一生产生了至关重要的影响。

3D打印技术就是这些新兴技术中的一项。《经济学人》杂志认为3D打印技术将成为第三次工业革命的关键性技术，将改变大规模生产的方式。3D打印技术即快速成型技术的一种，它是以一种数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通常通过逐层打印的方式来构造物体的技术。快速成型技术是20世纪80年代发展起来的一种制造新技术。3D打印机能够实现从计算机的软件设计虚拟三维模型到打印出实物的功能，具有打印精度高、易用性、个性化等特点。3D打印机所采用的材料基本是一些可以发生固化反应的材料。如今，可以用作3D打印材料的原材料更加多样化，包括陶瓷、金属、树脂、塑料、高纤维等，甚至包括人体细胞培养液。3D打印机的种类丰富，根据目前的应用可分为两大类：一类是粉剂3D打印机，另一类是喷塑3D打印机。

粉剂3D打印机是通过使用粉剂材料和添加剂来创建对象的连续层，并以叠加工艺的方式，一层一层地构建实体。每一层的打印过程均分为两步：先在需要成型的区域喷洒一层特殊胶水，胶水液滴本身不大，且不易扩散；然后喷洒一层均匀的粉末，粉末遇到胶水后会迅速固化黏结，而没有胶水的区域仍保持松散状态。这样在一层胶水一层粉末的交替下，打印成型。打印结束后只需扫除松散的粉末即可得到模型，而剩余粉末还可以循环利用。

喷塑3D打印机的工作原理采取逐层累积的方式。这种方式类似于制作奶油蛋糕的方式，逐步累加上来。但是，3D打印机需要预先知道如何进行累加，累加成什么样子。首先，需要在计算机上设计三维模型。而后，将三维模型的数据传送到3D打印机，打印机将液态材料传送至打印头，利用打印头在一个托盘上喷出超薄的液体层，并经过紫外线照射进而凝固。

3D打印运用于教育教学中有多种方式。随着近几年3D打印技术的成熟，以及教育工作者的参与，国内已经有非常多的学校将3D打印技术纳入到自己的课程体系中，或是出现在不同课程中作为工具使用。有的学校采取独立开设3D打印设计的校本课程，供感兴趣的学生选修学习。课程重点基本是掌握桌面级3D打印技术，并在生活中发现问题，用3D打印技术改造事物。也有的学校将课程重点放在了3D打印技术与各个学科的紧密结合上，开发出了不同的3D打印专题领域，包括艺术类、工程类、科学类等。还有的学校甚至将3D打印课程设置为全年级必修课，给全体学生更多接触3D打印技术、运用3D打印技术的机会。

无论以何种方式开展课程，3D打印课程对于学生来说重点培养的是他们在四方面的能力：空间思维能力、工程改造能力、科学探究能力和艺术表达能力。这四方面的能力并非3D打印课程必须涵盖的，而是需要在课程深入实施过程中根据学生不同个性与需求去不断激发的。

空间思维能力。学生在初步接触三维软件建模过程中，需要不断尝试、试错、验证并寻找空间规律。空间立体思维是建立在真实三维的场景中的，但是在创建过程中还需要综合考虑平面透视原理。学生需要巧妙地运用各种切割、推拉、延展、分段、旋转、跟踪轨迹等工具的，创建不同的三维模型。学生对点线面有了更进一步的认识之后，对空间中点线面的关系才会有更多可操作性的体会。

工程改造能力。3D打印技术可以打印出各种各样的物件，但是大部分物件需要符合最基本的工程力学原理、工程结构原理等。通过对不同难度的物件创造，学生们能在动手实践与模型设计修复中不断提升自己的工程改造能力。

科学探究能力。学生们可以将科学原理运用于具体的科学探究活动中，借助3D打印技术能够更加深入地实现不同场景的验证过程。学生们通过设计模型投入实验场景，根据实验场景反馈数据改进设计方案，再到具体的实验场景。3D打印技术让过去很多只能停留于纸面的公式验算，变成了可以“看得见，摸得着”的具体验证。基于设计的科学探究有了进一步的发展。

艺术表达能力。3D打印作为一种工具，同样可以延伸为一种艺术表达工具。学生可以根据自己的喜好，将3D打印作为一种新的艺术表达形式，创作出更多样化的作品。

总之，3D打印技术是一门新兴的技术，其技术本身还远没有定型。3D打印技术运用于教育也是如此，在不确定中寻找其教育与学习的意义。从技术本身来说，学习3D打印技术有助于学生们空间思维能力的增强。而从更广泛的跨学科项目角度延伸出去，又有助于培养学生的工程改造能力、科学探究能力和艺术表达能力。或许在这样一个快速发展的时代，教师和学生一起拥抱新技术，一起寻得新的意义本身就是一个非常有价值又让人充满幸福的教育过程。