三维打印，课堂不止步于“打印”

杨晓哲

学生学习三维打印技术是一个循序渐进的过程。从掌握基本操作技术到应用拓展，都需要学习者不断挑战自己。许多学校开设的三维打印课程从课程体系上是螺旋式上升的，在应用层面上又是分类延伸的，很好地激发了学生创新的想法和创造的实现。下面以几个不同学校的实践案例，来呈现多样化的教学过程，让我们一起感知学生在学习过程中不一样的收获，以及不同案例中精巧的教学设计。以下案例分别来自北京市朝阳实验小学、上海市世界外国语小学和上海市和田路小学。

发现生活，创造物品

北京市朝阳实验小学的三维打印课程面向感兴趣的学生开设，注重设计的灵感来自生活，学习的技术运用于生活。通过一个阶段的学习，学生们已经掌握了如何利用三维建模软件的基本工具，创建出具体的三维模型，并知道如何使用三维打印机将自己设计的模型打印出实体的物件。而后，学生们需要更好地提升自己的三维建模能力，能够更加自然流畅地完成设计。

教师首先设置了这样一个专题——重新设计花瓶。学生先尝试设计了一些基本花瓶的形状。而后，教师引导学生寻找和发现外形别致的花瓶。于是学生们在课下查阅了很多资料，发现花瓶的样式实在是太多了，瓶口有宽有窄，瓶颈有长有短。学生们还了解到传统花瓶的不同形状是为了配合插各种各样的花，同时还发现设计花瓶的样子是由画线稿决定的，所以要把线稿画得流畅平滑一些，线条的变化要丰富一些。通过寻找资料，根据找到的图片进行加工，学生们都觉得比之前做的作品好看多了，都想着等作品打印出来回家买些花试着插一下，看看不同的花瓶适合插什么样的花（如图1）。

通过这样的课程，学生能够把自己脑海里的想象与设计变成实现，可以做出以前有想法但是很难做出的实物，也能够很好地理解各种各样的立体造型。

观察校园，三维立体

上海市世界外国语小学面向四年级的学生开设三维打印选修课。首先，教师抛出这样一个课题：试着画出校园的三维模型图，然后根据自己的想法给出改造方案。虽然学生们身处校园之中已有四年的时间，对朝夕相处的校园环境已经非常熟悉，但是让学生们自己尝试去构建整个校园的三维立体图却会有不少的挑战。平日里看到的墙壁、走廊、过道、楼梯和窗户等，这些事物的比例如何、位置如何、又构成什么样的空间关系等都值得细细揣摩，凭借脑海里的模糊印象很难直接画出三维模型图。因此，学生们开始分小组度量每一栋楼房、每一间教室的长宽高，开始认真关注花圃嵌套在楼道里的具体位置，仔细地度量建筑物中那些拐弯的角落。通过一次次的小组讨论和尝试，学生们找到了一些比较准确的比例关系，发现了一些既定的结构规律。通过2～3周的小组合作设计，大多数小组完成了校园三维立体图的设计。

而后，开始征求意见，着手改造校园的三维模型图。有的成员认为，操场应该更大一些，便于在上体育课的时候分组进行比赛活动；体育馆可以设计得更有张力一些，让大家更有想去的渴望；教室窗户可以更多一些，这样在教室里能感受到更多的阳光。这些不一样的想法有理有据，得到小组认同的想法开始进入校园的整体修改方案。学生们重新设计了校园的三维模型。这个活动的意义在于有助于学生们在合作中把握三维建模中事物的空间结构，并借助了学生们触手可及的校园让其能够不断思考验证，有助于模型的不断完善。

科学探究，体验原理

上海市世界外国语小学的三维打印课程设计在不断探究中逐步深入到以三维打印作为工具与科学研究相互结合。教师发现学生们在学习科学原理公式的时候，常常会停留在符号层面上。而真正在实践探究中运用到公式原理的机会又非常少。因而，三维打印技术与科学探究结合能够很好地帮助学生们深入科学探究的过程，更多地参与体验与设计。教师抛出设计小船承载的专题，先通过简短的介绍，向学生们介绍各种各样的船体结构，包括小舟、木船、海盗船、战舰、潜艇、航空母舰等。学生们通过不同的船体结构和功能特征初步研究它们之间的关系。而后，教师提出挑战性题目，要求学生们在一定材料额度限制的条件下进行船体模型的设计，设计好后需要放在水槽中用一角钱的硬币进行称重测验，看哪个小组承载的重量最多。

学生们的设计往往超出教师的设想。在课堂上，教师欣喜地发现了学生不一样的设计。第一组设计的船体样子有点像飞镖，但是学生解释是一个徽章般的船。这艘船能够承载3个一角钱的硬币。虽然看上去很漂亮也很特别，但是这艘船并没有很好的承载能力（如图2）。

第二组的船更加特别，这组同学通过多次设计，发现如果只是设计成一个正方体或圆柱体，容易在放硬币的时候翻船。所以，这组学生的改进方案特别注重了船体平衡方面的设计，将船体放置硬币的地方设计成5个小圆柱，这样这艘船就具备了比较好的平衡性（如图3）。第二组的方案在实际检验中能够承载15个一角钱的硬币。

第三组的设计更像一艘连体船，船壁很高，连接的部分为空心串联，这艘船在设计过程中充分地运用了阿基米德的浮力原理，具备更大的体积，能够有更大的排水量。并且船体通过连体的设计也让放置硬币的过程中容易保持重心的平衡。这样的设计在实际检验中能够承载35枚一角钱的硬币（如图4）。

这就是三维打印与学科探究的相互结合，能够让学生在创作中设计，在设计中摸索并运用科学原理。学生获得更大成就感的同时，也加深了对科学原理本身的理解与应用。

艺术人文，立体画卷

上海市和田路小学面向全体三、四年级的学生开设三维打印课程。三维打印技术能够让学生们的更大胆的想象与艺术创造得到充分地展现。这一节课中，教师先通过三维设计软件SketchUP画出一个圆形，然后问学生：“你们能够想到生活中哪些最具有圆形立体感的事物吗？”“大饼、乒乓球、篮球。”接着教师又画了一个三角形。“你们能够想到生活中哪些最具有三角形立体感的事物吗？”“埃及金字塔”“帽子”“锥子”紧接着，教师又抛出了另一个问题：你们可以想到哪些物体是由三角形和圆形组成的？学生们继续争先恐后地回答：“圆筒冰淇淋。”“风车。”“太阳从山上落下。”各式各样的想法层出不穷。这个时候，教师说道：“现在请大家把想象的事物构建出来，画出虚拟的三维模型。”没过多久，学生们就将自己想象的场景的三维模型构建了出来。

有了这样的简短启发后，学生们开始用雕塑、立体画等不一样的艺术表现方式进行创造（如图5）。每一个不一样的设计背后，都彰显着新工具带来的新艺术形态，更凸显着学生们不受已有条条框框的束缚，大胆地创造着不一样的艺术感受。

组件设计，实现功能

上海市和田路小学的学生们在生活中发现很多实物都是通过结构的组合实现一定的功能。例如，茶壶通过壶嘴、壶盖、壶柄的组合实现了茶壶的一些基本功能。又如，桌子通过桌面、桌脚的组合实现基本功能。如图6所示，学生们设计出来的安全剪通过双面斜度的设计和中间旋钮的组合实现了其它的基本功能。学生开始尝试通过多个组件的组合达成物体的功能。从设计单个形状的三维物体到涉及多个形状物体的衔接与拼合，挑战学生们在设计过程中的精准性以及对于物体真实功能的准确把握。通过组件设计的活动，学生们进一步提升了三维打印技术，也更清楚地感知到实际上已经有非常多的事物，他们都可以通过三维打印设计完成，并可以通过修改组件，达到不一样的功能。