基于3D打印笔的小学创意课程实践研究

（惠州市三栋镇中心小学，广东惠州516025）

基于3D打印笔的小学创意课程实践研究

☆曾冕

（惠州市三栋镇中心小学，广东惠州516025）

将传统3D打印机直接应用于小学教育教学中存在着成本高、使用困难、便携性差等问题，为了解决上述难题，笔者尝试在小学创意课程中引入3D打印笔展开教学。本文分析了3D打印笔的技术特点，探讨引入3D打印笔后小学创意课程的教学目标、内容设置、效果评价等问题，并开展了相应的教学实践。实践表明，合理运用3D打印笔能将小学教育中的数学、信息技术、科学、美术等学科课程内容有机地结合起来，可显著提升学生的空间想象能力，丰富小学课堂的教学形式，充分发挥出3D打印技术的教育价值，有利于学生创造思维的培养。

3D打印笔；创意课程；小学教育

一、引言

近年来，3D打印技术作为一种新型的快速成型技术，被誉为“第三次工业革命的重要生产工具”。3D打印技术在工业界取得巨大成功的同时，也逐步进入教育领域，受到国内外教育工作者的重视。新媒体联盟（New Media Consortium，NMC）在2013年的《地平线报告（基础教育版）》中首次将3D打印技术列为教育领域未来普及发展的对象，2014年《地平线报告》更是将3D打印技术列为在教育领域优先关注的目标。3D打印技术可培养学生的创造性思维、使学生跨越了想象—虚拟—实体三者之间的鸿沟，是开展创新学习的重要技术手段。目前国内外众多教育机构已经尝试将3D打印技术应用于教育领域，并开展相应的课堂教学实践，在国内有的学校甚至开展了3D打印教学比赛。3D打印技术应用到基础教育领域中的趋势已势不可挡。

传统的3D打印技术，需要先构建三维数字模型，再利用专门的3D打印机中的粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式构造出实物造型。目前，国内教育机构通常是将传统的3D打印机进行较为简单的适应性改造，并将其应用于基础教育领域的教学。但是，传统3D打印技术直接应用于基础教育领域，特别是小学教育领域，也存在着不少缺点。如构造三维数字模型的软件较为复杂，过程繁琐，小学生通常难以在短时间内掌握；传统3D打印机的打印速度较慢，三维造型的打印非常耗时，小学生往往缺乏耐心。此外，传统3D打印机一旦开始打印，模型就无法修改，灵活性差，价格较为昂贵，维护也较为困难。

近一两年来，市场上出现了一种小巧便携的3D打印笔，其外形犹如一支大号钢笔，特殊的耗材经过3D打印笔后可以迅速成型，在三维空间依次分层涂抹即可生成三维物体。3D打印笔克服了传统3D打印机成本高、使用困难、便携性差等缺点，能高效、便捷地构造出立体模型，供学生涂鸦出个性的三维模型，有利于培养学生的空间想象能力。借助3D打印笔可将小学教育中的数学、信息技术、科学、美术等学科课程内容有机地结合起来，丰富小学课堂的教学形式，充分发挥出3D打印技术的教育价值。本文尝试将3D打印笔应用于在小学创意课程中，在分析3D打印笔技术特点的基础上，通过教学实践探讨课程的教学组织形式、内容设置、效果评价等问题。

二、3D打印笔及其特点

根据成型材料的类别，3D打印笔可分为两种：光感材料型和热融材料型。光感材料型3D打印笔使用液态的感光树脂，该类型感光树脂加压后可从打印笔存储容器中挤出，挤出时为半固态软膏状，塑形后可用特定光源照射（如特定波长的UV光源），感光树脂即可固化。热熔材料型3D打印笔使用的是热挤出级树脂，近年来经过改良后的打印笔常使用聚乳酸（PLA）作为热成型材料。热挤出级树脂经过3D打印笔的加热部件热融后，通过挤出头形成细丝，经过空气的冷却固化成稳定的状态。由于光感材料通常有一定毒性、不容易降解、价格较高，因此近年来光感材料型3D打印笔已逐渐退出儿童教育市场。相对地，热融材料聚乳酸（PLA）使用的原料是可再生植物资源（如玉米）所提取的淀粉，经由糖化、发酵以及化学合成制得，具有良好的生物可降解性，使用后能被自然界中的微生物完全降解，最终生成二氧化碳和水，不污染环境，并且其热融温度低，成型快，价格低廉，因此热融型3D打印笔得到了迅速的普及，成为市场的主流。本文的研究与教学实践也主要基于热融型3D打印笔。

热融型3D打印笔将3D打印机的喷头做成独立装置，使其能够喷出PLA材料，这种材料接触空气后会立即冷却成型，使用者可于3D空间中直接描绘出3D造型或3D图案。通常热融型3D打印笔主要由隔热外壳、挤出头（负责将打印材料挤出）、控制马达（控制出料速度）和加热与温控（负责将融化并控制温度范围）组成，它的结构和我们日常使用的热胶枪非常类似，如图1所示。（说明：图1（A）为热融型3D打印笔外观。图1（B）为热融型3D打印笔内部结构，其中各标号分别代表：1出料嘴，2进料口，3进料管，4发热芯，6隔热硅胶，7通风口，9主动轮，10从动轮，12进料按钮，15外壳，16中空体。）

图1 热融型3D打印笔外观与内部结构

三、小学创意课程设计

美国教育学家戴尔提出的“经验之塔”理论认为教学活动应从学生的具体经验入手，逐步进入抽象经验。小学生认识抽象事物的能力不足，而创意的产生是一个由抽象到具体、由虚拟到现实的实现过程。运用3D打印笔可以让小学生在认知具体模型中提升空间思维与创造思维能力，变抽象为具体，从而使学习活动更加高效。此外，为激发小学生探索新知的兴趣，培养其分析、解决问题的能力，小学创意课程宜采用主题教学或者项目教学的方式展开；为培养小学生的沟通协调能力、群体意识，小学创意课程宜采取小组合作的形式进行。3D打印笔的引入，恰如一道粘合剂，将小学创意课程的各项要求全部有机地组合到了一起。2015年开始，惠城区三栋镇中心小学就运用3D打印笔开展了小学创意课程的教学实践，由科学、信息技术、美术教师共同开发了这门面向我校高年级学生的兴趣课程。

1.课程目标

小学创意课程旨在让小学生通过亲自动手操作3D打印笔构造各种三维造型，连通虚拟世界与实体世界，从而促进学生空间想象能力的提升，培养学生的设计思维和创新思维，激发小学生的创造力和想象力。

具体的课程目标有：（1）让学生了解3D打印技术的基本原理，并熟练掌握3D打印笔的使用方法；（2）通过绘画、动画创作、实验设计等活动系统地训练学生，使学生能熟练掌握3D打印笔的建模技巧，自主创作简单的三维模型；（3）激发小学生的学习兴趣，培养创造思维，着力培养学生分析、解决实际问题的能力，使其自行设计的3D作品具有一定的实用价值。

2.实施策略

在教学过程中主要采取以下策略。

第一，创设教学情境，提高学习动机。运用3D打印笔建模并生成特定造型需要细心与耐心，学习过程相对较为枯燥。因此在教学过程中教师可利用学生熟悉而又感兴趣的图案和造型，并从他们的学习经验、知识结构出发，适时创设具有趣味性、探索性、延伸性的教学情境，激发学生的学习意识和创作欲望。

第二，任务驱动，自主协作学习。运用3D打印笔进行创意教学可采用任务驱动的方式展开，学生按照任务自主形成学习小组，围绕任务展开搜索、调查、设计、建模、修正等探索活动，通过学生自主发现问题，以及学生之间的讨论、交流等活动培养学生的集体意识。教师也应及时观察学生的学习情况，给予必要的监督、指导和支持。

3.教学内容

小学创意课程设计了三个主题任务，如表1所示。通过对这三个主题任务进行实践，使学生充分感受3D打印给生活、学习带来的好处，逐步学会跨越想象与现实之间的鸿沟，最终实现多学科知识的融会贯通。

表1 基于3D打印笔的小学创意课程主题任务

（1）乌鸦喝水。从小学语文课文“乌鸦喝水”的片段出发：一只乌鸦飞了很久，口渴了，它在低空盘旋着找水喝。找了很久，才发现不远处有一个水瓶。可是，水瓶里水太少了，瓶口又小，瓶颈又长，乌鸦的嘴无论如何也够不着水。这可怎么办呢？课堂由此开始，学生需要做的就是以小组为单位设计一个剧本使得乌鸦最终能喝到水。剧本中涉及别的道具如乌鸦、石头和水瓶均是在教师的指导下，由学生通过3D打印笔构造而成的。特别是构造水瓶，可用透明材质的PLA来堆叠打印，既不能漏水又不能堆叠得太厚，能观察到瓶中的水位，对学生提出了较高的要求，有助于培养学生的团队意识。打印完成后，学生可以利用自己设计、打印的道具，结合“定格动画工作室”软件，将之前设计好的纸质剧本拍摄成定格动画，供师生进行交流、展示与共享。

（2）搭建长城。该主题任务以学生构建长城为例进行教学，教师在教授学生中国历史知识的同时，让学生构造并搭建一个长城模型，使学生了解如何从平面构建搭建立体实物的建模方法。首先，教师展示我国长城的照片与实物模型，向学生讲解长城的历史与作用，并进一步讲授长城的构造及其功能。然后，教师布置任务让学生用3D打印笔构造出一段长城模型。这期间，要注重引导学生思考如何才能用最少的材料、最快的方法构造出一个立体模型。教师提示可从构造平面部件开始，再通过平面部件进一步生成立体的长城模型。最后，学生以小组为单位开展长城模型构造比赛，比一比哪个组用的材料最省、搭建最快、结构最牢固。本案例中，学生在运用3D打印笔的同时学习了相关历史建筑知识，不仅高效达成了各学科的学习目标，还感受到了不同学科知识之间的相通、相融性，并进一步增强了民族自豪感。

（3）定量盐勺。世界卫生组织建议人类控制食盐的摄入量以减少高血压疾病的发生。国人烹饪时过度地追求色香味，往往在菜肴中添加了过量的食盐，加大了患高血压等疾病的可能。为了控制食盐，本创意课程主导学生设计并实现一种在烹饪中控制放盐量的实用生活用具——定量盐勺，要求学生自行设计并实现一整套的定量盐勺，使用这套盐勺可以非常方便地舀出所需重量的盐。首先，教师引导学生什么样的数字组合最容易舀出定量的盐。然后，教师提供电子天平，并进一步引导学生通过实验的方法来确定盐勺勺杯的大小。最后，学生在教师的指导下通过自主协作的方式用3D打印笔对盐勺进行建模打印，并最终形成个性化的盐勺作品。盐勺可以带回家里送给爸爸、妈妈，通过这种方式将控盐的知识进行宣传普及。通过该主题的学习，学生既学习了知识，又丰富了情感，有助于发展他们的多元智力。

四、课程实施成效

基于3D打印笔的小学创意课程实践提高了学生的动手能力、想象力和协调沟通能力。参与学习的学生表现优异，特别是在要求他们发挥想象力的环节上，学生能够大胆地去尝试各种新想法，并能通过动手将这些想法变成为实物，有效提升了他们的创新思维和创造能力。

为了进一步验证新型教学法对学生想象力提高的效果，笔者对参加教学实验的学生进行想象力测试。实验对象为广东省惠州市某小学五年级学生，实验前对这些学生进行空间想象力测试，测试内容详见测试题库（http://wenku.baidu.com/link?url=cjJDzxaUNqeOg1ueT544 a_yMZCxWCouhD43JqK8JYhaZ0fpM3XQapVubOkVb_zZH fUebBqTsyg0cpWCIto6CqJtV5CD4KISSBj65rt0IUwC）。选取40名测试成绩较为接近的学生构成被试。将40名学生分成两组，选取其中20人组成实验组，标记为甲组，进行上述的小学创意课程学习；另外20人组成对照组，标记为乙组，进行通常的绘画兴趣课程学习。教学活动结束后再进行类似的空间想象力测试。测试的结果如表2所示。

表2 甲、乙组学生空间想象能力测试结果统计表

结果表明：甲组学生学习兴趣得分平均值为91.23，乙组平均值为70.88，甲组平均得分高于乙组近21分。甲乙组进行t检验，结果显示在空间想象能力方面甲乙组学生有十分显著的差异（P=0.002＜0.01）。可见，实验组的学生空间想象能力得到了显著提高。

五、结束语

合理运用3D打印笔能将小学教育中的数学、信息技术、科学、美术等学科课程内容有机地结合起来，显著地提升了学生的空间想象能力，丰富小学课堂的教学形式，充分发挥出3D打印技术的教育价值，有利于学生创造性思维的培养。当然，现有的3D打印笔仍然存在缺点，如进料不顺畅，容易堵喷头，喷头容易过热引发烫伤事故等，需要教育工作者在使用时格外留意。此外，现有的小学创意课程内容仍不够丰富，今后需努力增加并完善教学内容。

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1671-7503（2016）23-0050-03

庄丰源]