基于3D打印技术的青少年创新技能培养与提升研究初探

林颖

摘 要：本文首先阐释了创新能力的概念、创新能力三要素之间的关系，揭示了青少年创新技能培养和提升的重要性。接着在分析3D打印技术原理与特点的基础上，结合教学及生活中的实际，探讨3D打印技术在提升青少年创新技能上起到的作用。对基于该技术的青少年创新技能实践及应用进行了说明。

关键词：3D 打印;创新技能;物化能力

国务院颁布的《“十三五”国家科技创新规划》中要求，以增强科学兴趣、创新意识和学习实践能力为主，完善基础教育阶段的科学教育;要加强青少年时期的科技创新教育，提升青少年科学素质。青少年的科技创新能力在核心素养中也是占有重要地位的，北京教育科学研究院副院长、北京师范大学博士生导师褚宏启教授在2017年7月就曾提出“创新能力也被视为核心素养宝塔顶端的明珠，如何培养学生的创新能力，将成为教育改革中的重中之重。”

目前，在培养和提升青少年创新能力方面我们已经有了一些好的经验，但在过程中也发现了不少问题。其中就包括青少年的创新技能整体上还较薄弱，创新成果的表达和表现能力有限，并且缺乏好的手段、工具来物化自己的创新思维。这使得好多学生的创新想法都无法得到更深层次的转化。那么，如何才能将青少年的创新意识，转化成一种技能，且主动有效地运用到解决实际问题中来，从而使其思维可见、让其创意有形呢？这是现今创新教育发展中的一个值得研究的问题。

1 什么是创新能力

创新能力是技术和各种实践活动领域中不断提供具有经济价值、社会价值、生态价值的新思想、新理论、新方法和新发明的能力。它涉及批判性思维，包括问题解决能力、理性思维等，甚至信息素养、合作交流能力以及自主发展能力也囊括在内。创新能力具有很强的综合性，是涵盖多方面能力的核心素养。

陶行知先生在1919年第一次将“创造”引入到教育的领域，他认为培养学生的创新能力对民族的兴旺和国家富强都有着极其重要的作用，在《第一流教育家》一文中他提出了要培养具有创造精神和开辟精神的人才。创新能力也是学生发展核心素养的核心价值体现，应当着力培养，这与提升一个国家的国际竞争能力密切相关，也是有理性有思维的人的本质体现。

2 创新能力的三要素

创新能力由创新意识、创新思维、创新技能三大要素构成。在这三大要素的相互联系和促进下，构成了人的整体创新能力。

在这三者中创新意识是创新能力的原动力，如果没有创新意识，其他能力再强也无法得到发挥。它是创造新的思想、新的东西的愿景，是不可缺少的;创新能力的实质内容是创新思维，既是一种思想原型用来产生创新产品，也是一种行动指南得以实现创新技能;倘若要将创新思维成果化，创新技能是必不可少的，它是在创新意识的引领下，一种物化的手段和技能。

创新能力的三要素是一个统一体，必须相辅相成。假如把创新能力比作一个嵌套的球体，其三要素之间的关系由于各自的作用和地位不同，就处于这个球体的不同位置。最内层的是作为内在能源的创新意识，处于中间层的是创新思维，它是创新能力的实质内容，最外层的是创新能力的外壳创新技能，具有最直接的表现作用。缺少了任何一个要素，创新能力都是不完整的，会使其大打折扣，甚至根本得不到发挥。

3 青少年创新技能培养和提升的重要性

创新技能属于创新性活动的工作机制，它的形成受到创新智能的控制和约束。创新技能是一种反映创新主体行为技巧的动作能力，主要包括创新成果的表达能力和表现能力、物化能力等，是创新主体掌握和应用创新技法的能力。

创新的过程和成果具有和以往不同的新形式、新内容，要形象、具体、本质地描述和表达出来，就需要具备创新成果的表达能力和表现能力。想要表达清楚事物的特殊本质属性，往往需要有与之相适应的表达形式与手段。那些隐性或难以感觉的创新成果常常要用更形象的方式来表达，如卢瑟福的原子模型。值得一提的是，这些形式和手段都是根据创新成果表达的需要而不断发展的。

物化能力指的是将意念、方案转化为有形物品或对已有物品进行改进与优化的能力。努力把各种创意想法转变为现实产品与结构，这也是“创客”（Maker）概念的内涵。拥有物化能力，可以让每一个孩子都有机会把学到的知识与现实世界对接起来，能够通过知识的物化活动，享受创造与分享的乐趣。青少年物化能力的提高也有助于其知行合一，提升问题解决能力。

创新技能是创新能力的外壳，也是创新能力直接外在的表现。从能力的分类来看，创新技能属于可迁移技能，通过实践训练可以获得。目前，学生的物化能力总体来说显得较为薄弱，创新成果的表达和表现能力也有待加强。随着世界日新月异的变化，我们应该去研究探索一些新的途径，寻找一些新的手段，运用一些新的工具来帮助青少年物化自己的创新思维，引导他们更好的在创新的世界中遨游。

4 3D打印技术的特点

随着3D打印技术成熟发展给教育工作者在提升学生创新技能方面提供了更有效的解决方法。3D打印技术是一种“快速成型技术”（Rapid Prototype），依托于计算机数字模型文件，利用3D打印机通过逐层打印的方式將虚拟的3D模型进行“物化”。该技术能够直接从计算机图形数据中生成设计所需零件，区别于以往的减材制造加工方式，无须机械加工或开模，我们称其为“增材制造技术”。能够极大地缩短产品的研制周期，降低生产成本和提高生产率。如今，这一技术在多个领域得到了应用，我们可以用它来打印灯罩、珠宝，或者更加个性化的需求——根据脚型定制球鞋。这也使我们有理由相信，3D打印技术能成为提升青少年创新技能的新途径。

5 3D打印技术是培养和提升青少年创新技能的有效途径

3D打印技术的特点决定了增材制造这种方式在创新过程中起到了颠覆性的作用，可以帮助我们摆脱之前传统制造技术设置的枷锁，给创新设计带来更大的释放空间。该技术为创新技能的提升提供了支持，为学生在 “创新设计”与“快速制造”之间架起了一座新的桥梁。运用3D打印技术的新知识、新技术、新方法来培养青少年的创新能力，一方面能够让学生了解前沿技术，另一方面还能够成为他们创新实践的新方式，是提升青少年创新技能的有效途径。

运用该技术，能够直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件，采用三维的形式表现设计意图的手段。3D打印技术出现之前，创新思维局限于图纸，或仅停留在设计者的脑海中。以往，在进行创意构思时，首先将其设计构想体现在平面草图上，而学生的草图表达能力显得差强人意，这是由于大部分学生的绘画能力有限，并且利用二维平面作图来表达空间结构的能力不足所造成的。对于学生而言，发展空间思维最常用的方式就是让他们进行直观化的操作。而3D打印技术就可将学生的构思转变为真实， “可视化立体操作”的形式成为了学生能够直观的表达和表现创新成果的新手段。

借助3D打印技术，能够帮助学生将数字化的设计模型快速变成实物。可以实现“想象—虚拟—实体”三者之间的鸿沟跨越，也是创新思维物化成型的过程。这一过程包括了理论知识的迁移，也是手脑并用的过程。并且由于3D打印材料环保可降解，对人体无害，加之主要使用的工具设施是计算机和3D打印机，作为物化的一种手段和工具，在操作上安全性也得到了保障。

6 3D打印技术培养和提升青少年创新技能的应用及实践

“经验之塔”理论是美国视听教育专家戴尔在《教学中的视听方法》一书中提出的，它是日后试听法教学的主要理论依据，该理论融合了杜威的教育理论和相关心理学观点。“经验之塔”理论将学习经验分为三大类：做的经验、观察的经验和抽象的经验。3D打印的三维数字化设计教学活动就是从设计的经验着手，逐步在做的过程中去观察。学生通过三维数字化设计，到3D打印物化成品，在这一过程中，锻炼了创新成果的表达能力和表现能力、物化能力，并且能够从感性认识过渡到理性认识。

下面介绍三个3D打印教学实践案例，分别从知识型应用、实践型应用、研究型应用角度出发，通过项目式、场景化学习的方式，训练学生的图样表达、创新设计、物化能力等方面的创新技能，帮助其提升技术意识和工程思维。

6.1 孔明锁

小学四、五年级是学生建立空间立体概念的关键时期。孔明锁的3D建模学习正是这样一个挑战空间想象力的任务。在实际的教学中，学生需要观察模块、测量和绘制，通过尺寸数据的计算，从原理上对孔明锁增加理解，能够对孔明锁的立体图形有更加直观的认识。通过孔明锁3D打印的学习，不仅仅学习了原型图的绘制，也经历了从具体到抽象再到具体的过程。借助绘制三视图，可以培养学生的几何直观能力和空间想象力，见图1。

6.2 U盘笔

U盘笔是对参加创意设计活动的学生进行的一个3D打印实践项目，对学生的3D建模能力是一个极大的挑战，这款圣诞树U盘笔是五年级学生的创新作品，获得了2017年上海市创客新星大赛的二等奖。它的外形是一棵圣诞树，由圣诞树笔筒、U盘笔和五角星形树顶u盘盖三部分组成。U盘笔由上笔体和下笔体组成，上笔体的U盘呈扁平状。放在书桌上既是个小摆设，使用时可方便地卸下当做U盘的电子产品，整体协调美观。在3D建模的时候，按照先整体再局部，通过外形轮廓的绘制旋转得到实体，再逐渐增加绘制难度，考虑作品结构细节、尺寸的设置，分部件完成3D建模。在实际的操作过程中，学生还要独立解决尺寸丈量、等比例缩放等相关知识的学习和操作。最后，将模型打印出来组合装配。项目实施过程使学生理论联系实际，能够帮助他们提高了创新设计和物化的能力，见图2。

6.3 野外智能净水精灵

净水精灵是五年级学生的一个科技创新作品，主要针对野外旅游提高饮用水安全问题进行的研究。具体开发内容是一个可以对水质进行简单过滤，并可对水质实现在线检测的水杯。

运用3D打印技术，学生设计了杯体，包括杯盖，过滤体和盛水体等，其中过滤体主要用于盛放活性炭等过滤物质的，实现对水质的过滤。同时利用3D打印技术制造出产品模型，如图所示，其中杯盖和盛水体如常规水杯，过滤体主要用于盛放活性炭等。在设计的过程中设计了多个方案的比较，通过不断的迭代修改，最后建模完成。

这个项目以问题为导向，探索解决方案，并且形成了一定的创新成果。虽然在作品的科学性、成熟度和有效性性上还需要更多的思考，但正是因为有了3D打印技术，已经能够让五年级学生的研究课题落地了。通过对杯体的结构进行设计，使学生在抽象概念和直观经验之间得到了自由转换;以可视化的方式，更早地帮助学生发现设计中的错误和不足;引导学生将自己的设计思维“物化”;培养了学生的技术意识、工程思维、达到提升创新技能的目的，见图3。

7 结论与展望

3D打印能够作为一种新工具、新手段，可以让学生从设计、制作、展示、参与等环节融入到学习过程。将这项新兴技术引入到中小学教育领域，能够成为一种培养和提升青少年创新技能的新途径，为学生提供一个新的更加广阔的创新实践平台。目前3D打印的教與学还有许多值得深入思考与探索的地方，普及起来也面临着诸多的困难。但我们有理由相信，随着现代技术的不断进步，社会的不断发展，这些问题都会迎刃而解。通过训练学生的图样表达、创新设计、物化能力等方面的创新技能，帮助其提升技术意识和工程思维，实现达到提升创新能力的目的。

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