隨著互聯網+創客時代的到來，3D打印技術已成為當今時代的新潮標志，也是創客教育的新寵，“智創空間”把3D打印技術列為創客教育“三劍客”之一，在中小學創客教育中進行了探索。該文根據3D打印技術具有“設計即生產”的特點，把3D打印技術應用在中小學創客教育實踐中，讓師生創客通過動手設計和深度體驗，激發師生創客跨學科學習和創意智造的熱情，從而培養師生創客的空間想象能力、創新思維能力和創造設計能力。讓師生創客通過玩中做、做中學、學中做、做中創，探索3D打印技術在中小學創客教育和STEAM教育中應用的有效途徑。

關鍵詞：3D打印技術；創客教育；STEAM教育；創客教育“三劍客”；智創空間

一. 3D打印技術的應用現狀

2015年11月，國務院印發《關于積極發揮新消費引領作用加快培育形成新供給新動力的指導意見》提出“推動3D打印、機器人、基因工程、網絡安全等細分產業加快發展，開拓消費新領域。支持可穿戴設備、智能家居、數字媒體等市場前景廣闊的新興消費品發展。”[1]目前，3D 打印技術已在工業造型、機械制造、航空航天、軍事、建筑、影視、家電、輕工、醫學、考古、文化藝術、雕刻、首飾等領域都得到了廣泛應用。

同時3D打印技術在我國中小學校開展創客教育和STEAM教育時發揮了重要作用，為中小學生的學習方式帶來新的變革，通過3D打印實體的觸覺體驗，可讓學生的想象變成現實，達到“所思即所得”的教學效果。目前我國很多中小學校都配備了3D打印機，如2015年由云南省財政廳、省教育廳安排專項采購資金6820萬元，為全省5365所中小學配備6000套3D打印成套設備[2]。同時很多學校開設了3D設計課程，并把3D打印技術應用到不同學科教學中，多角度展示了3D打印技術在促進學科教與學的功能優勢和應用方式，為優化技術與學科知識的整合提供可借鑒的觀點與方法。

有些中小學校在數學、物理、化學、生物、科學、機器人等學科的教學中，用3D打印技術打印出了各種教學模型，作為輔導教學使用。在中小學創客教育進程中，師生創客們通過玩中做、做中學、學中做、做中創，應用3D打印技術通過動手設計和深度體驗，激發了師生創客們跨學科學習和創意智造的熱情，從而培養師生創客的空間想象能力、創新思維能力和創造設計能力。

二.  核心概念界定

（一）3D打印技術

3D打印技術是快速成型技術的一種，是以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。3D打印機是快速成形技術的一種機器[3]。3D打印技術具有制造快速、CAD/CAM技術集成、完全再現三維效果、創造顯著經濟效益和應用行業領域廣泛等特點[4]。

（二）創客教育

創客教育目前還沒有一個確切的定義。謝作如、吳俊杰等在2016年2月創客教育專家委員會第一次會議上通過集體討論對現階段創客教育緞給出一個新的定義：創客教育是創客文化與教育的結合，基于學生興趣，以項目學習的方式，使用數字化工具，倡導造物，鼓勵分享，培養跨學科解決問題能力、團隊協作能力和創新能力的一種素質教育[5]。

（三）STEAM教育

STEAM教育前身為上世紀80年代美國人提出的STAM教育，包含四個學科：Science(科學)、Technology(技術)、Engineering(工程)、Mathematics(數學)，由奧巴馬大力推進這種綜合課程的實施，旨在從小培養學生動手、創新、綜合運用科學知識的能力。隨后，在原有四科的基礎上加入了Art(藝術)學科，多個學科相融合從而得到STEAM教育[6]。

三. 3D打印技術在中小學創客教育中的應用

創客教育和STEAM教育的價值在于將傳統知識學習和教育實踐與培養學生的創新精神和創新實踐能力相結合，都注重學習的過程動手實操和親身體驗，主張做中學、學中做、做中創，讓學生在項目學習和活動體驗中發現問題、分析問題和解決問題，最終達到創意智造和實踐創新的目標。

3D打印技術應用包括3D設計建模和3D打印輸出兩個部分，3D打印輸出只是把創新設計的3D數字模型進行實體化的過程，而3D設計建模才是3D打印技術的關鍵環節，因此在中小學利用3D打印技術在開展創客教育和STEAM教育時可以參考北京市東城區的具體做法，開設三維創意設計課程——以三維設計軟件和3D打印機應用為主的課程。

此類課程在義務教育階段主要以兩種形式呈現。

第一，以專業三維設計軟件的學習為基礎的課程。學生在學習應用專業三維設計軟件的過程中，根據不同開放性的設計要求進行探究式設計并應用3D打印機將設計模型實體化的學習過程。

第二，以簡易三維設計軟件的學習為基礎的課程。學生在完成某項任務或項目中學會并應用簡易三維設計軟件的某項或某幾項功能完成作品設計，并通過3D打印機將設計實體化的學習過程[7]。同時可以采用3D掃描儀進行快速3D設計，完成3D打印建模。

師生創客通過3D設計軟件進行設計建模的過程中，通過對日常生活中身邊遇到的問題進行觀察探究、親自體驗，最后動手設計出獨一無二、新奇好玩的創意作品。從而培養師生創客的空間想象能力、創新思維能力、解決問題的能力。通過3D打印機、3D軟件設計和3D掃描儀的應用，來推動中小學創客教育和STEAM教育的進程。

1. 3D打印機在中小學創客教育和STEAM教育中的應用

筆者所在單位于2015年在全國電教系統建成了第一個市級“智能機器人創客教育體驗中心”，配置了1間智慧教室、100多臺各種機器人、10臺3D打印機和2臺3D掃描儀，為開展創客教育提供了先進的軟硬件設備和300多平米的活動場地。

筆者攜創客教育研究團隊率先創建了“智創空間”，編寫出版了創客教育教材，構建了“微課導學”創客教育教學模式，提出了以智能機器人設計制作、3D打印技術應用與Scratch與機器人融合作為創客教育“三劍客”[8]，把3D打印技術應用作為中小學開展創客教育的重要載體，通過3D打印機的具體應用來踐行創客教育和STEAM教育。

3D打印機與傳統打印機最大的區別在于使用的“墨水”不同。3D打印機常用的“墨水”有ABS樹脂（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物，英文名稱Acrylonitrile Butadiene Styrene，是一種強度高、韌性好、易于加工成型的熱塑型高分子材料）、PLA再生塑料（聚乳酸，英文名稱Polylactic acid，是使用可再生的植物資源（如玉米）所提出的淀粉原料制成，具有良好的生物可降解性，是公認的環境友好材料），這些固體材料通過電腦程序控制，在打印頭中加熱變成液體后擠出，在空氣中迅速冷卻后又變成固體，像春蠶吐絲一樣通過層層堆積，最后由3D數字模型轉變化為3D固體模型，完成了3D打印任務。

另外還有像普通塑料、尼龍、石蠟、食材、紙、水泥、金屬或陶瓷的粉末等都可以作為3D打印機的“墨水”。在中小學創客教育和STEAM教育中，師生創客們可以利用3D打印機將自己的想法變成現實，把各學科中的一個知識點或問題以可視化的3D打印作品呈現出來，能較好地把學科教學與3D打印技術建立有機聯系。

如語文、英語學科可把課文中有代表性的人物、建筑物打印出來，幫助學生理解課文的故事情節；數學學科把立體幾何模型打印出來，幫助學生理解三維空間圖形結構；物理學科把抽象的磁力線、電力線結構圖形打印出來，把無形抽象的知識有形化；化學學科可打印出3D分子、原子模型，把微觀粒子結構實體化；生物學科可以把細胞、病毒、器官等打印出來，把不能直接看到的內容樣本化；歷史系學科用3D打印機復制有考古意義的古代器物，方便進一步的觀察和研究；地理學科可以用3D打印機打印出真實的地勢圖和人口分布圖，可更直觀地分析地形及該區域的人口分布；美術學科可以用3D打印機制作3D藝術品，提高美術作品的創新性和觀賞性；在機器人制作課程中可打印自己設計出的機器人配件，根據自己的想象發明一臺新型機器人等。

因此，師生創客們可以借助3D打印技術創建“體驗式的3D打印技術學習中心”，讓師生創客主動參與到3D打印技術應用設計的實踐活動中，通過親自動手操作3D打印機獲得直接的學習體驗，有助于師生創客進行自主學習、專題學習、個性化學習和探究式學習，培養師生創客分析問題、解決問題、科學探究和創新思維的能力。

2. 3D掃描儀在中小學創客教育和STEAM教育中的應用

3D打印機只能把3D數字模型變成3D實物模型，而3D數字模型的來源之一就是通過3D掃描儀進行建模。為了解3D掃描儀的建模原理，“智創空間”專門購買了2臺國外生產的一款手持3D掃描儀。由于購買3D掃描儀時對其性能了解不多，也沒有相應的中文使用說明書，這給設備的使用帶來了很大難度。為了把設備用起來，筆者邊查字典邊操作實驗，通過網上微課視頻學習其操作方法，費了九牛二虎之力，雖然在電腦屏幕上掃描軟件中出現了3D影像，但模糊不清，掃描效果慘不忍睹。

為了提高3D掃描質量，筆者作為一名資深攝影愛好者，充分發揮創客精神把攝影攝像的原理和技術全部用到了3D掃描儀的調試中，為增加成像的清晰度，對掃描儀的周邊設計進行了多項創新性改造：

（1）為3D掃描儀裝上攝影用的三腳架，保證其成影質量；

（2）由于3D掃描儀需要對掃描對象進行360度掃描，于是在淘寶網淘到了可調速勻速旋轉的電動餐桌轉盤作云臺；

（3）為提高光照強度購買了光度可調、色溫可調的LED無影攝影燈。功夫不負有心人，經過升級周邊設備，利用創客的思維模式，經過幾天實驗解決了掃描成像不清的難題，為師生創客在3D掃描物體和人像時提供了較好的體驗創作環境，能順利地完成靜物和人像的3D掃描建模，得到質量較高的3D打印設計模型。

讓師生創客們通過3D掃描儀建模，為同伴掃描人像和教學用具，從掃描——修圖——實體化——保存為STL格式3D模型文件——切片軟件轉換成3D打印機能識別的X3G格式文件——用3D打印機打印出人像和教學用具模型等一系列實操過程，能夠讓師生創客們形象地感知到3D打印模型與2D照片的本質區別，通過3D掃描儀與3D打印機的配合應用，來獲得3D打印模型相關知識內容，有助于培養師生創客的觀察能力、分析能力和理解能力。

3. 3D設計軟件在中小學創客教育和STEAM教育中的應用

目前常用的3D設計軟件有UG、Pro/E、CATIA、SolidWorks、Inventor、中望3D、3Done、3DS MAX、MAYA、Lightwave等多種。其中SolidWorks、Inventor、中望3D、3Done是3D建模軟件；UG、Pro/E、CATIA除了可以進行3D建模還有后繼受力分析、優化等更強大的功能，而3DS MAX 、MAYA、Lightwave主要是制作3D動漫的軟件。

這些軟件功能都相當強大，我們的日常生活用品和平時觀看的動畫片都可以用這些軟件制作出來，但遺憾的是，大多數3D設計軟件學起來都比較難，很多人聽說3D設計軟件就有種恐懼感。為了降低使用軟件的難度，“智創空間”選擇3Done軟件開展3D設計建模的教學，該軟件的設計界面非常簡潔，操作方便，簡單易學，讓設計的過程變得更加輕松愉悅，可以稱為“傻瓜式”三維設計軟件。

通過3D建模設計軟件的學習和體驗，讓師生創客們盡快掌握3D建軟件的使用方法，設計出屬于自己創意的3D模型，對初學者來說3Done軟件可以幫助師生創客解決3D建模設計的難題。例如：如果要設計一個簡單的六面體3D模型，只需要用鼠標單擊【基本實體】→【六面體】，在網格面上任意位置單擊即可生成一個六面體。如果要改六面體的大小、形狀時，只需用鼠標拖拉或在設置參數對話框中輸入相應數值即可。

3Done軟件可以應用在各學科的教學模型的設計中，以智能機器人設計制作課程為例，師生創客們可以根據自己的想象規劃機器人設計方案，機器人的結構配件和外觀裝飾都可以用3Done軟件進行建模，生成STL格式文件，再利用ReplicatorG或Makerware切片軟件將STL格式文件轉換為3D打印機可識別的X3G格式文件，通過聯機或SD卡把文件傳送到3D打印機上，打印出自己設計的3D機器人模型，最后組裝成具有自主知識產權的創意機器人。

近幾年來廣東省和廣州市中小學電腦機器人競賽活動都設置了“智能垃圾分類收集機器人競賽”項目，機器人配件要求用3D打印機打印；機器人創意設計項目更能發揮3D打印機的優勢，參賽選手可以根據自己的想法設計出“所思即所得”的創意智造作品，從而培養創客們的創新思維和創新設計能力。

4. 結束語

創客教育融合信息技術的發展,開拓了創新教育的新園地[9]。在3D打印技術能夠將電腦里的虛擬3D數字模型快速地打印出3D實物模型功能的支持下，師生創客可以將時間和精力投入到創新設計環節，讓師生創客在抽象概念和直觀經驗之間自由轉換，使設計思路實現可視化和實體化，師生創客們通過玩中做、做中學、學中做、做中創，有助于培養創客們的創新思維、創新精神和創造能力，從“思”到“造”再到“創”，讓學生的想象力得到實現，進而實現創新設計和創意智造。

隨著3D打印技術的不斷完善和進步，3D打印技術正融入到我們的生活、工作和學習中，3D打印技術必將成為基于創新能力培養的創客教育的重要組成部分。師生創客通過主動參與創新設計，全面細致地分析打印任務，充分發揮想象力和創造力，最終打印出個性化的創新設計作品，為教育教學服務，從而推動了3D打印技術在教育領域中的應用，為更多學校引進3D打印技術，變革教與學的模式起到示范與引領作用。