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    3D打印技术与基础教育深度融合的思索

    2017-03-31 15:36

    在3D打印技术风靡的同时,作为教育界能够以大手笔来引进和融合,这是我们云南教育的幸事,也是领导们的远见,无论未来教育发展会有多高,今天的开始都将预示着未来的更高。

    作为一种普及比较快的新技术,3D打印确实有很多能够发挥作用的地方,各行各业都可能涉及到,一时间,总觉得“只有想不到,没有做不到”将不再是一句空话,仿佛“创造止于想象”已是事实。云南省配套的是滇中恒达的打印机,包含一台打印机,工具包,电脑,扫描仪等,它采用的是熔融堆积的方式,将线材转换成模型。在模型制作软件上采用的是Tinkercad和Meshmixer(其实,搜一搜就能够找到很多模型制作软件,只是需要你的英语水平高一点,并具有较高的自学能力和经济能力),可以用软件制作自己需要的任何形状的作品,也可以经过扫描制作人像等作品。作为项目学校的一线老师我也有幸参加了2014年的培训,一个周的时间,感觉学到了很多东西,其实在这之前我对3D打印也比较喜欢,翻阅过基本相关的电子书籍比如《3D打印——从想象到现实》、《解析3D打印机》等,看来看去都差不多,其中较专业的知识都是一知半解,但总体上对3D打印还是了解了一些。同时,常在各大网站收集一些相关的资讯,了解其发展情况,下载了大量的模型资源(应该有上千个喜欢的模型),自己还花了几千元买过一台,一个假期都在研究,打过一些作品,但还是滇中恒达的老师教的细致、系统,打出来的作品也比较精细,粘合度较好,光泽亮丽,飞丝和冒泡现象基本没有,线材质量也比较高,价格相对实惠。扫描物品的时候,很容易捕捉,而不需要涂上其他粉末等等,且修改起来比较上手。

    2013——2014年应该是3D打印最热的时候了,以后就慢慢的平缓下来,从激进中返璞到以质量和服务为主、操作便捷、制作简单的理性化阶段。现在的3D打印技术确实也还存在一些有待提升的空间,首先器材价格昂贵,普及推广难,线材作为消耗品,价格整体很贵,质量参差不齐,特别有的商家为了品牌保护,只能使用他们的线材,用其他品牌线材打印出来的作品质量很差,异味较大,据说还损坏打印机;其次,对学校来说,每所学校一台打印机,基本会被束之高阁,不成气候,难以形成有效的学习氛围,难以开展课程实施和教学具制作;再次,打印一个作品,太耗费时间,对于大一点或者是精度高一点的作品都可能超过10小时以上;接着,作品精细度有待进一步提高,再精细的作品都有线的细纹,打印机好一点的纹路小一些,匀一些;还有,打印出来的作品光滑度,牢固程度,色彩等很多方面都有待进一步强化。如果只有局限的艺术性、实用性,其价值就很难充分体现出来。

    即使有很多的不足,但也不得不说,部分品牌3D打印机的网站做的越来越好,不但有各种模型,还有很多制作模型的小软件,比如花瓶的,立体图片的,印章的,艺术字的等等,以及各种基础模型DIY,这样的话来组合和制作模型将变得非常便捷,省去了很多繁琐费费时的中间环节。有的网站你制作的模型被下载后还会获得积分或直接是RMB,特别是看着自己制作的模型被下载,这种被认可度和成就感是很强烈的,因为他表达的是你的创造质量。

    第一次培训返校后我做过一些尝试,分成几个课时,认真仔细的培训老师,想把3D打印机及时的用起来。刚开始,老师们兴致勃勃,不过我发现老师们对它的热度或许只有几十分钟而已,他们一直在议论使用问题,总觉得没那么多时间来设计和制作模型,完全下载下来的又不一定符合自己的想法,后来我也觉得还是要在老师的培训中开展步骤上慢一点,与课程和课堂结合的更紧一点,如果老师都接受不了,那么意义将大打折扣,推行就变得很难。其中,好几次,都想在我们老师的课堂竞赛中帮助他们做一些教学具,但种种原因一直没成功。

    11月28日至30日我有幸参加了由省教厅举办的《教育信息化应用骨干教师高级培训班》,这再次的机会又聆听到很多专家从不同方向和层面对教育发展前景的勾划,使我有了更新更深入的理解,对于我来说,虽然身在农村,但对教研有一定的了解,对小学科学教育有一定的认识,对3D打印技术也了解一些,再来思考3D打印技术与教育的融合,觉得还是合适的。

    3D打印技术与基础教育的融合,最明显的就是在这个过程中存在一些割裂现象,比如,作为培训方的滇中恒达公司开展的培训来讲,他们也想从教育中来入手,但他们一直强调的是产品,学生能够用软件自己做一个产品,学生喜欢了,有了思维开发的形式,有了学生不经意的、粗浅的作品就已经满足了,而教育一直强调的是过程,非常细致、有清晰步骤、各种素养不断深化的成长过程,并且还有适合的评价方式进行评价和规范引领。这就是差别,巨大的行业差距。所以,作为我们再返校培训学校老师时,就不能按照滇中恒达老师的这个思维来进行了,而必须站在解决老师问题,帮助老师实现优化课堂效果的层面上来思考,让3D打印技术成为解决教学中的重难点瓶颈的有效手段,才能让老师看到希望,才能得到老师的认可。而面对学生的课程也应该有其自身的特点。

    其实,将3D打印技术引入教育的核心点应该还是基于培养人才,可以说3D打印对孩子来讲是一座想象与现实的桥梁,思维与物化的媒介,灵魂与外界的交互机。是人的内在的理性表达、成果展现和价值体现。要找到3D打印技术和学校教育的契合点,首先应该找到3D打印技术在学校教育过程中的定位,我觉得3D打印技术在学校中有四个平台的运用:生产平台,创作平台,课程平台,课堂平台。

    生产平台:学校教育如果是个工厂,那他的优先产品是“具有个性化的人”,除此而外,还有很多艺术上的、学术上的“产品”,却从未有过3D打印技术能够带来的改变巨大——学校教育管理过程中的个性发挥。比如学校需要的一些物品,都可以带有办学理念的影子,运动会的奖杯定做,完全可以自己来完成;厕所标识完全可以自己来做等等,还有会议室,宿舍文化等。最主要的是班级文化建设中具有很大的运用空间,来制作自己特色的班级文化装饰,比网购的要主题明确,不是拼拼凑凑;比老师亲手剪纸制作的要好和规范的多。这不仅仅是一种提升,这是个性化班级建设的飞跃,对班级环境,学生管理都会涉及。这些学校完全可以自己来生产,来制作,来维护。但基于现在来讲,打印作品的品质提升还有很大空间,打印机配备数量还需要增加,才能看到效果。

    创作平台:这是基于对教师和学生创造思维的开发来说的,3D打印技术的运用,将教师、学生都和技术零距离接触,使他们充分发挥创造性思维来创作各种物品,并通过跨学科知识的整合创造出各种“奇迹”,特别是一些有教学经验的教师,他们对学生、对课堂、对教育都有很多好的方式方法,如果能够很好地利用起这个平台,还会创造出一些更有价值的教具或发明。能够将其开发出来,并用3D打印技术直观形象的表现出来,对教育将具有更大的提升作用。总的来说,对师生的计算机技术,建模思维,理性思考等多方面都是一种还没学会走路但能智慧飞行式的帮助。

    课程(专技学科)平台:这也是最大、最有潜力和价值的平台,对老师来说,这样的专业技术课程,丰富有趣,学会之后将给自己的课堂和专业成长带来很大的帮助;对于学生来说,必须从生命成长的影响来看待,其意义或价值都是不可估量的。但3D打印走入课堂,也不是那么随便和轻易,需要做到既能够充分发挥技术上的功能和优势,又能够将效益(不只是出来的产品,还包括因此带来学生的成长变化,特别是对学生思维的影响)最大化,所以,此课程名称虽然是3D打印课,但潜台词应该是:创新思维开发课程,创造能力开发课程等。

    3D打印课程与计算机课程有本质的区别,作为两种技术性课程,计算机课程也是为3D打印课程进行技术服务的,也都出现产品,都有开发思维等现象出现,但3D打印课程,更强调创造性和开发性,技术知识不是很深,只要熟练各种模型制作的便捷方式就行,因此,总觉得3D打印课程单独开设才能发挥效益,合二为一的话,可能会带来很多不便,难以发挥3D打印课程的开发作用,也不便于计算机知识的讲解。

    作为一门新课程来说,需要解决开设年级,课标,分年段实施计划,教材编写,活动设计,相关评价标准,以及更深层次的学生成长引导等等,都应该有清晰的路线图。

    从孩子的成长来讲,年龄越小想象力越丰富,但知识积累太少,不够理性,而年龄越大知识丰富了,理性了,但想象力会有所减弱,甚至于思维方式在一定层次上被“形式化”,也不利于课程开设。我觉得最合适开设的年级是三年级下学期,理由有以下几点:

    1、三年级学生就开始学习信息技术课程,那么学生经过一个学期的学习,计算机知识有了基础,再来接触3D打印,就容易多了,而且孩子们的兴趣还保持在一个较高的水平。

    2、三年级学生开始学习《科学》,科学和创造应该是密不可分的,他们对新技术,对大自然,都保有一种神秘和向往,也有探索的欲望。学了《材料》里面的“塑料”这一节,他们对材料特性也有了一定了解。经过上学期的积累,其实,他们已经有很多“畅想”了,如何使这些“畅想”能够及时,紧密的,顺理成章的变成可触摸的现实,3D打印课程,给出了希望和可能,学生不一定马上学了就能物化,但只要他们往这个方面努力去做,去改变,确定了方向,这就成功了。当然,在《科学》课中,认识事物的结构和功能,相互关系,认识事物的一般变化规律,解释与建立模型这些是在五年级了,总感觉这时才接触3D打印有些迟了。

    3、同时,三年级的学生,识字量增加,理解能力有了大幅度提高,沟通和表达有一定的基础,数学中了解了各种图形(长方形和正方形),图形的运动(对称和平移)和测量,三年级下学期,第一部分就学《位置与方向》,这和3D打印课程开设所需的基本知识应该够了,而正方体和长方体的教学是在五年级下学期。三年级开设《英语》,学生对字母有了更深入的了解,具有一定的英语知识。

    4、随着社会的发展,学生从小就对手机了如指掌了,对一些游戏的执着,对一部分新事物的探索也保有信心,特别是像“我的世界”等类别的游戏,其实也具有很大的思维开发能力,基本上局限于想象构建阶段,如果能够及时的嫁接过来开发,效果可能会事半功倍。

    关注教育形式和过程的重要性。3D打印这样的课程学生肯定很喜欢,但如何使学生轻松的接受,快乐的发展,从形式上我觉得还是要跟上社会的进步,所以建议从游戏和活动中来引入,并逐步深入,而不是直接就将3D打印机的神奇介绍给学生,又出现三分钟热度的情况。游戏是一个虚拟的世界,很多孩子也有所接触了,而且这个世界也正在改变着我们的现实世界,总感觉边界越来越模糊,结合越来越紧密。扫描技术使现实物品能够以数字状态进入虚拟世界,而3D打印却能够将虚拟世界的东西变成现实,在这儿3D打印作为一种虚拟和现实的转变技术来讲具有很多优势,或许将来的孩子们所考虑的就是如何使虚拟世界的人或物以一定形式的生命形态保存在现实世界。随着社会的进步,坚决杜绝孩子接触游戏等虚拟世界的行为或许将使孩子将来的发展产生问题,这是一种善意的伤害,包括学习权力的剥夺,创造能力的剥夺,想象能力的剥夺。这样的教育对孩子来说是不完整的,只有合理的引导和面对,充分发挥好的一面,克制坏的一面。总的来讲好处将远远超过坏处。所以建议开发一些能够让学生开发智力的、适合课程的较全面的虚拟游戏,其中创作的形态可以用适合的格式保存并打印出来,这样对开发学生思维来讲,将具有革命性的意义。也应证了“在玩中学,在学中玩”的深刻内涵。更何况这些游戏从教育的角度来讲,肯定会具备很多知识和技能等促进成长的内容,这种互动性比看一张图片或一部动画片,讲一个有趣的故事,上一节现在意义的生动课堂还要衍生出很多优势。

    课堂平台:在各种学科的课堂中,3D打印技术优点很多,比如:深化和整合学科知识,个性化探究的实施,思维、技能的深度拓展和训练等。无论教育有多少种课程,最终综合起来都是为了培养人,人才是综合因素,所以必须将3D打印课程与各种课程相互结合才能最快,最深入的走进学生心理,获得最大效益。如何结合呢?在培训中听培训老师讲的很模糊,粗浅,这也不能怪他们,因为他们不熟悉教育,不熟悉课程,甚至不熟悉课堂,这就形成了前面说的一种割裂,如何缝补这种割裂带来的难以融合现象,我觉得不能靠强制性的各种行为硬性结合,而要从这三个层面考虑:

    首先,是渗透,熟悉各种课程,与每一科互动,寻找存在感,这是最低层次。

    其次,是支持,被师生接受之后,运用强有力的技术支持各门课程的实施,充分发挥技术优势带给课堂的改变,这才是深度的融合,这一过程基本是靠教师来完成。

    最后,是提升或引领,在活动、教研、教学、管理等多方面的深度融合,这也将是对教育带来的深刻改变,才是我们需要看到的效果,而在将来,学生的整合创新所带来的社会效益才是最终的目的。

    在不同学科中,根据课程特色或者不同的课时目标都可以使用3D打印技术。当然,不是说什么课都必须用3D打印技术,而是有选择性的,有效果的运用。以下就从数学和语文两个科目来举几个例子吧。

    【数学】  在数学《课标》中提到“注意信息技术与课程内容的整合”,作为一种新的技术,3D打印技术或许将来会以新的姿态进入《课标》。就信息技术来讲,对教育的改变是彻底的,基于此我觉得:3D打印技术与数学课程的整合能够理性的强化数学学科的呈现方式,激发学生的学习兴趣;能够提供丰富多样并个性化的学习工具,提高学习效率;能够激发学生思维,模块化学生认知,优化学生认知结构;能够浅化课堂内容,优化课堂结构,极大地促进学生积极主动参与学习。

    从课程内容上来看,3D打印技术对数感、符号观念、空间观念、几何直观、数据分析观念、运算能力、推理能力和模型思想整个课程能容都能起到学习的帮助。

    数感,《课标》指出“在小学阶段,儿童对数的感悟是从数数学习辨认各组实物对象的多少开始建立的”其中的“实物”除了生活中的,可以个性化创造,比如,老师事先打出不同的小组使用的动物或物品小模型,其中每一个模型都嵌有一个数字。特别是认识数字时候,“1”可以打一件衣服或其他物品,并把“1”的形状嵌入其中。“二”可以打一个人物模型,并将眼睛打的较大,比较两只眼睛的“两”和1、2的“2”数量上是不是存在差别。特别是在学习顺序时,按照小动物背后的数字来排序,通过亲手搬动小动物来排序,通过不同动物来排序,并不同物品的小组对比交流,这样学生在这部分内容的认识上将更加趣味化和深化,还有简单的数字加减以及数量关系的变化等内容,也可以通过3D打印的教具、学具来进行。至于打印出的教具是些什么,就由老师自主决定和设计,更切合学生的生活实践(基本的数学经验运用)、年龄特点和个性特点。而且,第一次接触时用一种学具,第二次复习时候用另一种学具,都可以随心所欲。

    符号意识培养中,特别是用各种图形找规律的时候,可以打印出嵌有各种形状的方块,使学生脱离平面图形,通过像打墙一样摆方块的活动,来深化知识,优化知识结构。

    空间观念、几何图形、方位等都可以使用3D打印教具来教学,还可以随着教师的调整来改变教具、学具的内容和形式。特别是图形运动中的平移、旋转、翻折、放大、缩小等都可以更加直观形象的展现出来。比如,教学长方体,打一个标准的长方体的棱组合(没有面)和面组合的学具,棱组合相当于是长方体的一个骨架,面组合相当于是一个长方体的衣服,通过各种方位的观察、比较、以及组合操作等,长方“体”的概念更加明确,当然我们也可以把小棒用橡皮筋扎起来成为一个长方体来做学具,但标准化程度和趣味性就差远了。今后,学生在思考或画一个长方体时,肯定会清晰得多,标准的多,除了表层块面的变化,还能够考虑到内部结构。

    当然,在数据分析中的统计图形,运算能力和推理能力中也可以使用。能够有力的形象化一些原理和概念或推理过程,使数量关系更加清晰,对分析问题的思考更加深入、全面,使解决问题的过程更加直接、简便。比如应用题分析,就可以通过打印出的实际模型来构建一个不同类别的认知模型进行思考。

    对学生建立数学模型思想、应用意识、创新意识中也有很大的帮助。

    【语文】  在语文课中,如学习拼音:认识字母,声母韵母搭配都可以个性化设计学具;认字识字,偏旁部首也可以自制学具来学习,从构字,字义,到字形及汉字演变过程都可以形象化。这样来说,汉字不仅仅只是平面字体,也是一种立体的艺术,一种组合的艺术,一种独特的艺术,这种知识探索的视角和拓展范围对孩子来讲具有特殊的内涵。在不同类型的课文中,也具有很大的辅助作用。比如《坐井观天》,二年级的孩子想象力不是很强,可以设计这样一个学具来体会:    

    我们一直强调需要学生自主探究、合作研讨、观察记录,没有合适的学具,没有个性化学习的基础配置,怎么来做,都可能是肤浅的一带而过,效果不佳。所以对于小学生,要有物可用,从“弄物”中习得知识,练得本领,悟出内涵。而这个“物”是适合学生个性特点的“学具”,或许买都买不到。这其中,师生都具有很大的开发过程和价值体现。

    对于3D打印学具在课堂中的运用,必须认识到“好钢用在刀刃上”,使用时要注意:

    1、避免简单问题复杂化,刻意增加课堂的负担。

    2、避免刻意求新,不求效果。

    3、避免教学具设计粗糙,不经过实践检验,毫无美感,形状怪异。能够买到得,更加便宜,设计更好的,也符合学生实际的教具还是应该去买。

    4、避免出现教学具设计、制作中可能隐藏的科学矛盾。

    5、避免脱离教材,脱离学生生活经验。

    6、避免以“物”代教,过于强化3D打印教具。

    这就要求我们更加认真的分析教材、学生,认真选用教学手段、教学方法,把握住重难点,细致的安排教学流程,将自己制作的教学具放在一个“突破点”的位置上,以起到事半功倍的效果。

    从中也深深感觉到新技术、新方法融入教育的难度,随着信息技术的不断更新和影响面的扩大,就像现在出现的各种智能化穿戴产品,虚拟现实技术、现实增强技术等越来越多的呈现,或许未来都将给教育带来深刻的变化,我们只有迎头赶上,从老师,从学生,从教材,从课堂,从教育相关的每一个环节来体验,这才是明天和未来。 

    后记:本想去发表一下试试看,但又怕支撑不够,论调有偏差,特别是缺乏应有的效果很好的课堂实例以及大量的教学设计和相适应的教学具设计,就搁置了一段时间,基本上把自己这几年的积累和认识做了一个剖析,只奈自己知识水平有限,写不出更华丽的辞藻和深刻的理论,只觉得这块内容,好像都找不到相对丰富系统的东西,既然是个可能的空缺,就先提出来希望得到更多的关注,采众人之长解决当前待进之途,更希望我们的教育能够因此获得更好的发展。(王薛岳)

    责任编辑:钱秀英 编辑:李美兰

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