三维打印技术的发展对教育的启迪

黎加厚，杨晓哲，杨高云

上海师范大学教育技术系，上海 200234

1 第三次工业革命对时代变化的影响

2012年，《经济学人》杂志发表社论，描述了正在进行的第三次工业革命，实质就是以数字制造技术、互联网技术和再生性能源技术的重大创新与融合为代表，从而导致工业、产业乃至社会发生重大变革，这一过程将推动一批新兴产业的诞生与发展，将会替代自从第一次和第二次工业革命所形成的传统产业，还将导致社会生产方式、制造模式甚至生产组织方式等方面的重要变革，最终使人类进入生态和谐、绿色低碳、可持续发展的社会［1］。

长期关注制造业技术和数字制造发展的《经济学家》资深编辑保罗·麦基里(Markillie)认为，第三次工业革命将带来制造模式的重大变革，人们可以完全按照自己的意愿来设计和个性化定制产品，自第二次工业革命以来的大规模生产流水线和标准化制造将逐步失去意义。随着制造业的数字化，新材料的应用以及诸如3D打印、机器人、网络协作生产、个性化服务等全新工序，将导致小批量生产变得更加划算，生产也为更灵活，所需劳动力的投入也更少。

众所周知，第一次工业革命始于18世纪后期，英国纺织业的机械化是第一次工业革命的标志。此前需要数以百计的织布作坊里的工人手工完成的任务，被汇集在一个纱厂中规模化生产，工厂机器生产取代了作坊手工制作。第二次工业革命开始于20世纪初期，亨利·福特使用了可移动的流水生产线，并开创了规模化生产的时代［2］。人类社会进入21世纪后，现正进行历史上的第三次工业革命，由于信息技术、新能源技术等的飞速发展，全球制造业正走向数字化。这意味着智能软件、新材料、灵敏机器人、新的制造方法及一系列基于网络的商业服务将形成合力，成为改变经济社会进程的巨大力量。

在欧美发达国家，人们已经看到了工业机器人、自动化工程器械以及由计算机辅助完成的各种设计，许多公司正在开发出更多、更智慧的计算机软件。利用三维设计软件，工程师可以将物品设计转化为三维模型，可以轻松地在电脑上从多个角度检查设计物品的结构、外形和功效，发现任何缺点都可以在第一时间方便地进行修改。如果有需要，可以再次构造、检查和修改设计，重复这个迭代过程，直至设计出最好的模型。设计师可以通过互联网，将设计图纸、模型、样品上传给制造商，还可以利用3D打印机，打印出少量产品检验市场的接受度，再决定是否进行产品的大批量生产。

三维打印技术有可能将取代大规模定制化的生产方式，这种基于三维打印技术的定制制造的好处是:第一，完全适合消费者的个性化需求。可根据每一个客户的不同需求，随时在电脑上设计并打印生产，充分满足消费者的个性化偏好;第二，节约成本。3D打印没有铸造、裁剪、车钳铣磨等传统加工过程造成的边角料浪费。由于是个性化定制生产，不会产生产品库存，从而可以在减少原材料消耗和碳排放的前提下，保持更高的生产效率;第三，3D打印的运用还将改变人们的商业交易方式。从前，消费者都是在店里挑选、购买已经生产好的商品。现在则可以根据各自的需求，在线预约，远程设计，“打印店”定制，甚至边生产、边体验、边修改，及时获得让每一个用户喜欢的产品。

2 三维打印技术的原理和功能

三维打印技术是从快速成型技术发展起来的一种新兴技术。快速成型技术(rapid prototyping，RP)是20世纪80年代后期发展起来的一种先进的制造技术［3］。3D打印机(3D printer)又叫三维立体打印机，能够实现从计算机上设计虚拟3D模型到打印出实物的功能，具有打印精度高、生产速度快、高易用性等特点。

3D打印机所使用的材料，不是喷墨打印机的墨粉，而是一些可以发生固化反应的材料。现在可以作为3D打印材料的原材料多种多样，包括树脂、塑料、陶瓷、金属等，甚至包括人体细胞培养液。

3D打印机的种类丰富，根据目前的应用可分为喷塑3D打印机、粉剂3D打印机和生物3D打印机。而且打印机的种类越来越多，甚至食物也可以被打印。例如:康奈尔大学的研究人员已经成功打印出蛋糕。

喷塑3D打印机的工作原理同喷墨打印机的工作原理类似。首先，在电脑上设计出三维立体模型，然后，将计算机三维设计模型的数据传送到3D打印机，打印材料的液态塑料送至打印头，利用打印头在一个托盘上喷出超薄的液体塑料层，并经过紫外线照射而凝固。另一种三维打印塑料制品的方式是熔融沉积成型(fused deposition modeling，FDM)，即通过高温的打印头将塑料融化，然后喷出丝状材料，从而构成一层层薄层，最后累积成为一个三维的立体物体［4］(如图1 所示)。

图1 熔融沉积成型

粉剂3D打印机是通过使用粉剂材料和添加剂来创建对象的连续层，并以叠加工艺的方式，一层一层地构建实体。每一层的打印过程分为两步:首先在需要成型的区域喷洒一层特殊胶水，胶水液滴本身很小，且不易扩散;然后是喷洒一层均匀的粉末，粉末遇到胶水后会迅速固化黏结，而没有胶水的区域仍保持松散状态。这样在一层胶水一层粉末的交替下，实体模型将会被“打印”成型，打印完毕后只要扫除松散的粉末即可“刨”出模型，而剩余粉末还可循环利用［3］。

生物3D打印机是迄今最具想象力和实用性的三维打印技术，可以用来复制一些简单的生物体组织，如肌肉、皮肤、血管等，甚至打印制造人体的膀胱、肾脏等器官。为了防止生物体对非自身移植器官的排斥，需要使用患者自己的干细胞进行打印材料的培育，在进行器官移植后，其身体就不会对打印出来的器官产生排斥。

三维打印技术研发的初期主要用于制作一次性样品(例如工业生产的模具)的一种方式，可以大大节省模具的设计和制造成本。但随着三维打印技术的发展，更多的东西被作为成品直接打印出来［5］。随着新材料的出现以及技术的革新，3D打印正在更多的领域展现其非凡的潜力。

3 三维打印技术的发展与未来

三维打印技术已经在交通、医疗保健、军事以及教育等这些机构得到充分利用。用途包括打印概念模型、功能原型、工厂设备(如模具和机器手装置)，甚至是打印制成品(如汽车、飞机的结构组件)。目前，发达国家在航空、医疗这两个行业已经开发出先进的三维打印技术应用设备。

2010年2月，Organovo医学公司生产出首台3D生物打印机，能够打印出人体的组织和器官，误差控制在20微米之内。2010年5月，意大利发明家恩里科成功研制出大型3D打印机，能够打印出整个立体建筑物。2010年11月，全球首辆利用三维打印技术制造的Urbee双座汽车诞生。2010年12月，美国康奈尔大学研制出3D食物打印机，能够打印出个性化外形的食物。2011年7月，美国明尼苏达州厂商开发出Stratasys Fortus 250mc 3D打印机。支持多种颜色注入，支持 0.007 英寸、0.01 英寸和0.0013英寸 3种厚度的单层材料输出。2011年8月，英国南安普顿大学的工程师设计并用3D打印机，制造出世界上第一架无人驾驶飞机。2012年，两院院士评出中国十大科技进展，华中科技大学教授史玉升团队研发的世界最大激光快速制造装备入选。专家介绍，通过激光快速制造装备可以造出任何想得到的实物，该装备也因此被形象地称为工业用“3D打印机”［6］。该技术远远超过德国、美国等公司同类产品，使得我国在快速制造领域达到世界领先水平。

三维打印技术经过十多年的探索与发展，目前能够实现600 dpi分辨率，每层厚度只有0.01 mm，即使模型表面有文字或图片也能够清晰打印［7］。3D打印尺寸、技术及速度日新月异，应用领域也在不断扩展，随着3D打印机本身精度的不断提高，3D打印材料逐步丰富多样，价格将会不断下降，并以人们难以想象的速度普及到日常生活领域。在美国Solidworks World 2012展览会上，桌面级的塑料3D打印机的市场标价仅为1699美元(http://www.up3dusa.com/)。今年在北京、上海等地举办的国际展览会上，均有3D打印机商家参展(http://www.pp3dp.com/)。3D打印民用化普及趋势明显，其设计平台正从专业设计软件转向简单设计应用发展。其中，比较成熟的平台有基于Web的3D设计平台—3D Tin。另外，微软、谷歌以及其他软件业巨头也相继推出了基于各种开放平台的3D打印应用软件平台，大大降低了3D设计的技术门槛，可以让普通用户通过类似玩乐高积木的方式设计3D模型。例如:Google Sketchup(谷歌草图软件)就是一款注重设计创作过程的软件，操作简洁，用户操作Sketchup软件，能够直接在电脑上进行十分直观的构思和设计，然后将最终形成的模型支持用3D打印机直接打印出来成品。Sketchup的操作使用技术简便易学，即使中小学学生都可以通过培训掌握三维立体模型的设计。

4 三维打印技术在中小学教学中的应用

基础教育是为了培养孩子们未来的生存和工作的基本能力素养，需要具有一定的前瞻性，培养孩子们能够更好地适应时代的发展。面对第三次工业革命浪潮，教育需要更多地让孩子们接触、感知和体验未来的新兴技术，培养学生的创造性思维能力。三维打印技术的普及为学校的创新教育提供了新的视角和技术支持。

从今年秋季开始，上海师范大学教育技术黎加厚团队与上海市闸北区和田路小学共同合作，在小学一线教学中做了大胆的尝试，开发了面向小学生的3D打印校本课程—《虚实创造课程》，并在2012年9月份对该校5年级的小学生开始授课。

在小学阶段开设《虚实创造课程》，旨在让小学生接触三维打印技术，在学校教育中运用这一新兴技术，促进学生的空间思维、计算思维、设计思维和创造性思维的发展，促进学生虚拟世界、实体世界和内心世界的联通，激发学生的想象力。

根据维果茨基的最近发展区学习理论和建构主义学习理论，《虚实创造课程》采取循序渐进的原则，将课程教学分为五个阶段(如表1所示)，逐步构建起学生的虚拟、实体和想象的联通，最终实现融通与创造。在课程的开发过程中，逐步从教师主导转变为师生共建课程资源，形成合理的内在良性循环。在课程实施的五个阶段中，师生产生的各种成果，如源文件、效果图、操作视频等都将被整理出来，作为宝贵的资源与其他师生分享。

表1 课程实施五个阶段

基于三维打印技术的《虚实创造课程》分为五个学习阶段:

第一阶段:案例学习。课前，教师选取案例，录制成视频。课中分为共同学习时间和自主学习时间。在共同学习时间，教师对部分案例分步讲解，学生模仿。教师为学生提供了多样的帮助资源，如效果图、源文件和视频，以保证学生能跟上课堂节奏。在自主学习时间，学生可以挑选自己感兴趣的例子进行模仿创造，教师巡视并进行个别指导。学生使用Google Sketchup草图软件进行虚拟三维建模，该软件界面简单，操作也比较容易，小学生非常容易上手。在案例学习中，学生能够轻松而愉快地掌握软件主要功能的使用，为后期学生的想象创造打下了牢固的基础。

第二阶段:拍照创建。学生收集自己生活中感兴趣的物品或主题，拍成照片，运用Google Sketchup草图软件尝试构图，并对其中不合理的地方进行再设计。学生可以将自己的构图或再设计图，以及相应的视频介绍上传到虚实创造学习平台，与其他学生分享、交流。对该设计有不同见解的学生可以进行再修改并附上自己的设计和想法。通过深层互动，学生依托Google Sketchup草图软件在实践中不断地求证自己的设想，最终达到更为合理的设计。

第三阶段:三维实物构建。教师为学生提供丰富的实物模型或者是学生自带生活中的小物品。在“学习观察单”的指导下，学生感知三维实体的设计细节，并在软件操作中不断地检验或证实自己的设想，完整地搭建起虚拟模型。学生将实践中遇到的问题和解决的方法进行整理，成为一份宝贵的学习材料，供其他学生学习。

第四阶段:想象搭建。在经历过拍照创建、实物构建两个阶段的充分体验后，需要让学生去尝试创建自己的奇思妙想。学生可以按照“学习观察单”提供的成长路线来完成自己的想象搭建:①我想象的东西是(图画);②看看我捏的陶泥(陶泥图片);③瞧瞧我做的虚拟模型(虚拟模型图)。也可以根据自己的能力挑选其中的一种或几种来呈现自己的想象(构建虚拟模型是必须要经历的环节)。这样，在满足学生个性需求的同时，又能保证学生体验从想象到虚拟的全过程。

第五阶段:虚实创造。学生使用3D打印机，将自己在Google Sketchup软件中虚拟搭建的模型打印出实体，从而融通起想象、虚拟与实体的世界，将自己头脑中的想象与计算机中的三维设计模型和真实世界的具体三维物品联系起来。

这五个阶段是一个循序渐进的过程:第一阶段是基础，通过案例的学习，帮助学生掌握软件的基本操作，其他四个阶段是虚拟构建、实物构建和内心想象不断深化的过程，但又是一个相互交融的过程。

实验学校专门为《虚实创造课程》建设了一个网络学习平台，用来支撑课程教学活动，为学生提供一个展示、交流、创新的环境，突破课堂时间和空间的局限性，将课堂内外结合，帮助学生在《虚实创造课程》中充分交流共享思想，培养学生的思维品质，让创造成为学生的一种习惯。

目前，《虚实创造课程》正在上海市和田路小学五年级实施，课程已经进展到第二阶段的学习。学生们能够较为熟练地掌握Google Sketchup三维建模软件的基本功能，能够在软件上构建出简单的三维模型。学生拍摄家里的台灯、电风扇、电冰箱、洗衣机、书桌、卧室等生活中的照片，然后在软件中进行三维建模。不少学生在建模的基础上又提出了自己有创意的改进想法。例如:台灯的灯罩可以随意变形;电风扇没有叶片;洗衣机没有按钮，用遥控器控制;厨房的抽油烟机用的时候是悬挂的，不用的时候可以折叠收起来……。这些五彩缤纷的创意想法，不仅涌现在学生的头脑中，学生们能够亲自动手，在计算机上将自己的想法设计成为三维模型。在《虚实创造课程》的第五阶段，学生将学会使用3D打印机来完成真实作品的打印。

五个阶段的设计还需要在实施中不断地修改完善，从目前实施情况来看，第一阶段采用基于案例的教学方式，在保证教学质量的同时，也大大提高了教学效率。在有限的课堂时间里，学生学习案例的数量由1个上升到3个、4个，所涉及的工具使用也更加丰富。教师拥有更自由的时间关注学生的个性化发展，进行个别辅导。但同时，我们也发现自主学习环节的帮助功能还需要完善。一方面，需要教师有意识地引导学生利用提供的资源;另一方面，需要对提供的资源进行再设计，加强资源自身的帮助功能，以引导学生解决自主学习时遇到的困难。第二阶段教师以主题活动的方式，由易到难，由浅入深地加强学生的设计、想象、创造能力。

我们在教学中发现，通过几周主题式的学习，学生的观察能力、设计能力、空间思维能力有了明显的变化。他们的作品由简单的布局，到具体实物设计，再到修改设计，最后是细节加工处理，一步一步地深入。通过阶段观察，也验证了《虚实创造课程》最初的设想，每个阶段都涉及到内心的想象，除了第一阶段案例学习外，其他四个阶段是相互交融。比如:主题“生活一角的设计”，这是第二阶段的内容，让学生拍摄照片，再运用Google Sketchup软件进行模型搭建。学生拍摄了非常丰富的图片，有卧室的一角，有客厅的一角，也有卫生间的一角。通过对现实生活中这些真实场景的使用，学生提出了许多修改意见，并运用软件对自己所选的场景进行再设计，还构建出自己想象中的可能设计，最终学生呈现出来的作品都是非常有创意的。

在实践研究中，我们感受到了孩子们对未来新兴技术的浓厚兴趣，对自己能够创建三维模型并且能够打印出实体的兴奋之情。

5 小结

三维打印技术是第三次工业革命的关键技术。教育要与时俱进，应尽可能让孩子们去接触、体验、掌握这样一门新兴的技术，从而发展学生的空间思维能力和创新思维能力，这将会对孩子的未来产生重要的影响。在学习掌握三维打印技术的过程中，我们的教育理念也会发生转变:未来的教育，不再是为了培养流水线上高效的劳动者，这些劳动者极有可能被未来机器取代，被3D打印机取代。我们的教育需要培养具备想象能力、设计能力、创造能力的人才，这是我们下一代面临第三次工业革命必须具备的基本能力。

［1］芮明杰.第三次工业革命的起源、实质与启发［N］.文汇报，2012-09-17

［2］杰里米·里夫金(Jeremy Rifkin).第三次工业革命:新经济模式如何改变世界［M］.张体伟，孙豫宁，译.北京:中信出版社，2012:6

［3］古丽萍.蓄势待发的3D打印机及其发展［J］.数码印刷，2011，(10):65-67

［4］赵春雷.3D 打印机种类［J］.世界科学，2012，(7):19

［5］赵辰.3D打印机分层软件的设计与实现［D］.南京:东南大学，2009:1

［6］朱建华.武汉造世界最大“3D打印机”入选［N］.长江日报，2012-01-18

［7］The third industrial revolution.The Economist［N］.2012-04-21(5)