“桌面制造”与通用技术课堂中可能的主题实践活动

“桌面制造”与通用技术课堂中可能的主题实践活动

康小微

（上海师范大学教育技术系，上海市200030）

摘要：伴随着创客运动在教育领域的传播、STEM教育被国际上众多国家作为教育战略进行部署，21世纪对人才的创新能力要求越来越高。而我国也更加关注创新人才的培养，旨在让我们中国学生能够在未来的国际市场上更具备竞争力。“桌面制造”结合中学通用技术课堂，为学生提供动手实践的平台，让学生在项目式学习过程中，充分锻炼动手能力、提高创新设计能力。本文通过对“桌面制造”的主流技术进行分析，并据此进行主题实践活动，阐述桌面制造技术作为手段论方法在通用技术课堂中的应用。

关键词：桌面制造；技术教育；创新人才

根据教育部教育管理信息中心、北京师范大学联合北京国信世教信息技术研究院共同撰写的《中国STEAM教育发展报告》中明确：在科技高速发展的时代，国家的竞争力有赖于教育是否做好了培养具有高素质、创新型的科学家、工程师和具有创造力的员工的准备【1】。无论是国家未来发展战略还是个人的职业发展需求，培养学生的创新设计能力至关重要。但我们在现实中经常能发现，限制学生的往往不是想法不够，而是缺乏把想法变成现实的能力——学生需要在实践中提升自己的动手能力，并且通过在不断的实践中懂得如何去进行创新设计。

2017年教育部修订的普通高中课程方案中，将通用技术学科纳为技术教育的基本组成部分。这也是素质教育、创新教育推进的必然结果。通用技术学科以其独有的学科本质蕴含了丰富的核心素养而备受关注。该学科是“注重创造，体现科技与人文相统一的课程”，特别是“发展学生知识的整合、应用、物化能力和技术问题解决能力，通过多种多样的技术实践活动，培养学生的探究能力和敢于创新、善于实践的精神和勇气”【2】。

一、新桌面制造技术手段简介

我们迎来了一个数字化时代，在这里数字化制造成为了可能。数字化制造具有快速成型、精准操作、方便迭代等优点，可以为我们提供一个变消费者为创造者的平台。创客运动之父克里斯·安德森将激光切割机、3D打印机、数控机床、3D扫描仪等桌面制造设备合称为创客运动的桌面制造工厂【3】。

（1）激光切割技术

激光切割并不是一门新鲜的技术，它诞生于1965年，是由美国西部电气公司研制。紧接着英国人彼得·霍尔德罗夫特于1967年发明了二氧化碳激光切割机，成功完成了1毫米厚钢板的切割试验。其中，20世纪70年代初激光切割机的机床技术有了重要进展，第一台两轴激光切割机诞生，可以通过扫描原始文件进行切割，这为数字化制造奠定了基础。通过实际工业领域的多年时间，激光切割技术成为一门成熟的技术，机器的简化和优化，让它体积越来越小，功能以及应用领域却丰富起来，激光切割进一步走进学校，走进学生课堂。学生只需要使用绘图软件如AdobeIllustrator或者CorelDRAW,就能够进行平面文件的绘制和设计，学生可以通过激光切割机进行薄木板、金属薄片等进行切割镂刻、打孔绘型等加工操作。

（2）3D打印技术

3D打印技术也并非新兴的技术，3D打印机己经在制造业加工车间、精密仪器研究所等场所默默工作近30年。在最近的几年里，受到计算能力、新型设计软件、新材料、创新推动及互联网进步的推动，3D打印技术发展迅速，目前已广泛应用在许多领域。与传统机械加工技术所采用的减材工艺切割原料方式不同的是，3D打印采用的是快速成形的增材制造技术来构造物体。打印机会依据计算机数据指令，在空间内进行XYZ三轴方向的逐层堆叠累积塑料、树脂或金属等各种可粘合的原材料，以此来构造物体，即“积层制造”。3D打印设计阶段可通过建模软件实现，学生通过三维建模软件SketchUp，Autodesk123D,TinkerCAD就可从无到有设计并打印出自己图纸中的设计。

（3）3D扫描仪

3D扫描仪可以通过对物体对象进行数字化处理和修改，直接生成三维模型。三维扫描集光、机、电、计算技术于一体，主要用于对物体空间外形和结构进行扫描，以获得物体表面的空间坐标，将实物的立体信息转换为计算机能直接处理的数字信号，为实物数字化提供方便快捷的手段。三维设计文件的来源主要是手动3D建模和可视化扫描建模。手动建模对学生的要求能力较高，但是结合3D扫描仪，学生可以通过对已有物体进行扫描再在其基础上进行建模，让学生能够在更快地时间内完成三维立体物件的设计建模，并且结合3D打印机让其成型。

（4）数控机床

数控机床是数字控制机床的简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床，能够根据已编好的程序，使机床动作并加工零件。综合了机械、自动化、计算机、测量、微电子等最新技术。在现代工业中已经被大范围的使用，通过设备的简化及优化也渐渐应用于教育领域。

基于通用技术课堂的学习环境中，我们思考引进这些前沿的制造业技术到中学生的课堂中。对于学校和教师而言，随着技术的优化和提升，桌面制造技术费用的降低推动了在课堂内普及的可能性；对于学生而言，桌面制造提供了一个可以智慧设计、高效制造的机会，通过这些简单的易学易操作的入门级工具，为创新教育赋予更多可能。桌面制造走进学校，走进通用技术课堂主要有三个意义：

（1）使学生灵活地应用各种材料

桌面制造带来的优势是可以使学生能够更加灵活地应用各种材料。例如在制作一个创意产品的外观时，学生可以用美工刀加工纸板，却不能用同样的方法驾驭木板，即使学会了使用锯子，也只能对木板进行简单加工，进行深度加工需要花费非常多的学习时间。但是通过使用激光切割机、3D打印机等桌面制造工具，学生就能够随心所欲的加工木板、亚克力板、塑料甚至金属。这无疑赋予学生更多在材料上的更多的选择可能性。

（2）为学生带来时间和设计的便捷性

桌面制造为学生带来时间和设计的便捷性。例如以往学生通过手工完成项目的制作，即使是切割一些简单图形，也需要花上很长的工作时间。如果需要同时制作多个相同元件或复杂零部件，这个步骤会变得十分枯燥，而且很容易做出不合格产品。而激光切割机只需要几分钟就可以完成手工几个小时的工作，效率提升数十倍，并且很多时候质量比手工做的要好得多。此外学生在设计上经验不足，难以避免地会有一些细节上的错误，导致整个创客作品无法完成，桌面制造的引入让学生快速体验失败进行迭代的过程。只需通过调整图纸，学生可以更开展开后一轮的改进设计。帮助学生节省更多时间思考设计本身的问题，提高作品的有效性迭代设计。

（3）让学生感受创造力的神奇

桌面制造技术的引进可以很好地与其他创客技术结合起来。学生可以用激光切割木板，结合开源硬件制作出独一无二的机器人。还可以结合激光切割机和3D打印机的优势，用不同的机器生产不同的部件，实现学生天马行空的想象。桌面制造成为学校通用技术课程的数字制作入门工具。对于通用技术课堂来说，这些新技术的引进让学生拥有了把想象变为现实的可能。在整个动手操作的过程中，无疑能大大提高学生的创新设计能力。

二、案例课程实践活动

本文主要对基于这样一个配备了桌面制造技术的通用技术课堂教学环境，进行一个数字制造领域建造与设计类创作的主题课程实践活动。通过先前通用技术课程，学生已经对桌面制造这些桌面化的小型加工厂的使用方法有一个了解，在此基础上，我们进行该主题课程活动的教学。

（1）课程目标

在动手过程中体验用新技术手段表达自己对建筑模型——未来建筑、家具模型——智居E家构建的设想、体验各类新型技术手段，激发对相关内容学习的兴趣。

（2）课程内容

数字制造领域建造与设计类创作主题，该主题课程分为两个模块，如下。

1.建筑模型的设计与建造——未来建筑

学生在课堂上得到建筑模型设计的任务：设计一个未来的建筑。学生可以自己或者自由组队，通过查阅资料初步确定建筑模型的外观设计，根据自己的设计学生选择建筑模型的材料（包括木板、亚克力板、塑料、金属片等）加工材料，确定加工用的桌面制造设备。学生进一步使用CAD（(ComputerAidedDesign)电脑辅助设计软件）进行建筑结构的创建、设计。利用桌面制造设备进行制造，发现不理想的状态，学生可以对图纸进行修改，再次进行尝试。最终完成作品。

2.家具模型的设计与建造——智居E家

学生在课堂上得到家具模型设计的任务：设计一个智居E家中的某个家具模型。对上个模块建筑模型空间内的家具（比如桌子、椅子、柜子等）进行结构的设计，在通过对家具材料选择、结构的稳定性、设计的美观性等综合方面的考虑后，设计出适合空间内使用的智居E家家具模型。也需通过CAD辅助设计软件进行家具结构的设计创建，采用桌面制造技术对多种材料进行创建修改及最后成型。在家具制造过程鼓励学生通过使用传统的榫卯结构的拼插形式（减少或不使用螺丝钉子等作为连接），以此增加学生对结构连接性的认知。

（3）课程实施与评价

通过创设真实情境，提出设计任务，提供解决任务问题所需的学习材料和切实可行的解决策略，以小组分工合作的形式，自行探索学习（包括阅读教师提供的材料，自行上网搜索材料）并尝试设计绘图。在作品设计创作的过程中通过交流协作建构知识，提高解决问题的能力，动手能力，学会合作。教师在作品制作过程中适时提供帮助（包括相关工具技术的使用流程和正确操作的示范），并在最后开展分享交流活动。过程中注重让学生进行自我评价，并且根据自己的学习进展调整学习活动。

通用技术课堂是一门提高动手实践、掌握技术应用的课程，本文我们就是基于该学习环境中，主要针对桌面制造这样一个可以提供智慧设计、高效制造的机会，学生可以利用这些简单的易学易操作的入门级工具，在课堂上亲手动手实践，制作自己有想法感兴趣的作品。让桌面制造进入通用技术课堂，是一件非常有意义的事情，借助于3D打印机、激光切割机、3D扫描仪等可以让学生亲身体验从无到有的设计、开发过程，使他们头脑中的想象、创意变成真实的事物。但是，桌面制造课程不能只仅仅局限于工具的引进和使用，本文在桌面制作工具的学习后，通过具体的任务驱动教学案例设计，包括未来建筑和智居E家两个模块，让学生在任务环境中，使用桌面制造技术进行设计与创作，在这个过程中，学生巩固技术知识学习的过程中，同时结合力学结构设计、美学艺术设计进行造物的尝试。同时提高学生的动手操作能力、创新意识和创新能力。希望对中小学教师开发、设计新型通用技术课程有一定的借鉴价值。

参考文献

[1]王桂娇.《中国STEAM教育发展报告》发布[J].中小学信息技术教育,2017(4):4-4.

[2]中华人民共和国教育部.普通高中通用技术课程标准（2017版）[M].北京：人民教育出版社，2017.

[3]Anderson,C.Makers:ThenewIndustrialRevolution[M].NewYork:Crown,2012

作者简介：康小微（1993.02—），女，福建龙海人，硕士研究生在读，单位：上海师范大学，研究方向：创客教育，教育技术的应用。