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3D打印：从想象到现实 [:1700398824]
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边做边学：孩子们的工程学
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想象你是四年级的教师，你想知道设计软件和3D打印能否帮助你讲解基础物理和数学。你需要传授核心概念，如动能概念和一些简单的数学比例。也许你可以通过传统的基础数学和科学课程计划讲解，但你是否愿意尝试一些不同的方式，看看会发生什么？
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我们大多数人意识不到公立学校里所教的内容是上千双无形之手的成果。一位小学教师不仅仅是设计出她认为学生们会喜欢的课程计划，至少在美国和很多西方国家，课堂教学就是校园墙外大世界一个生动逼真的缩影。
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国家建立了教育标准，专家和商业出版商共同设立了一些课程，父母、政府官员和学校董事会最终决定什么样的教育比较好。如果你是教师，你将从哪里开始？
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一种可能是采用Fab@school（学校工厂）试点项目。Fab@school可以帮助教师创造集设计和3D打印于一体的课程，以传授核心数学和科学概念的课程。该方案项目的目的是创造儿童工程师，激发年轻人对科学、数学尤其是工程和设计的兴趣。该试点项目由国家自然科学基金、摩托罗拉公司和麦克阿瑟基金会资助，弗吉尼亚大学儿童工程集团的教授格伦·布尔则是该项目的领导者。
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该项目的课程计划由教授、教师、图书管理员和研究生组成的工作组制定和测试。迄今为止，大约有350名四五年级学生和10名教师体验了该课程。
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图9–1 两名小学生与一台Fab@Home打印机一起工作
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注：该打印机的功能得到了改进，能够用橡皮泥、切削泡沫塑料以及其他数字生产制剂打印。
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图片来源：Glen Bull University of Virginia
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格伦和他的团队创立了一个叫作“边做边学”的课程计划，讲述了一个名叫威廉姆斯的非洲小男孩的故事。威廉姆斯的村庄没有电，他利用剩余的拖拉机部件、废金属和一本关于能源的书，制作他自己的风力发电机。学生们可以跟随威廉姆斯的故事，设计、测试和3D打印他们自己的塑料风力发电机。用放在教室前排的风扇驱动时，这个风力发电机可以点亮一个电路板。
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利用大约20页的彩图和清晰的图解，学生可以通过一系列的动手实验了解动能、电流和传动比等抽象概念。在“边学边做”课程中，学生们通过软件引导的切纸机制作风车叶片，并利用Fab@Home打印机制作风力发电机的塑料齿轮。
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学生们两人一组。课程开始了：
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在你家里有好多东西需要插座，例如冰箱、电视、灯泡，甚至一些科技产品，如iPod。给这些设备提供电力的电来自于发电厂，发电厂能够用风、水、煤甚至核燃料发电。
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故事继续：
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但你知道吗？全球70亿人口里，约有1/4（即15亿人）还生活在没电的世界里。如果这些人在夜间需要灯光，根本做不到，除非像威廉姆斯一样自己发电。
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正如每一位发明家的经历，在故事里，威廉姆斯尝试、失败、再尝试，最后威廉姆斯找到了最佳设计方案。在故事的结尾，他的“涡轮开始旋转，刚开始缓慢地转动，然后越来越快并开始输出电能，邻居们很快看到威廉姆斯的房子由四个电灯照亮，即使在最黑的夜晚也一样”。
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在我参观的教室中，我看到两个小女孩在风扇前测试她们3D打印的风力发电机。女孩们告诉教师，她们的风力发电机不工作了。拆开风力发电机后，她们发现了一个电路板存在问题，一根线连错了地方。她们尝试着纠正回来。成功了！她们的小灯泡随着涡轮叶片转速的加快开始发光。
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这些女孩利用动能发电，并积极解决当中的问题。通过让学生们看到手中的设计问题，“边做边学”课程向学生们介绍了“设计准则”的想法。该课程中引入的设计标准是“你制作的东西人们能够使用并愿意使用”。
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我注意到学生们掌握了另外一个核心工程概念：每分钟转数（RPM）。一个男孩告诉他的搭档，他们需要“计算出风车每分钟的转数”。之前，教师在每台风车上贴了一个闪亮的贴纸，并通过一个小的转速计帮助孩子们计算叶片转速。由于装上了转速计，孩子们不用依赖钟表就可以计算叶片每分钟的转速。
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图9–2 这是一个完整的风力发电机，齿轮是3D打印制作的
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图片来源：Glen Bull University of Virginia
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参观完几个开展Fab@school项目的教室后，我咨询格伦·布尔，为什么亲身体验是如此强大的教学工具。格伦解释说，看其他人解决问题不能帮助学生掌握科学、工程或者数学。“一个带有数字的涂料工具箱从来没有使任何人成为艺术家。同样，如果一个小孩仅仅坐在那里看3D打印机打印，他学到了什么？什么也没有。”