几年前，我被邀请到我二年级的儿子的班上讲解3D打印。那时我正好在大学里教授工程学课程，所以我立马同意了。“不错的主意！”我对我当时的研究生埃文·马龙说，“这会很困难吗？”
在演讲之前的几周时间里，我向儿子阐述了一些3D打印演讲的想法，但都被坚决地否定了。孩子们喜欢关于3D打印的演讲吗？不！一些关于打印玩具的电影怎么样？或者关于使用设计软件的课程怎么样？全都被否定了。
随着日期的临近，我依旧没有好的想法，埃文和我感觉到意想不到的怯场。最后，灵感出现了：3D打印橡皮泥怎么样？孩子们了解橡皮泥，不是吗？
有了可行的演讲计划后，我们设计打印一架航天飞机，机体由红色橡皮泥打印，翅膀和尾巴由蓝色橡皮泥打印。演示的日子终于到了，我们带着Fab@Home打印机走进教室。Fab@Home打印机是我们的研究实验室开发的一台小型的开源3D打印机模型，它的尺寸和微波炉差不多，具有透明的塑料壁，这样人们能够看到打印的过程。为了这个特殊的演示，埃文特意打造了一个具有特大号打印头的3D打印机，这样就能够更快地打印出航天飞机，大约3分钟，我想这还在孩子们的忍受范围内。
像皇室成员巡游一样，Fab@Home打印机被放在二年级教室里的一个高台上，墨盒里装着红色和蓝色橡皮泥。打印机庄重地放在那里，孩子们热情地注视着它。向班里的孩子们简要介绍后，按动了“打印”按钮，Fab@Home打印机的3D打印头开始来回压缩，按照计算机设计文件中迷你航天飞机的形状，慢慢地挤出红色和蓝色橡皮泥。
孩子们被吸引住了。
一些孩子随着移动打印头有节奏地晃动，另外一些孩子则随着打印机的电动机改变的音调出声。几分钟后，一架微型橡皮泥航天飞机出现了。航天飞机从打印机出来后，我把它举得高高的，这样孩子们可以看得更清楚。
沉默了一会儿后，孩子们踊跃举手提问。一个孩子问，我们能够改变翅膀的形状并且再打印一架航天飞机吗？另一个孩子问，我们是否带了更多不同颜色的橡皮泥来打印更多的航天飞机？还有一个孩子抓着一罐从教室架子上拿下来的橡皮泥问，一罐橡皮泥大概能打印多少架航天飞机？另外一个具有企业家倾向的孩子还做了计算，按现有橡皮泥原料市场价格计算，一架航天飞机的售价大约是5美元。
英国克利夫登学校的设计和技术课程的教师戴夫·怀特曾经说过：“如果你能抓住学生的想象力，你就能抓住他们的注意力。”
边做边学：孩子们的工程学
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？
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。
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？
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。
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。
图9–1?两名小学生与一台Fab@Home打印机一起工作
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。
图片来源：Glen Bull University of Virginia
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。
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。
学生们两人一组。课程开始了：
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。
故事继续：
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。
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”。
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。
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”。
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。
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。”
Fab@school项目的魅力在于，设计软件和3D打印都不是课程计划的焦点，而是利用技术通过应用抽象概念解决有趣的问题，进而帮助教师和学生了解并掌握抽象概念。现在，设计软件和3D打印机正在降价，教师和学生能够直接体验设计和工程加工。将来，格伦和他的同事打算创立更多的类似于“边做边学”的课程，并把Fab@school项目推向中学。
从高中阶段说开去
3D打印机帮助高中设计和工程学生更快地失败。等等，这听起来不对。然而，在产品设计、工程和其他解决问题的行业中，失败得越早，你就能越快地找到解决方法。
试想如果一群土木工程师没有早点儿发现问题，而是在隆重的剪彩仪式后一周发现他们的吊桥设计存在致命的缺陷，那将是多大的灾难。桥梁断裂和坍塌将对人们的生命构成威胁，因而项目将被迫重建，代价高昂，士气也受打击。
多亏了3D打印机在快速原型化工具方面的价值，它可以帮助学生更早、更安全地失败。设计过程是基于设计者反复测试设计理念，类似于作家不断修改书稿的过程。明尼苏达的一家3D打印公司Stratasys公司负责教育项目的董事杰西·罗森伯格解释说，学生们发现Stratasys公司的3D打印机很有用，他们能够尽早发现设计错误，而不是投入时间和材料做一次赌博。
当我与杰西交谈以了解更多关于Stratasys公司3D打印机生产线的情况时，他说：“回忆我上高中工程课时，分给我们的一个典型项目是用牙签和胶水建一座桥梁。”换句话说，原型设计不是设计过程的一部分。杰西继续说：问题在于，你在项目临近结束时才能发现桥梁是否会失败。如果有3D打印机，你不必重做就能发现问题，并进行调整。
英国克利夫登学校设计和技术课程的教师戴夫·怀特已经给初中生和高中生讲授了25年的设计和技术课程。他开玩笑说，在教室里放一台3D打印机能够帮助学生“赶走没有用的想法”。两年前，他在他的教室里装了一台可运行的3D打印机。
我从戴夫那里了解到，学生们很少利用3D打印机打印他们所有的方案。通常情况下，教室的3D打印机用于制作更大更复杂的产品，可能是机器人的部分零件，或者赛车模型的车体。学生们使用3D打印机制作他们无法在别的地方找到的特制模仿品。
图9–3?英国两个高中生与RapMan 3D打印机一起工作。
图片来源：Dave White, United Kingdom
戴夫受欢迎的设计课程内容是要求学生设计和3D打印人们能够使用的一些物件。戴夫解释说：“我发现让学生们把他们的数字设计变成现实的东西，他们就会从中学到更多的东西。在计算机上看起来很好的物体，打印出来经常不尽如人意，比预想的要么偏大，要么更笨重。”
戴夫讲述了一个学生的经历，这个学生设计了一个iPod支架，能够固定在自行车车把上。“在设计文件上他的iPod支架看起来很好。但当他打印出来时发现，这个支架并不适合自行车车把，因为它太大了，并且不太符合空气动力学。”这个学生重新用软件绘图，调整他的作品，使它的外观呈流线型，同时也更方便用户的使用。
戴夫说：“有些学生经常会有一些疯狂古怪的想法，并花费许多时间动手去做，最后发现他们的设计在现实世界无法工作时，已经太晚了。相反，他们应该反复设计，边测试边改进。他总结说，学生们应该设计、打印、尝试、再尝试。”
戴夫与学校其他课程的教师合作。他解释说，其他教师正在尝试应用3D模型软件和3D打印机教授学生设计和打印DNA结构、细胞模型或者具有重大历史意义的物体的复制品。目前地理课程的项目就是一个很好的例子。
针对于地理课，戴夫帮助学生设计圣海伦火山1980年喷发之前的地形。学生们首先打印一座喷发前的火山，然后再打印火山喷发后的地形模型，中心带有一个敞开的火山口。他说：“在人文艺术课程中，学生能够设计和打印艺术雕刻的样式或者历史建筑物。”
图9–4?圣海伦火山3D打印模型
图片来源：Dave White, United Kingdom
尽管高层论坛上关于设计和工程教育所起到的关键作用的言辞不绝于耳，但无论美国还是英国的标准课程里都没有工程或设计技巧。虽然有大量专门的数学和科学课程，但工程学受到的关注相对较少，即便有关注，也只是关注合成与设计。因此公立学校很难证明在它们的预算中有必要的技术开支。在课堂上，教师一定要坚持自己的选择，即在课程计划中使用3D打印和3D建模软件。
在美国，国防部和国防高级研究计划局对专门为高中和初中提供3D打印机及其场所的项目提供了资助。虽然很有用，但这些试点方案却把公立学校排除在外，不受政府或公司资助的公立学校的教师想尽办法为课堂采购3D打印机，并获准在教学中使用3D打印机。
英国的情况类似。戴夫·怀特的3D打印课程既没有获得外部机构资助，也没有得到学校的财政预算支持。“我教室里的大多数资源是要来和借来的，当然不是偷的！”他开玩笑地说。克利夫登学校附近有一家小公司，它很慷慨地资助给学校一台能用的RapMan 3D打印机。
戴夫打算继续进行下去，但他说：“我在课堂之外花费了大量时间讲解这些新技术，因为这是我所相信的。学校不能只是告诉学生如何成为一个木匠或钳工，我们必须传授他们技术，这样在将来的工作岗位上才能够使用。”
学习应该是令人愉快的
在美国，每隔几十年，为了应对可能的国家安全威胁，教育专家都会通告公共教育危机，STEM（科学、技术、工程和数学）教育都不止一次地成为争论的焦点。20世纪50年代大家关注的是，与美国相比，俄罗斯公立高中的毕业生继续进入大学学习工程学的人数是美国的2倍，毕业后成为工程师的人数是美国的
30倍。
现在，不再是冷战时代的苏维埃“红色威胁”，迫在眉睫的经济威胁来自低工资制造业国家。随着现代社会的发展，美国公立学校系统不再培养足够的将来成为科学家或工程师的学生。由联邦政府机构、教育家、经济学家编写的大量报告声称，除非公立学校改进传授科学和数学的方法，否则我们的国家将在经济的战场上战败。
我讲这些的原因是，3D打印的教育价值经常被政策制定者、教育家和纳税人作为改进STEM教育的一种方法。议案通常是这样的：如果公立学校的STEM课程更吸引人，将会有更多的学生决定在大学甚至研究生阶段学习工程。3D打印机将帮助吸引学生学习STEM课程。公立学校的3D打印将使更多训练有素的工程师和精通科技的人成为劳动力，结果将形成企业家精神和工艺革新的浪潮，而更多的创新将创造新的就业岗位和高技术企业。
或许这是一个事实，3D打印机将激发新一代学生投身科学、数学和技术的热情，我希望是这样。但关注于STEM课程的问题在于，考虑到对3D打印和设计教学工具的投资，这些令人兴奋的教学技术将面临限定教学范围的风险。
相反，设计和制造工具（例如3D打印机）能够点燃学习所有学科的热情，包括没有资金支持的人文艺术学科。几十年前，计算机仅被认为与STEM学科有关，而如今它已经改变了艺术、写作和历史等科学与数学之外的领域。
对设计和3D打印进行广泛思考带来的另外一个好处是，它们作为教学工具能够帮助在主流教育中表现不好的学生。“理论第一”的教育方法不是每个人都擅长的，一些学生在没有看到或者触摸到学习实物的情况下，很难掌握抽象概念。
图9–5?博物馆展出的19世纪机械和下载后3D打印的复制品
图片来源：kmoddl.library.cornell.edu
视障学生可以从触摸物理模型中学习抽象概念。另外，对于所有的学生，无论吸收新知识的程度如何，在物理媒介里重新制定的学习课程可以巩固他们所学的知识。最重要的是，许多学生喜欢动手学习。
我们大多数人低估了这样一个事实，对于很多学生来说，学校里的一天是漫长而可怕的。用格伦·布尔的话说：“学习应该是令人愉快的。”听起来也许很通俗，但如果你是七年级的学生，什么类型的课程计划能够使你期待每一天的课程呢？
让我们看看纯粹教学范围内的3D打印吧。让学生接触设计工具有益于他们的学习吗？也许有些教师已经注意到，有些学生在传统教学方法中做得不好，但接触到他们自己的设计工具和产品时也许会做得很好。
考试分数与动手能力
当我与戴夫·怀特交谈时，他提供了一些观点，这些观点和我从其他工程和设计课程的教师那里听到的类似。近年来，戴夫了解到有些学生非常精通他们的课堂作业，这些学生被称作“课本通”，但这些学生并不都是他眼中的好学生。他说：“当我了解到学生对教科书没有兴趣时，我并不感到吃惊，但一旦他们接触到一个项目的设计部分，他们恢复了兴趣，布置的书面作业也能很好地完成。”
格伦·布尔也证明了在精通理论和实践之间存在着差距。他说：“我了解到在仿真环境下，有些学生的电路设计可以做得很好。但当面对真实的电路时，这些学生经常失败。纯粹的理论学习改变着我们的大脑，使我们的学习僵化。关于物理维度，以及伴随着理论维度的经验学习，还有很多地方值得挖掘。”
先前的研究支持了格伦·布尔的第一手经验。在1995年，一位研究者对比了学生制作真实电路的能力和他们该科目的考试分数。学生通过动手作业，如制作并测试一个电路，证明他们的实践知识，同时对学生提出一个关于电路的问答测试。研究结果表明，考试考得好的学生，当面对真实电路的时候并不一定精通。换句话说，笔试分数并不是一个可靠的测试学生动手能力的手段。
该研究提出一个问题：哪种方式更有效，即通过讲解理论传授学生新的信息然后应用，还是通过动手体会第一手经验后进入理论学习？对于通过把设计软件和3D打印机编入课程，尝试指出如何提取教育价值的人们来说，这是一个非常重要的问题。
结果很明显，学生是不同的个体，不同的学生喜欢不同的事情，甚至每个学生学习爱好的转移也依赖于科目和新知识的复杂性。
忘记学习方式
我们希望人们尝试设立3D打印和设计软件课程时不会把这些技术局限在具体的学习方式。学习方式的概念对于教师、父母、出售教育课程的公司和学生具有巨大的号召力，问题是学习方式的存在没有科学性。事实上，一些研究表明，在讲课方式学生不习惯的课堂上，他们精力特别集中，并且非常努力，做得很好。
我们每个人都对最佳学习方式有自己的观点，该观点已经在某种程度上渗入关于课堂的教育主流思想里，现在这种观点已牢固地存在于教学战略上。这在某种程度上类似于星座运势，几十年来，教师、父母甚至学生都已经接受了这个想法，即大家都有他们自己的独特的学习方式。作为回应，在过去几十年中，教育和教学理论家已经确定并制定了至少70种经过证明的学习方式。
然而，为学习方式量身定制课程的危险并不缺少经验证据的支持，它的危险是这样的课程框架是有限的且注意力分散的。教师们尝试让新的、挑战经验学习方式的设计课程适应空想的学习方式，这耗费了教师的时间，也稀释了教学
资源。
我们当然要解释一下研究者是如何定义学习方式的：“学习方式”是一种观念，即不同的个体对什么指令或学习模式对他们来说是最有效的有不同的意见。赞成学习方式评价的人争论说，一个人最好的学习方式是首先判断他独立的学习方式，然后制订相应的课程计划，我们也把这一过程称作“匹配”。
典型的学习方式评价是询问人们更喜欢什么样的信息表现形式，例如词语、图片或演讲。另外一个普遍的问题是对个人来说，最吸引人的或最合适的精神活动是什么形式（如分析或聆听）。假定设计和3D打印对拥有“视觉”或“触觉”学习方式的学生有很大吸引力，这具有很强的诱惑力。问题是这将遗漏有能力的学生，如果考试，这些有能力的学生将被划为不同的类别。
如果学习方式是可疑的科学，那么在K–12（从幼儿园到12年级）的教室里是否有理论基础支持3D打印和设计工具的价值？可能有。掌握坚实基础知识或者抽象概念的人能够在新环境中创造新的概念。用一个更加学术的方式来描述不同环境中的相同的知识，就是“多重表达”。
这里举一个例子：当你考虑“抛物线”这个术语时，出现在你的脑海里的会是什么？如果你真正理解抛物线的概念，你会立刻想起多项式方程，或者一条几何曲线、一个聚光镜，甚至可能是旋转液体的表面，这些多重表达（分析的、几何的、光学的、物理的）都与抛物线有关。一个真正掌握这个概念的人能够把它们联系起来，但如果你只想到了其中一个，说明你没有完全掌握这个概念。
把数字化设计转化为实际物理对象的最强大的方面是，加强抽象概念转化为不同的媒介。设计文件中所包含的知识是虚拟的，在数字媒体中被捕捉。知识经打印之后成为实物。设计工具和3D打印因作为工具挑战学生在新媒介中描绘概念或过程的能力而闪闪发光。
3D打印让学生不再遗忘
人们熟悉使用视觉媒介区分复杂抽象主题的价值。我们大多数人都很轻松地接受了这个概念，并认为从书本学习新知识的最好方法应用来解决实际的、现实世界的问题。3D打印作为一个有价值教育工具的原因在于，它给教学和学习抽象概念引入了附加的物理维度。
例如，Fab@school项目的“边做边学”课程，动能被定义为“一个系统或物体运动时所具有的能量，随着物理速度的增加和重量变大而增加”，这样的一种书面描述是定义动能的一种方法。当学生设计、制作风车，并且把它放在风扇前面接通了一个电子电路时，这给出了通过一种附加的媒介加强概念的方法。
当戴夫在地理课堂上通过3D打印引导学生时，学生在不同的媒介之间转换。首先，学生学习从数值上描写山体表面的知识（数值是描写火山形貌的一种媒介），一个数据库描写火山喷发之前的形貌，另外一个描写火山喷发之后的形貌。接下来学生把原始地形测量资料转化为设计文件（数字是另外一个媒介）。最后，学生打印出圣海伦火山喷发之后的小型复制品（物理介质）。
我们或许从来都不知道，但我想知道10年以后学生是否还记得这个地理练习，以及他们将记住什么？如果一些学生仅从书本上重复阅读火山喷发，其他人则进行整个火山喷发的实验，我想知道哪个组将更好地记住课程内容。
这里有一个有趣的实验，可以测试多重表达的作用。首先写一个简单方程，例如y=1/x，写出的数学方程是描述数字之间关系的一种方式。第二个媒介是视觉的，在二维的图片上画出方程。
现在让我们设想一下，你带着这个简单的书写方程去商场，或者你的州议会，对于给出的x值，让一些成年人解出这个方程。或许一些人知道方程是干什么的，他们知道为了解出x，你必须给出y值（或相反）。在这种情况下，如果你告诉他们y值是2，他们能很容易地计算出x值是1/2。
如果同样的方程是在一个新的媒介中表达，将会怎么样？假设询问一个成功解出这个方程的人，让他在图上画出它的形状。如果你回到商场或者州议会，随便找个人这么做，可能很少有人能够轻易用图形表达出方程。我们大多数人没有记住高中或者大学里的数学技巧，其中的一个原因是，MBA（工商管理硕士）课程申请人中高级经理入学考试的GRE（美国研究生入学考试）数学分数线低于应届大学毕业生分数线。
一些教育理论家推测，我们大多数人离开学校之后很快就忘记数学课程的原因是，我们在单一的抽象介质中学习数学。如果学生学习抽象数学概念，然后把它转换为不同介质里的概念，可能他们能够更好地掌握和回忆这些概念。以我自身的经验来看，死记抽象概念让我通过了考试，但考试过后我很快就忘记了它们。
用单一的媒介讲解和学习抽象概念很容易，只需要记忆就可以，但真正要掌握它们，这是根本不行的。问题在于大多数的课堂教育只关注课本，而这对于大多数人的记忆是根本不够的。
参加Fab@school项目的学生记住动能书面定义的时间可能晚一些。事实上，幸运的少数人几年之后能够精确地背出动能的概念，但大多数学生能够记住动能可以驱动风力涡轮机的旋转叶片来接通电子电路。
触觉教学：课堂教育的新革命
数学方程能够描述一个简单的二维线，更复杂的方程描述三维对象。如果从书面方程出发，把模型转化为平面图片是一个挑战的话，想象一下给学生讲解压力相互作用、体积和温度（热力学方程）将是多么大的挑战。
教师们将三维辅助教学称为“可操作的”，物理教学的可操作性支持“触觉教学”。触觉学习不是一种学习方式，而是一个重要的学习管道。
在触觉学习中，学生不是在黑板或显示器上简单地看一幅图形，而是通过他们的触觉感受抓住核心概念的三维模型，这样能够吸收和消化知识。对于有视觉障碍的学生，触觉学习是一个重要的学习途径。如果学生在设计文件中掌握了概念并打印一个物理可操作的模型，媒介转移将可能帮助他们加强对新的抽象知识的理解。
几年前，我收到一封来自华盛顿大学物理学院克林顿·迪皮尤教授的邮件。迪皮尤教授在大学里教授热力学。热力学主要学习封闭系统中压力、体积和温度之间的相互作用。例如，如果你使用过自行车打气筒，你会注意到随着你按压打气筒的把手，气筒变热了。当你压缩空气时，你增加了空气的压力，减少了它的体积，因此温度升高。在压力、体积和温度之间，存在一个正在进行的动力学三向相互作用。
大多数学生都能够在迪皮尤教授的课堂上看到P–V–T（压力–体积–温度）之间关系的图形。一个名叫戴夫·普莱斯曼的学生视力有问题，很难看到P–V–T之间复杂的空间关系。30年前，为了帮助他理解热力学的基本准则，迪皮尤教授动手做了一个其他学生在黑板上就能看到的代表P–V–T之间关系的泥塑模型。泥塑模型高约10厘米，底座宽15厘米。戴夫能够沿着压力增加的方向滑动手指，“感受”每个点的变化，在体积方向的表面向下滑，表示当压力增加时体积减小。
图9–6?触觉教学：由折叠的硬纸板制作，后发展为3D打印
图片来源：Glen Bull, University of Virginia
毕业30年后，戴夫还记得泥塑模型，他给迪皮尤教授发邮件询问泥塑模型是否还在。非常幸运，泥塑模型还在，泥塑模型的确经受住了时间的考验。迪皮尤教授已经从华盛顿大学退休，当他整理桌子的时候，他把原始的泥塑模型装起来邮寄到了我的实验室。戴夫和我都想知道，是否能够扫描原始的手工模型，把扫描结果载入设计文件，也让其他的物理教师能够使用。
泥塑模型邮寄到时已经碎了，精心地重新组合之后，我们成功地扫描并把它载入设计文件，该文件在网上供免费下载。今天任何接触3D打印机的人都能够重新制造一个迪皮尤教授独一无二的泥塑模型的复制品。我不知道是否每个人都曾经使用过这个模型，也不知道是否视力有障碍的学生都能从这个模型受益，但存在这样的机会。
图9–7?热力学PVT泥塑模型，原始模型（左）和3D打印的复制品（右）
我记得，在我父亲曾经工作的物理学院的过道塞满了老旧的、满是灰尘的晶体、钟摆、弹簧和扳手的教学模型，这些模型非常漂亮，显然是由热爱教学的人制作的。但仅靠爱好和天资还不能够获得他人使用的模型：一旦模型创造者退休了，模型也退休了。3D打印却能够使这些模型经久不衰。3D打印机能够轻松地分享和传播物理模型，增加创作它们的动机。
3D打印打开了创作可操作教学模型的可能性。按照用户要求设计的3D打印的可操作教学模型，使教师具有制作独一无二教学工具的能力，而这些在标准课程大纲里没有。教师能够分享和加强其他3D打印的可操作性，并在他们自己的课程计划上采用。
在小学里，操作教学能够给小学生解释简单概念。学生能够创造一个稀有昆虫的三维模型，或者考古遗迹的复制品。在更高年级的课堂上，操作教学能够帮助学生理解复杂的概念，比如分子模型或机械设备的零件。
课堂教育如何应用3D打印
今天，3D打印机已经在高中用来制作固体物件。如果高中已有3D设计软件和数控铣床，安装一台低成本的、消费性等级的3D打印机并不困难。在某种意义上，当3D打印机带着3D设计软件进入教室的时候，它应该是教室制作工具，能够把设计想法变为现实。
在中小学推广3D打印的第一道障碍是如何训练教师、如何制定好的课程、如何拟合3D设计并把它变为标准化的测试过程。教师应该有积极性，可以接受把设计软件和3D打印与核心的数学和科学课程想结合。学校董事会和父母需要理解他们自己在教学过程中的角色。在一定程度上，我们应该设计整合他们各自擅长的课程。
教师给教学带来蓬勃生机，并决定学生在整个学年采用何种教学活动。然而，许多小学教师并不能熟练地讲解数学和科学，他们仅仅把自己定位于阅读教师。
为了让教师熟悉3D打印课程，我们需要确保，打印课程不是让教师讲解设计和3D打印过程基础的机械知识。大家都有各自的利益，并非人人都对新工艺感兴趣。许多教师和学生只有看到在自己的创意舞台应用设计和3D打印技术或者在日常生活中解决问题时，他们才会因3D打印而兴奋不已。
如果公立学校准备投资3D打印机和相关课程，为了评价投资，课程方案需要配合国家和州的教育标准，以便教师能够投入这些教学活动中。20世纪80年代，美国大多数的州都批准了通过实施遍及全州的课程向导和框架来改善K–12教育质量的政策。大约一半的州都要求学生通过一些形式的考试才能够高中毕业。
私立学校由于不需要依附政府的标准而享有更高的自由度。然而在公立学校系统，教师和学校的生与死是由学生一年一度的标准化考试决定的。标准化考试是一把双刃剑。一方面能够把表现不佳的学校挑出来，或许通过给它们提供附加的基金资助或其他援助改善学校的教学质量。
另一方面，出乎意料的是，标准化计划想要改善公众的K–12教育质量，同样可能成为推广3D打印和设计课程的障碍。由于《有教无类法案》的出台，学校强调的是考试成绩，在已经很紧凑的课程里引入新的内容，对学校来说存在风险。
此外，在大多数K–12学校，核心教育对工程和设计没有要求，因此没有关于工程和设计的标准化考试。为了引入设计和打印技术，教师必须找到一条出路，以应用它们支持州的标准。挑战在于如何把模糊和概念化的标准转化为轻快的、有趣的相关课程计划。
一些州设置了遍及全州的课程，并且批准了全州通用的教材。然而课程教材的制定和使用往往是当地学区或学校的责任。但州标准也有好的一面，标准倾向比较含糊，给教师留出了空间讲授他们认为最好的内容。
以前几乎没有正式的关于将3D打印和其他桌面制作系统融入教室教学最好方法的研究。测试新课程不是一个简单的流程。美国教育部要求公立学校的教师参加“证据驱动课程设计”。
图9–8
注：MakerBot资助K–12学校的教师建立了创新课程计划。在纽约布鲁克林的二年级教室里，学生通过设计房子，并把房子放在被冲走的沙滩“河岸”来学习腐蚀。
图片来源：Ryan Cain
受美国食品和药物管理局（FDA）评价新药品效果的启发，新的教学方法或者课程必须得到相关数据的支持，这些数据来源于随机课堂实验。教师和研究者不能仅凭他们的感觉使用一些新的教学方法。实验首先需要比较学生在新的教学方法中的表现和在目前标准方法（基线）中的表现。新的教学方法要想合格，必须在统计上证明其显著改善了学生的短期和长期表现。
“证据驱动课程设计”的挑战是，它很难在教室里进行公正的随机实验。这需要时间，而且参加的每个人，包括教师、学生和他们的父母，往往都知道学生在哪个组。如果参加者对特殊方法抱有偏见，他们的行为可能受到影响，并且他们会不愿意接受他们不赞成的教学方法。可能有些学校已经开展实验测试设计和3D打印对学生学习的影响，但这仍是一个漫长的过程。
3D打印未来的课堂
3D打印能否改变课堂？是的。课堂课程将发生突然的、剧烈的变革吗？不。像任何新技术一样，3D打印将逐渐进入课堂，逐渐被一些学校和学科领域所接受，同样也将被一些学校忽视。
中小学面临的困难更多。大多数中小学没有开设设计和工程课程。为了使设计和3D打印成为公共课堂的主流，教师某种程度上必须依附一些技术支持学生获取传统的核心知识，结果，介绍3D打印将变成测试教师创新程度的一个工具。
这里我们应该注意到，一些富有想象力和具有创新性的3D打印应用已经开始在大专院校的课程里推广。对大学教授来说，很容易在他们的课堂上试验3D打印。但K–12课堂的课程计划则不太容易改变，并且公立学校的教师也不太容易得到基金资助来支持3D打印技术的使用。
如果设计工具和3D打印按照计算机教育的已有模式发展，那将是令人遗憾的。富裕的K–12学校和大学装备了快速的网络，也配备了掌握最新科技的教师。相比之下，资源匮乏的学区则很艰难，学生只能按照预定的时间在仅有的计算机教室（计算机教室经常被锁上）里使用落伍的计算机。K–12学校的毕业生数量比其他任何教育途径都多。我们相信3D打印能够传授学生所有的学习能力，并使他们具备一定的社会经济背景。
回顾计算机影响教育的方式，这种方式很容易与其他方式进行对比。计算机最初的应用仅仅是为了提高那些被认为与“计算机相关”的课堂，例如编程课，或者可能是数学课。但这种情况已经发生了变化，今天每个教室都在使用计算机，每个课堂（从历史课到艺术课）也在使用计算机。最重要的是，计算机已经打开了教授和学习科学的全新方法的大门，并且这种改变结束的可能性遥遥无期。
3D打印机有可能延续同样的道路。最初，3D打印机会被相关的课堂所采用，例如技术学院的课堂。很快，3D打印机会被另外的课堂所采用，从数学课到生物课，最终到艺术课、历史课和文学课。和计算机一样，3D打印机将打开教授和学习科学的全新方法的大门，我们今天还无法想象这种教授和学习的方法。
