3D打印技術在中小學教學中的應用——以英國中小學課堂引進3D打印技術項目為例

李柯影 鄭燕林

（東北師范大學 計算機科學與信息技術學院，吉林長春130117）

引言

3D打印技術以計算機輔助設計（CAD）軟件生成的或通過實體掃描設備掃描實物所獲得的數(shù)字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過“積層造型法”逐層打印材料層創(chuàng)建物體，主要用于原型設計以及組件或產品地制造[1][2]。3D打印技術實現(xiàn)了“設計即生產”的創(chuàng)想，具有快速生成的特點，不但能夠實現(xiàn)從零件設計到整體設計的跨越，而且所“打印”的產品，較之傳統(tǒng)方法所生產的產品具有更強的穩(wěn)固性、更精密的結構，支持更有創(chuàng)意的設計與生成，因此近年來在機械制造、生物醫(yī)藥、建筑設計、藝術創(chuàng)造等多個領域受到越來越多地關注[3]。

雖然3D打印技術在上述多個領域的應用受到關注，但目前針對3D打印技術在基礎教育領域深入應用的系統(tǒng)研究相對較少。英國教育部及相關組織機構于2012-2013年實施了為期一年的探究3D打印技術在學科教學創(chuàng)新中的應用，該項目不僅取得了實質性教學應用成果，而且推動了3D打印技術在教育領域中的應用，為更多學校引進3D打印技術，變革教與學的模式起到示范與引領作用。本文結合英國3D打印技術教學應用案例，深入分析3D打印技術在英國中小學教學中應用的目標指向、應用效果及影響因素，探究3D打印技術在教學應用推廣時需要注意的問題，希望為學校教育引入3D打印技術提供一定的參考。

一 3D打印技術在英國中小學教學中應用的目標指向

1 指向提升學生的學習主動性、培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維

基于對3D打印技術本身特性的把握，發(fā)現(xiàn)該技術可以作為動力激發(fā)工具和支持創(chuàng)新設計的技術工具應用到教學活動中，促進學生學習主動性的提高和學生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。

一方面，3D打印技術本身的功能特性以及對學習活動的支持作用決定了其作為技術支持工具對提升學生學習主動性有積極影響。首先，3D打印技術作為一種新型技術，其新穎性更加容易引起學生參與基于該技術的學習活動的好奇心和興趣，激發(fā)他們主動參與學習活動的動機。其次，3D打印技術的獨特功能——快速打印模型或實物，支持并激勵學生主動參與打印活動。學生可以利用3D打印機將自己的創(chuàng)新設計或想法以可視化方式呈現(xiàn)給教師和其他學習者，由此獲得的成就感，不僅會促使學生更加積極主動地參與學習活動，而且會激勵他們主動參與創(chuàng)新設計。第三，3D打印技術支持的學習活動有助于體現(xiàn)學生作為學習活動主體主動參與學習的重要性和價值，進而促進學生主動參與學習活動?；?D打印技術的學習任務，需要學生主動分析打印任務、參與計劃與決策、參與創(chuàng)新設計原型，這種主體意識和被需要的感覺讓學生意識到自己在學習過程中的重要性和價值，促使學生更加的主動地參與到打印活動。

另一方面，為保證學生主動參與并有效進行學習活動，英國教育研究者認為在3D打印技術快速打印實物功能的支持下，學生可以將時間和精力集中在創(chuàng)新設計環(huán)節(jié)，有助于創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。創(chuàng)新啟于格物致知，創(chuàng)新思維啟于透徹地分析打印任務和豐富的實踐經驗，是進行創(chuàng)新設計、打印出創(chuàng)新性個性化作品的基礎和源泉。學生通過主動參與創(chuàng)新設計、全面細致地分析打印任務，充分發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力，最終打印出個性化的作品。

2 指向探索新的教學方法

英國3D打印技術在學科教學中的應用項目是在“人類可以通過制造和分享過程產生學習”理念指導下開展的學科教學創(chuàng)新探索項目[4]。該理念的核心是“制造”和“分享”，強調在真實情境中通過體驗式學習與探究式學習是獲得知識并實現(xiàn)學以致用的有效方式。所以，教師借助 3D打印技術可以為學生創(chuàng)建“體驗式學習中心”，這同時也是一個知識運用空間，學生需要主動參與到真實的實踐活動中，并通過親自動手操作獲得直接的學習體驗，提高解決問題的知識與技能水平。在3D打印技術支持下的體驗式學習中心從學習內容、學習方式上都有所突破。

“體驗式學習中心”的學習內容可以是一個專題的探究學習，也可以是單一知識或問題的學習與探究，還可以僅是一個創(chuàng)意的實現(xiàn)，甚至是這三者的交叉融合。在專題探究學習活動中，教師需要給學生提供一個主題及其設計綱要，并期望學生能對該設計做出自己的選擇，主動的進行學習和探究。學生在專注于研究主題的同時，會自然地將3D打印機作為學習或探究內容的一部分。針對后兩種學習內容，學生可以利用3D打印機將一個想法變成現(xiàn)實，將一個知識或問題以可視的打印作品呈現(xiàn)，有助于個性化和創(chuàng)新思維的發(fā)展。例如，沃特福德男子文法學校（Watford Grammar School for Boys）的學生打印出各種代數(shù)方程的3D圖形[5]。

“體驗式學習中心”的學習方式可以是協(xié)作學習，也可以是自主學習，前者是實現(xiàn)“共享”理念的有效方式，而后者在實踐中已經證實了3D打印技術對學生個性化學習起著重要的支持作用。在2012-2013年英國3D打印技術走進校園項目研究中發(fā)現(xiàn)：基于3D打印技術的自主學習能改善學習效果并伴隨產生其他更廣泛的利益。例如在物理和數(shù)學學科教學中，教師非常希望能成功的使用打印機來促進學生思考、推理和理解學科教學知識，并且開展學生為主導的實驗。這種自主學習方式更大程度的將學習的主動權交付學生，讓學生在3D打印技術支持下進行自主學習，將知識學以致用。這種突破性的新教學方法，不僅有利于學生個性化發(fā)展，而且有助于學生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。

通過身臨其境地制造和分享所產生的學習行為，對學習或知識獲得具有實際效益，而且 3D打印技術是為教師和學生提供體驗式學習機會、為學生創(chuàng)建知識運用空間的重要支撐技術。體驗式學習讓學生更容易理解知識的內涵，在實踐中有效應用知識是強化知識、體現(xiàn)知識的價值。這種新的教學方法，有利于促進學生主動參與學習與探究活動，培養(yǎng)學生的協(xié)作意識以及發(fā)展學生的創(chuàng)新思維和自主學習能力。

二 3D打印技術在英國中小學不同學科教學中的應用

3D打印技術在英國中小學不同學科教學中的應用，多角度展示3D打印技術在促進學科教與學的功能的優(yōu)勢和應用方式，為優(yōu)化技術與學科知識的整合提供可借鑒的觀點與方法，為實現(xiàn)學科教學目標以及突破學科教學難點提供策略。筆者基于對3D打印技術功能性特點和學科教學目標、特點等的考慮，總結出3D打印技術在學科教學中應用的分析框架（如圖1所示）。

1 在“科學”學科教學中的應用

“科學”學科的教學內容涉及生物、化學和物理三方面的知識，其教學目標是通過學習與探索生物、化學和物理的基礎知識，發(fā)展學生對科學本質、過程和方法的理解力，并通過不同形式的科學調查，幫助他們回答現(xiàn)實生活中的科學問題，提高科學素養(yǎng)[6]。

基于對3D打印技術功能特性與“科學”學科教學目標及特點的關聯(lián)與分析，發(fā)現(xiàn)該技術可以觀摩和協(xié)助探究兩種方式促進學科教學目標的實現(xiàn)。首先，3D打印技術支持學生通過觀摩教師利用3D打印機打印的模型來獲得相關知識內容，有助于發(fā)展他們的觀察能力、分析能力以及理解力。比如“科學”學科教師可以利用3D打印機打印眼球模型，幫助學生理解有關眼球構造、功能等知識。其次，3D打印技術支持學生在教師協(xié)助下主動構建3D模型，并對相關知識進行深度學習，提升他們探究事物本質、規(guī)律的能力。如“科學”學科教師可以組織學生在3D打印技術環(huán)境下討論塑料的性能，也可以利用3D打印機協(xié)助學生構建分子、細胞甚至正弦波等模型[7]，學生在構建過程中可以通過研究這些數(shù)字模型文件的數(shù)據(jù)信息進行深度學習與探究，最終獲得相關知識。當然，在項目中該學科的打印活動大部分依靠如Thingiverse等提供設計文件網站所共享的3D模型源數(shù)字文件。

3D打印技術通過提供觀摩與協(xié)助構建這兩種技術使用方式，為學生在“科學”學科學習中營造體驗式的學習空間，促使學生獲得更加直接的學習體驗。學生通過主動進入該學習空間，獲取空間中所展示和隱藏的知識，探究事物本質、過程和變化規(guī)律等，提高科學理解力、探究能力以及科學素養(yǎng)。觀摩與協(xié)助構建體現(xiàn)了3D打印技術作為教學工具與學習工具應用到“科學”學科教學中的功能優(yōu)勢，對拓展教學工具的廣度、挖掘教學工具深層內涵有重要意義。

2 在“數(shù)學”學科教學中的應用

圖1 3D打印技術在學科教學中應用的分析框架

中小學“數(shù)學”學科的培養(yǎng)目標是通過頻繁的計算、推理、演示等教學活動，促進學生對數(shù)學基本概念和原理的理解和應用，培養(yǎng)學生推理能力和問題解決能力[8]?！皵?shù)學”學科的教學難點是將抽象的數(shù)學概念或規(guī)律以簡單可視化方式呈現(xiàn)給學生，促進學生理解和掌握。

基于對3D打印技術功能特性與“數(shù)學”學科教學目標、特點及難點的關聯(lián)與分析，發(fā)現(xiàn)該技術可以通過演示和協(xié)同構建兩種方式幫助突破數(shù)學學科教學難點，促進教學目標的實現(xiàn)。一方面，3D打印技術為教師演示數(shù)學抽象概念或規(guī)律形成過程提供技術支持。比如立體幾何中關于畢達哥拉斯定理（勾股定理）和三角法的教學，一般停留在平面演示、想象、計算、推理的層面，但在3D打印技術支持下，教師可以利用3D打印機輕松簡單地構建立體幾何體，使該定理的推理演示過程更加直接地呈現(xiàn)給學生，促進學生從形象的實物和過程演示、推理中理解并掌握數(shù)學抽象概念和知識，而且有助于提升學生的立體空間感。另一方面，3D打印技術支持學生協(xié)同構建或探究數(shù)學規(guī)律。例如，沃特福德男子文法學校（Watford Grammar School for Boys ）六年級組教師和學生協(xié)同研究與拋射體速度、高度和距離相關的微積分[9]。首先，他們利用 3D打印機產生一個支持內部彈射器的聯(lián)結，然后再利用3D打印機為這個項目生產一系列的拋射體。在實驗中，學生可以通過立體多角度的觀察物體運動與變化規(guī)律，促進他們對微積分知識的深度理解和掌握。此外，該校學生還打印出各種代數(shù)方程的3D圖形，幫助理解代數(shù)方程的內涵。

3D打印技術通過演示和協(xié)同構建兩種技術使用方式，為學生理解和掌握數(shù)學抽象概念，探究數(shù)學規(guī)律提供了可靠的技術支持。同樣，教師可以借助3D打印機以立體簡易化方式呈現(xiàn)數(shù)學概念或規(guī)律，有助于提升學生對抽象知識的理解度和掌握度。演示與協(xié)同構建體現(xiàn)了3D打印技術在“數(shù)學”學科教學中的應用對拓展教學工具深度的意義。第一，在知識展示方面。以往的學習內容大多基于二維平面進行展示，除非一些需要學生親自操作的實驗活動，否則都是依靠想象、理解或死記硬背的方式來獲取知識。利用3D打印技術可以將概念和知識立體化、具體化、可視化，幫助學生擺脫對抽象概念和知識的空想，促進他們全面理解知識并激發(fā)他們的求知欲。第二，在知識實踐方面，3D打印技術支持學生的創(chuàng)造活動，并能快速物化設計，既促進了學生主動參與學習活動，也有助于學生將理論知識與實踐相聯(lián)系。

3 在“設計與技術”學科教學中的應用

“設計與技術”學科是一門具有啟發(fā)性、嚴謹性和實用性特點的學科，更是一門綜合性學科。該學科的教學培養(yǎng)目標是通過組織和引導學生使用創(chuàng)造力和想象力設計并制造出能夠解決各種情境下的現(xiàn)實及相關問題的產品，同時也考慮產品使用者的需求、愿望以及價值觀；通過支持學生獨立完成簡單的設計與制造工作，提升其參與“設計與技術”學習活動的自信心，促進創(chuàng)造性專業(yè)技能的獲得；通過批判、評估和測試他們的想法或產品，理解和應用相關項目學習事項、技能和流程[10]。

基于對3D打印技術功能特性與“設計與技術”學科教學目標和特點的關聯(lián)與分析，發(fā)現(xiàn)該技術可以通過創(chuàng)造與設計促進教學目標的實現(xiàn)以及跨學科知識的融會貫通。首先，3D打印技術為教師和學生發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力等創(chuàng)造性活動提供便捷性的技術支持。師生利用CAD等計算機輔助設計軟件充分發(fā)揮想象、聯(lián)想能力設計出3D立體數(shù)字模型，再使用3D打印機將模型實體化。其次，該技術為師生制造實用性產品提供技術保證。由于該學科特別注重產品的實用性，所以3D打印技術支持的教學活動不僅需要學生系統(tǒng)地考慮、細致地分析打印任務，并通過迭代完善工作創(chuàng)造出實用性強且質優(yōu)的產品，而且要盡量節(jié)省生產原材料、保證高精度和高堅固性，為實際實施提供質量保障。比如在橋梁工程學教學中，學生可以利用3D打印機打印出橋梁模型，通過力學測試來及時發(fā)現(xiàn)并改進橋梁穩(wěn)固性、規(guī)模等問題，為實際施工做足準備。第三，該技術為跨學科知識的綜合運用提供橋梁。例如在Cramlington學習村莊[11]，學生在學習工程課程時，除了需要學習生產技能相關知識外，還包括物理、數(shù)學等方面的知識。比如學生在創(chuàng)造和生產椅子的過程中，首先需要考慮椅子的平衡性,防止打印過程中出現(xiàn)斜倒、扭曲的狀況；其次要考慮椅子的承重力，防止先打印出來的部分被后打印的部分壓擠變形；最后，還需通過成本評估確保物有所值?？梢钥闯鲞@個過程不僅涉及有關生產過程的技術知識，而且涉及有關于椅子的穩(wěn)定性、承受力以及平衡性等物理知識，還涉及用三角法來計算椅子的后視角、用軟件繪制坐標等數(shù)學和軟件操作知識。

3D打印技術通過創(chuàng)造與設計這兩種技術使用方式為學生獲得并應用知識提供可靠、便捷的技術支持，實踐了“設計是重點，生產不是問題”的新思想，在提升學生分析、設計、評估、實踐和創(chuàng)造能力、促進學生的分析性思維與創(chuàng)新性思維以及系統(tǒng)思維發(fā)展、提高現(xiàn)實中建造高質量的工程提供保障并切實地實現(xiàn)了利用技術輔助工程設計等方面有重要實際意義。而且就如溫莎男子學校（The Windsor Boys’School）的DT負責人[12]認為，熟悉3D打印設計流程（計劃、設計、制造和評估）的學生能夠利用3D打印機來縮短“制造”階段的時間，使打印機在“打印”產品時更快。這意味著學生可以將更多的時間和精力分配到產品的“設計”上，發(fā)展他們的創(chuàng)新思維。此外，目標指向中提到的“體驗式學習中心”，更多地發(fā)生在“設計與技術”學科教學過程中。

三 影響3D打印技術在英國中小學教學中應用的因素分析

通過對2012-2013年英國開展的3D打印技術進入學科教學項目的分析，總結出成功背后的影響因素有以下幾個：

1 教師對3D打印技術的教學應用持積極的態(tài)度

正如許多參與項目的老師說，他們只花幾個月的時間就能足夠熟練地使用打印機和相關軟件，并且能在教學中成功而自信地使用。在實踐教學中表明，自信的教師在使用3D打印技術時要比那些相對孤立且不能堅持解決委托或獲得持續(xù)支持的教師更得心應手，因為他們有著對主題探究的熱情和敢于實驗與創(chuàng)新的膽量。正所謂“心之所向，身之所往”。當教師憧憬并相信3D打印技術具有促進教與學的潛能，便會致力于技術與教學的有效整合，探究創(chuàng)新教學方法，最終獲得成功的經驗和有效的技術應用策略。

2 教師與教學支持人員的通力協(xié)作

英國3D打印技術在中小學學科教學中應用項目，是由教育部、物理學會、全國數(shù)學教師理事會（NCETM）、3D打印機廠商、學校等合作進行的。其合作的目的有三個：一是確保教學中所選擇的軟件是適合跨學校、跨科目的；二是提高各種資源的有效利用率，包括各學校的教師資源、技術資源；三是促進交流與共享技術應用經驗。技術與教學整合需要投入大量的時間、精力和人力。例如參與項目的Highworth女子文法學校有成功的案例，該校的DT老師和物理技術人員密切合作，共同設計一組可以通過金箔模擬阿爾法粒子的散射的設備。所以，教師與教學支持人員，包括專業(yè)技術人員、3D打印機廠商、同一學科或不同學科的教師之間的通力協(xié)作是推動探索技術促進學科教學的持續(xù)動力。

3 必要的軟硬件環(huán)境建設

（1）軟件

項目組織者和支持者為教師和學生提供使用設計軟件的專門培訓，而且盡可能選擇容易上手且免費的設計軟件，比如很多學校選擇使用的免費 Sketchup（草圖大師）。基于該類設計軟件的數(shù)字設計模型是3D打印機打印產品的源文件。該文件在打印輸出時，通常是一個.stl文件，然后送入第二層軟件并生成打印機指令（G code），該指令唯一指向于一個特定的打印機。.s3g文件格式的G代碼通過SD卡輸入打印機。打印項目中Makerware和復制因子G計劃通常被用于生成G代碼[13]。數(shù)字設計模型可以從如Thingiverse等免費網站下載，這有助于入門打印機操作的學習。

（2）3D打印機

從英國3D打印技術應用到學科教學的項目經驗分享中可以看出，3D打印機的選擇關系著能否有效使用打印機并將其優(yōu)勢功能發(fā)揮到最大化。需要從以下幾點考慮：第一，要考慮3D打印機的使用者和使用目的。若是教師使用3D打印機打印教學模具，優(yōu)先考慮打印機的速度和質量；若是學生利用該技術制作模型，則還需要考慮其易用性、耗材和成本。第二，要考慮打印機本身的一些因素，比如打印速度、打印機文件傳輸接口、與學校操作系統(tǒng)和網絡的兼容性以及質量和售后支持等。第三，要重視打印機所置放位置和環(huán)境，防止拖拉或移動，避免要打印出來的物體出現(xiàn)干燥和翹曲等問題。所以，學?；蛘呓處熢谶x擇和使用3D打印機時需要全面且慎重考慮。

4 對應用過程提供系統(tǒng)的支持

（1）來自學校管理層的支持

參與項目的大多數(shù)學校里的領導教師都是具備專業(yè)計算機輔助設計能力的設計與技術專家，他們通過“低干涉”管理讓學科教師更專注于技術使用方法和教學目標實現(xiàn)途徑，這不僅為學校師生提供財政支持以及他們創(chuàng)新使用3D打印機的視角，而且在鼓勵和支持教師使用新的、不熟悉的技術，組織并建立強大的人才團隊以及給學生傳授他們的技術知識等方面也起著積極作用。

（2）對應用3D打印技術的教師團隊進行專門的培訓

學校管理者與相關技術專家在學校引入3D打印技術后需要對校內擬在教育教學中的應用3D打印技術的教師進行專門的、系統(tǒng)的培訓。培訓初始期間，3D打印技術的使用輕松實現(xiàn)教師、技術工作人員和學生的一些大膽創(chuàng)新性想法，進而激發(fā)他們對技術持續(xù)探索的熱情。而且，跨部門在使用相關軟件時證明專門的培訓和持續(xù)的支持對技術使用與推廣起著至關重要的作用，因為沒有經驗的教師必須花一段時間來提高使用打印機和應用設計軟件的能力。

培訓課程一般包含為教師提供3D打印機項目基礎內容和實踐機會，組織討論會分享使用3D打印機的經驗想法等活動。此外，教師需要花費正常教學以外的時間和精力來鞏固編程技術和CAD專業(yè)技術，以保證熟練使用3D打印機并充分發(fā)揮3D打印機的功能。

四 結束語

2014年地平線報告中將3D打印技術應用劃為2～3年的中期計劃，報告中指出3D打印技術對教學和學習有很大的潛在價值[14]。3D打印技術將無形的思想與設計有形化，通過提供觀摩與探究、演示與構建、創(chuàng)造與制造等技術支持，為學生搭建一個知識運用空間，創(chuàng)造一個體驗式學習中心，充分體現(xiàn)學生作為學習活動主體性的原則，有助于培養(yǎng)并發(fā)展學生的成功智力，即分析性智力、實踐性智力和創(chuàng)新性智力。

3D打印技術在英國中小學學科教學中取得比較明顯的應用成果，并且由此總結了相應的學科教學應用模式，不僅開啟3D打印技術促進教與學的探索，而且有望為其他國家或地區(qū)的學校引入該技術提供成功的案例和有價值地指引。但從項目試點學校反饋中可以發(fā)現(xiàn)在實踐過程中存在一些問題，比如打印復雜模型時耗時、耗力的問題，網絡軟件與打印機接口契合的問題，教師和學生熟練使用3D打印機的問題等。如何將3D打印技術恰當有效地應用到學科教育中以優(yōu)化教與學活動過程，提升教學質量，仍然是教育研究者值得探索的問題。

[1][13]Dimitrov D, Schreve K, de Beer N. Advances in three dimensional printing-State of the art and future perspectives[A].10th European Forum on Rapid Proto-typing and Manufacturing[C]. Paris, France Sep,2004.

[2]李青,王青.3D打印:一種新興的學習技術[J].遠程教育雜志,2013,(4):29-35.

[3]王萍.3D打印及其教育應用初探[J].中國遠程教育,2013,(8):83-87.

[4]3D打印技術在英國學校試點[OL].

[5][7][9][11][12]Department for Education.3D printers in schools: uses in the curriculum[ OL].

[6][8][10]Department for Education.National curriculum in England: science programmes of study[ OL].

[14]NMC Horizon Report: 2014 Higher Education Edition[OL].