基于3D打印技術(shù)的小學(xué)教學(xué)應(yīng)用研究

黃延慧　陳婷婷　王洪江

摘要：隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，3D打印技術(shù)在教育教學(xué)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。該文通過(guò)分析3D打印技術(shù)的基本原理以及相關(guān)的理論支持，并利用具體的教學(xué)案例來(lái)分析3D打印在國(guó)內(nèi)外小學(xué)教育中的應(yīng)用現(xiàn)狀，從而總結(jié)分析3D打印在小學(xué)教育教學(xué)中存在的問(wèn)題以及給教學(xué)帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)，為3D打印技術(shù)在小學(xué)教育教學(xué)中的應(yīng)用提出優(yōu)化的建議。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù)；小學(xué)教學(xué)應(yīng)用

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）29-0204-02

3D打?。?D printing），又稱增量制造、積層制造（AdditiveManufacturing，AM），可指任何打印三維物體的過(guò)程。與傳統(tǒng)的打印技術(shù)相比，3D打印技術(shù)具有以下三個(gè)特點(diǎn)：個(gè)性化制作的可實(shí)現(xiàn)性；產(chǎn)品研制周期的短期性；材料的高利用率。隨著STEM教育在國(guó)內(nèi)外的興起以及3D打印技術(shù)的不斷進(jìn)步，這一技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用得到支持，在教學(xué)中適當(dāng)使用3D技術(shù)，不但可增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，也能增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)際操作能力。

13D打印技術(shù)教學(xué)應(yīng)用的理論依據(jù)

1.1學(xué)習(xí)理論

“學(xué)習(xí)理論”要解決的基本問(wèn)題是學(xué)習(xí)的實(shí)質(zhì)問(wèn)題，即有機(jī)體是如何獲得個(gè)體經(jīng)驗(yàn)的，這個(gè)獲得的過(guò)程的實(shí)質(zhì)如何。童宇陽(yáng)學(xué)者認(rèn)為華生的行為主義學(xué)習(xí)理論和斯金納的操作性條件作用學(xué)習(xí)理論，都能有效地指導(dǎo)3D打印技術(shù)在教學(xué)中的實(shí)踐活動(dòng)。學(xué)生的獨(dú)立思考能力、動(dòng)手能力、觀察能力可通過(guò)這種基于實(shí)踐的學(xué)習(xí)形式得到提高，同時(shí)探究的科學(xué)精神、熱愛(ài)科學(xué)的情感也能得到培養(yǎng)。在利用3D技術(shù)進(jìn)行實(shí)際教學(xué)時(shí)，應(yīng)該注重如何讓學(xué)生利用技術(shù)解決實(shí)際問(wèn)題，而不是僅僅局限于技術(shù)本身。

1.2活動(dòng)理論

活動(dòng)理論是指的是“主體與客觀世界的交互作用的過(guò)程?！辩妴⑷獙W(xué)者提出學(xué)生的人格發(fā)展是在一定的社會(huì)關(guān)系之中并通過(guò)活動(dòng)得以實(shí)現(xiàn)的。因此，在學(xué)生的教學(xué)活動(dòng)中，適當(dāng)?shù)厝谌牖顒?dòng)，有助于學(xué)生人格發(fā)展。王萍學(xué)者認(rèn)為基于3D打印的學(xué)習(xí)是一種在真實(shí)而富有意義的任務(wù)和問(wèn)題驅(qū)動(dòng)下的“做中學(xué)”，是一種活動(dòng)教學(xué)。在“做中學(xué)”這種活動(dòng)教學(xué)形式中，學(xué)習(xí)者通過(guò)問(wèn)題或目標(biāo)導(dǎo)向，并與其他學(xué)習(xí)同伴相互協(xié)作解決或完成相關(guān)的學(xué)習(xí)任務(wù)，在完成任務(wù)中以3D打印機(jī)或3D建模軟件等工具為中介。基于活動(dòng)理論設(shè)計(jì)的3D打印教學(xué)活動(dòng)，更突出學(xué)生的自主學(xué)習(xí)以及自我解決問(wèn)題的主導(dǎo)地位，同時(shí)也激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生在做中學(xué)，學(xué)中做。

2教學(xué)應(yīng)用

2.1.設(shè)計(jì)軟件

利用軟件讓學(xué)生構(gòu)想的虛擬物品通過(guò)3D打印機(jī)輸出，是實(shí)現(xiàn)3D打印的重要組成部分。制作3D打印的軟件有各種不同的軟件，如3Dmax，Maya等，但是對(duì)于小學(xué)生來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)軟件的操作的簡(jiǎn)單性是選擇作為3D打印設(shè)計(jì)軟件的一個(gè)重要特性。對(duì)于3Dmax這類較為復(fù)雜的設(shè)計(jì)軟件，顯然是不利于小學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)作的。為了讓學(xué)生能更好地進(jìn)行創(chuàng)作，為更好地實(shí)現(xiàn)3D打印在小學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用，下面將介紹幾款適合小學(xué)生使用的3D建模軟件。

2.1.13Done

3Done（http：//www.i3done.com/）是一款是國(guó)內(nèi)制作的有多種不同版本的三維設(shè)計(jì)軟件。它的界面簡(jiǎn)單容易操作，共有四個(gè)版本。3Done家庭版適合學(xué)生在家庭中使用，但不能在學(xué)校中使用。3DOne Plus是進(jìn)階版，實(shí)現(xiàn)360°任意建模的高級(jí)定制，可設(shè)計(jì)3D曲面造型和對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行修補(bǔ)。3Done Cut是激光切割3D設(shè)計(jì)軟件，實(shí)現(xiàn)二、三維隨意轉(zhuǎn)化的靈活設(shè)計(jì)，但需要學(xué)校提供切割機(jī)才能使用。3Done Mini一款面向小學(xué)低年級(jí)的趣味三維創(chuàng)意設(shè)計(jì)APP。除第一個(gè)版本免費(fèi)外，其他版本都需要收費(fèi)。

2.1.2autodesk123 Ddesign

autodesk123 Ddesign（http：//www.123dapp.com/design）是國(guó)外的一款軟件，界面簡(jiǎn)潔，容易掌握，但這款軟件只有英文版，對(duì)于低年級(jí)的學(xué)生使用可能較困難。軟件可以直接通過(guò)基本的草圖和形狀設(shè)計(jì)復(fù)雜的3D模型，這些模型可以直接通過(guò)3D打印機(jī)或者是數(shù)控激光切割機(jī)輸出。

2.1.3Rhinoceros

Rhinoceros（https：//www.rhin03d.com/）可以創(chuàng)建、編輯、分析、提供、渲染、動(dòng)畫與轉(zhuǎn)換NURBS、曲面、實(shí)體與多邊形網(wǎng)格，不受精度、復(fù)雜、階數(shù)或是尺寸的限制。這款軟件需要付費(fèi)，而且界面相對(duì)于上述的軟件較為復(fù)雜，功能較多。

2.2應(yīng)用案例

2.2.1國(guó)內(nèi)案例

2.2.1.1開(kāi)設(shè)社團(tuán)活動(dòng)、興趣班

馬府街小學(xué)學(xué)校通過(guò)開(kāi)設(shè)社團(tuán)課的形式進(jìn)行授課，每周組織學(xué)生參加3D打印社團(tuán)活動(dòng)。信息技術(shù)教師的主要任務(wù)是不斷地探索使用方法，在打印前關(guān)鍵的是利用建模軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。如指導(dǎo)學(xué)生建一個(gè)飛機(jī)的模型，需要花費(fèi)兩個(gè)小時(shí)，所以老師都認(rèn)為建模是最關(guān)鍵的一步。

福州錢塘小學(xué)在課程開(kāi)設(shè)3D打印興趣課前，授課老師以及部分學(xué)生家長(zhǎng)和學(xué)生一同試聽(tīng)，試聽(tīng)效果滿意后，在開(kāi)學(xué)時(shí)開(kāi)設(shè)課程。課程總共20個(gè)學(xué)時(shí)，第一階段是利用簡(jiǎn)單模型下載直接打印，第二階段通過(guò)學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)物品架、花瓶等掌握建模軟件，并通過(guò)第三階段的設(shè)計(jì)分享激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)意，鍛煉學(xué)生們的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和溝通能力。

2.2.1.2由公司到校課程培訓(xùn)

由專門的培訓(xùn)公司到校內(nèi)對(duì)學(xué)生開(kāi)設(shè)課程，為學(xué)生提供專業(yè)的指導(dǎo)。宏博思維公司在小學(xué)中設(shè)立了3D立體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)概念及應(yīng)用課程。課程的培養(yǎng)目標(biāo)是培養(yǎng)對(duì)立體設(shè)計(jì)及打印的興趣，啟發(fā)創(chuàng)作思維發(fā)揮創(chuàng)意，建立對(duì)3D立體設(shè)計(jì)軟件操作技巧的基礎(chǔ)，提升數(shù)學(xué)及邏輯思維。每個(gè)班級(jí)安排10-20名學(xué)生，學(xué)生通過(guò)四節(jié)課，根據(jù)要求完成不同的指定的簡(jiǎn)單物品。課程結(jié)束后，能完成相關(guān)要求的學(xué)生可以獲得證書。這種以公司的形式進(jìn)入學(xué)校進(jìn)行培訓(xùn)的形式，能給學(xué)生更加專業(yè)的指導(dǎo)。

2.2.1.33D打印技術(shù)與學(xué)科課程融合

童宇陽(yáng)學(xué)者通過(guò)分析3D打印技術(shù)的相關(guān)原理，提出了3D打印與學(xué)科教學(xué)的融合的形式。如在講授《趙州橋》這一篇課文時(shí)，可以利用3D打印技術(shù)打印出趙州橋的模型，讓學(xué)生通過(guò)實(shí)物分析趙州橋的特點(diǎn)，再結(jié)合課文進(jìn)行學(xué)習(xí)，解決了教學(xué)難點(diǎn)。數(shù)學(xué)課上則可利用3D打印技術(shù)打印相關(guān)的幾何體進(jìn)行教學(xué)。

2.2.1.4在信息技術(shù)課程中應(yīng)用

香港東華三院高可寧紀(jì)念小學(xué)，學(xué)生通過(guò)3D打印技術(shù)，將使用繪圖軟件繪畫的立體物體通過(guò)3D打印機(jī)打印出來(lái)，提高學(xué)生的創(chuàng)作力。學(xué)校為學(xué)生提供自由的環(huán)境，從構(gòu)想、設(shè)計(jì)、制作、粉飾作品的過(guò)程，都有學(xué)生一手包辦，并通過(guò)學(xué)校的網(wǎng)站上傳學(xué)生打印的作品，讓學(xué)生的作品得到分享，同時(shí)也能拓展學(xué)生的想象空間。

2.2.2國(guó)外案例

2.2.2.1利用3D打印技術(shù)完成項(xiàng)目

在STEM組織的一個(gè)關(guān)于數(shù)學(xué)與科學(xué)的項(xiàng)目，主要對(duì)象是中高年級(jí)的小學(xué)生，目標(biāo)是為學(xué)生提供一個(gè)了解如何設(shè)計(jì)一個(gè)登陸火星的計(jì)劃的機(jī)會(huì)，其中包含了建立和發(fā)射火箭模型。在項(xiàng)目中學(xué)生首先學(xué)習(xí)機(jī)翼中的科學(xué)和測(cè)試火箭的不同部分，接著使用CAD軟件來(lái)設(shè)計(jì)他們自己火箭的機(jī)翼，然后通過(guò)打印機(jī)打印出來(lái)。最后測(cè)試火箭發(fā)射，并收集數(shù)據(jù)分析結(jié)果。

2.2.2.2基于問(wèn)題解決的教學(xué)形式

新西蘭的Auroa小學(xué)讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)學(xué)校中存在的問(wèn)題，并設(shè)計(jì)出解決問(wèn)題的方案，利用3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)。其中一個(gè)案例是教師里的碗柜的水槽總是阻礙門的關(guān)閉，學(xué)生先通過(guò)草圖把解決方案寫出來(lái)，再利用軟件將模型設(shè)計(jì)出來(lái)，每一種解決方案的模型都設(shè)計(jì)一個(gè)或兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)用來(lái)做測(cè)試。將零件打印出來(lái)后，進(jìn)行測(cè)試，看看哪個(gè)方案最完善。第一個(gè)方案完成后，學(xué)生繼續(xù)思考能更好，再次寫新的方案，做出新的設(shè)計(jì)，最終把問(wèn)題很好地解決。

2.2.3總結(jié)與建議

上述國(guó)內(nèi)外3D打印技術(shù)應(yīng)用案例中，國(guó)內(nèi)外3D打印技術(shù)在中小學(xué)教育中的應(yīng)用還處于探究階段。由于小學(xué)學(xué)科相對(duì)比較簡(jiǎn)單，與3D打印結(jié)合的課程內(nèi)容較少，3D打印技術(shù)主要是培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)造性思維。通過(guò)了3D打印課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生的動(dòng)手動(dòng)腦能力都得到提高。

在小學(xué)中開(kāi)展基于3D打印教學(xué)課程，可根據(jù)學(xué)校的實(shí)際情況，先對(duì)授課教師進(jìn)行培訓(xùn)，讓教師掌握相應(yīng)的技術(shù)，并學(xué)習(xí)相關(guān)的教學(xué)案例后，再進(jìn)行實(shí)際的教學(xué)。在教學(xué)中，教師應(yīng)熟悉多種3D設(shè)計(jì)軟件，為學(xué)生提供合適的3D建模軟件，以減輕學(xué)生在操作方面的壓力。課程安排可通過(guò)第二課堂的方式來(lái)開(kāi)展，更有利于學(xué)生的思維拓展，讓學(xué)生的設(shè)計(jì)不局限于任何學(xué)科，通過(guò)將多學(xué)科知識(shí)的融合來(lái)設(shè)計(jì)打印相應(yīng)作品。與正式課堂相比，這種課堂模式更加自由，更有利于發(fā)展學(xué)生的創(chuàng)造性思維。另一種形式則是通過(guò)公司直接到校對(duì)學(xué)生進(jìn)行培訓(xùn)，減輕教師學(xué)習(xí)的負(fù)擔(dān)，同時(shí)公司的專業(yè)人員對(duì)于產(chǎn)品的了解較多，在應(yīng)用培訓(xùn)方面可以提供更加專業(yè)的指導(dǎo)。在查找案例中，學(xué)生的作品展示一般是相關(guān)技術(shù)研發(fā)公司的主頁(yè)中展示，而學(xué)校官網(wǎng)上展示較少。

3問(wèn)題與挑戰(zhàn)

3.1課程開(kāi)設(shè)處于體驗(yàn)嘗試期

上述案例中，課程主要是以體驗(yàn)嘗試的方式進(jìn)行，并沒(méi)有完全成為學(xué)校的一門正式的課程，這種體驗(yàn)狀態(tài)可能會(huì)在時(shí)間久了，興奮感會(huì)衰退，從而影響課程的質(zhì)量。因此，轉(zhuǎn)變課程的形式，讓課程規(guī)范化，為學(xué)生制作的作品提供一個(gè)分享的平臺(tái)，使課程能更好地進(jìn)行，而不是曇花一現(xiàn)。

3.2教師對(duì)3D打印技術(shù)的接受程度低

對(duì)于大部分在校教師來(lái)說(shuō)，3D打印中三維設(shè)計(jì)軟件的使用是相對(duì)比較難的，因?yàn)榇蟛糠衷谛＠蠋熆赡苁鞘状谓佑|3D打印。就如案例中提到的學(xué)校，老師需要先進(jìn)行培訓(xùn)學(xué)習(xí)才能在課堂中進(jìn)行教學(xué)，而在學(xué)校中，大部分老師工作任務(wù)繁重，對(duì)于學(xué)習(xí)新技術(shù)，部分老師的接受度較低。另外，3D打印需要融合到課程中或者新設(shè)計(jì)一門課程，都需要老師重新探索設(shè)計(jì)新的課程計(jì)劃，這對(duì)于老師來(lái)說(shuō)也是—個(gè)困難。

4結(jié)束語(yǔ)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，3D打印技術(shù)也將逐步發(fā)展，其成本、材料，制造時(shí)間等將逐漸得到改善，從而也推進(jìn)3D打印技術(shù)在教育中的應(yīng)用。近年來(lái)STEM教育的廣泛應(yīng)用，使3D技術(shù)在教育中應(yīng)用得更加廣泛，3D打印技術(shù)的研究有助于我們把握和預(yù)見(jiàn)技術(shù)在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用方式和應(yīng)用前景，并進(jìn)一步探討如何充分發(fā)揮新技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，通過(guò)技術(shù)在教育中的應(yīng)用體現(xiàn)和提升其價(jià)值。