3D打印在中小學(xué)課堂中的應(yīng)用

徐平

摘 要：互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是人類社會(huì)第三次科技革命的主力軍，傳統(tǒng)打印技術(shù)正在經(jīng)歷前所未有的變化，3D打印技術(shù)逐漸盛行，這無疑會(huì)推動(dòng)打印行業(yè)的進(jìn)步。教育行業(yè)作為傳統(tǒng)打印技術(shù)的主要服務(wù)對(duì)象之一，也在試圖尋找合適的發(fā)展道路，將3D打印技術(shù)與教育深入結(jié)合，可以提高學(xué)生的動(dòng)手能力、創(chuàng)新精神和匠人精神。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù)；中小學(xué)教育；創(chuàng)新教育

3D打?。?D printing）技術(shù)是一種快速成形技術(shù)，其基礎(chǔ)是數(shù)字化模型，利用粉末狀金屬、塑料等逐層打印來構(gòu)造真實(shí)物體[1]。縱觀全球，對(duì)于技術(shù)應(yīng)用的重視程度越來越高，數(shù)字技術(shù)已成為全球公民素養(yǎng)的基本要求。美國2015年頒布的《新媒體聯(lián)盟地平線報(bào)告——（2015基礎(chǔ)教育版）》中提到，美國將大力開展3D打印課程[2]。同時(shí)，英國也在積極推進(jìn)3D打印技術(shù)進(jìn)校園活動(dòng)。在我國，李克強(qiáng)總理在2015年政府工作報(bào)告當(dāng)中提到要培養(yǎng)“工匠精神”，著名教育家聶圣哲先生提出一流工匠要從青少年培養(yǎng)。3D打印技術(shù)在教育當(dāng)中的運(yùn)用將創(chuàng)意轉(zhuǎn)化成現(xiàn)實(shí)，能夠?qū)ⅰ敖獭薄皩W(xué)”“做”合一，這對(duì)培養(yǎng)具備“工匠精神”的創(chuàng)客人才具有深遠(yuǎn)意義。

一、3D打印的原理和發(fā)展現(xiàn)狀

（一）原理

從技術(shù)角度揭示3D打印技術(shù)，該技術(shù)主要是利用三維數(shù)字的方式構(gòu)建出立體的物理對(duì)象，最終完成快速成像。3D打印的深層原理是通過電子文件將要打印的實(shí)體模型或者原型樣品進(jìn)行建模，再將其擠壓處理，通過機(jī)器生成沉淀物，逐層構(gòu)建物體。[3]

如果需要補(bǔ)充物體的活動(dòng)部件、細(xì)節(jié)部分，則只需要混合不同的材料、顏色和黏合劑達(dá)到理想的效果，例如利用樹脂、薄紙等材料，通過3D打印技術(shù)完美呈現(xiàn)物體的動(dòng)態(tài)與細(xì)節(jié)。

總體而言，3D打印可以分為四個(gè)步驟：建模、分層、切割打印和成型。第一階段，建模。掃描所要打印的物體，得到其三維數(shù)據(jù)。建模的軟件主要有Autodesk 123D Design、MAYA、Sketchup、UG、ZBRUSH、MESHLAB、CURA等。Autodesk 123D Design和Sketchup因使用免費(fèi)，操作簡單方便，所以傳播廣、應(yīng)用多。第二階段，分層。在分層階段，打印機(jī)對(duì)先前得到的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行描述和分析，然后分層。第三階段，切割打印。根據(jù)之前獲取的橫截面信息進(jìn)行切割打印。第四階段，成型。以不同方式將各層的截面粘合起來，最終得到實(shí)物。

（二）發(fā)展現(xiàn)狀

1991年，美國麻省理工學(xué)院申報(bào)三維打印專利，這一重大事件標(biāo)志著3D 打印技術(shù)的正式確立?，F(xiàn)在國外如Thingiverse這樣的公司為顧客提供免費(fèi)并且含有數(shù)字設(shè)計(jì)的資源庫，使用者可以下載數(shù)字設(shè)計(jì)信息并自主創(chuàng)造打印對(duì)象。[4]

3D打印機(jī)可分為工業(yè)打印機(jī)和桌面打印機(jī)。工業(yè)3D打印在精確度和質(zhì)量上體現(xiàn)出較高的水準(zhǔn)；桌面打印因其便捷性被一般用戶所接受，當(dāng)前，中小學(xué)一般使用的是桌面3D打印機(jī)。目前Maker Bot 3D桌面打印機(jī)使用廣泛，它可以創(chuàng)建各種對(duì)象，包括家具、玩具、動(dòng)物模型、機(jī)器人等。它價(jià)格實(shí)惠，是第一款專為消費(fèi)者使用的3D打印機(jī)[5]。3D打印技術(shù)具有神奇的吸引力，不但能夠復(fù)制，而且可以通過想象進(jìn)行原創(chuàng)，因此在基礎(chǔ)教育基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)當(dāng)中應(yīng)用廣泛。[6]

二、3D打印技術(shù)的教育創(chuàng)新分析

（一）在教育中的應(yīng)用所體現(xiàn)的教育理論

1.“從做中學(xué)”理論

通過3D打印這一技術(shù)，學(xué)生真正實(shí)現(xiàn)了杜威口中的“從做中學(xué)”，即在真實(shí)的情景之下進(jìn)行操作練習(xí)，獲得科學(xué)知識(shí)。在這樣的學(xué)習(xí)活動(dòng)系統(tǒng)中，學(xué)生以3D建模軟件和3D打印機(jī)作為新型的學(xué)習(xí)工具，教師充分發(fā)揮其指導(dǎo)者和協(xié)作者的作用。學(xué)生通過觀察等方式，獲得目標(biāo)物體的數(shù)據(jù)信息，再用3D打印機(jī)創(chuàng)作出模型樣品，體現(xiàn)出DIY的本質(zhì)屬性，同時(shí)又會(huì)學(xué)習(xí)和吸收新的知識(shí)，因此，3D打印將“教”“學(xué)”“做”三者合一。

2.“經(jīng)驗(yàn)之塔”理論

美國教育專家戴爾提出了“經(jīng)驗(yàn)之塔”理論。他將人的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)分為三類，即做、觀察和抽象的經(jīng)驗(yàn)。3D打印技術(shù)本身就是一個(gè)將想象轉(zhuǎn)化為實(shí)體的過程，從建模、分層，到切割打印，都用到了做、觀察和抽象的經(jīng)驗(yàn)。在課堂上，教師通過展示由3D打印技術(shù)生成的教具，讓學(xué)生以更加直觀的形式汲取知識(shí)。3D打印改變了傳統(tǒng)的教學(xué)方式，進(jìn)一步為學(xué)生的想象力插上了翅膀，讓學(xué)生同時(shí)獲得了做的經(jīng)驗(yàn)、觀察的經(jīng)驗(yàn)和抽象的經(jīng)驗(yàn)。

（二）3D打印技術(shù)在項(xiàng)目學(xué)習(xí)中的創(chuàng)新應(yīng)用

美國的3D打印項(xiàng)目學(xué)習(xí)由來已久。以明尼蘇達(dá)星站（STARBASE Minnesota）項(xiàng)目為例，1993年，美國天文學(xué)領(lǐng)域的明尼蘇達(dá)星站項(xiàng)目開始實(shí)行，它是美國國防部組織的項(xiàng)目，教授學(xué)生航空航天主題短期課程。該項(xiàng)目主要讓學(xué)生探索火星的模擬任務(wù)設(shè)計(jì)和建設(shè)火箭模型，3D打印技術(shù)在建設(shè)火箭模型方面起到重要作用。其教學(xué)過程如下：掌握航空航天的基礎(chǔ)知識(shí)以及火箭方面的相關(guān)知識(shí)、收集火箭相關(guān)數(shù)據(jù)、學(xué)習(xí)火箭模型設(shè)計(jì)、通過3D打印機(jī)制作模型組件、試驗(yàn)飛行、標(biāo)注火箭飛行路徑、分析結(jié)果、與指導(dǎo)該項(xiàng)目的工程師研討方案對(duì)飛行路徑的影響。在這一項(xiàng)目中，3D打印的作用如下：第一，快速生成模型，減少成本和時(shí)間；第二，提供真實(shí)的情境學(xué)習(xí)環(huán)境，避免枯燥的傳統(tǒng)授課形式，激發(fā)學(xué)生的好奇心和學(xué)習(xí)興趣。

在澳大利亞，達(dá)爾文高中在商業(yè)方面所進(jìn)行的項(xiàng)目學(xué)習(xí)中，學(xué)生通過3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)了相關(guān)產(chǎn)品快速成型的想法，并學(xué)會(huì)如何運(yùn)作這些產(chǎn)品。在世界各國，除了這些項(xiàng)目以外，還有Fab@school項(xiàng)目、X城市項(xiàng)目等。

中國的3D打印課程發(fā)展也很迅速。在山東膠州，有10多所中小學(xué)開設(shè)了3D打印課程；南京市秦淮區(qū)馬府街小學(xué)試點(diǎn)3D打印創(chuàng)新課；上海協(xié)和國際學(xué)校的學(xué)生使用三維技術(shù)掃描小行星灶神星圖像，設(shè)計(jì)創(chuàng)造其微縮的模型來探索小行星。

2012年9月，上海市閘北區(qū)和田路小學(xué)開設(shè)3D打印校本課程，具體課程實(shí)施分為五個(gè)階段：案例學(xué)習(xí)階段、拍照創(chuàng)建階段、實(shí)物構(gòu)建階段、想象構(gòu)建階段和虛實(shí)創(chuàng)造階段。相應(yīng)的虛實(shí)維度為：虛擬模仿、二維到虛擬、三維到虛擬、想象到虛擬、從想象和虛擬到實(shí)物形成。在案例學(xué)習(xí)階段，學(xué)習(xí)內(nèi)容是掌握相關(guān)軟件工具的使用方法，形成抽象的空間思維；在拍照創(chuàng)建階段，通過拍攝具體的實(shí)物，創(chuàng)建虛擬模型；實(shí)物構(gòu)建階段是通過觀察，構(gòu)建虛擬模型；想象構(gòu)建階段則是通過引導(dǎo)相關(guān)主題，讓學(xué)生想象所要搭建的物體；虛實(shí)創(chuàng)造階段是通過想象，用3D打印機(jī)創(chuàng)造具體的實(shí)物。[7]

這些項(xiàng)目讓學(xué)生學(xué)會(huì)了某一個(gè)或者幾個(gè)領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)，使其置于某一情境下學(xué)習(xí)并解決實(shí)際問題并充分發(fā)揮想象力。從設(shè)計(jì)建模到3D打印再到產(chǎn)品成型，都有專業(yè)的教育者對(duì)學(xué)生進(jìn)行指導(dǎo)、協(xié)助。

（三）3D打印技術(shù)在學(xué)科教學(xué)中的創(chuàng)新應(yīng)用

觀察和創(chuàng)設(shè)是3D打印在教學(xué)中的兩種實(shí)踐形式。觀察，顧名思義，就是教師通過展示教具的方式向?qū)W生依次呈現(xiàn)該項(xiàng)頂端技術(shù)，而學(xué)生通過觀察掌握知識(shí)或者發(fā)現(xiàn)技術(shù)運(yùn)行的規(guī)律。創(chuàng)設(shè)則是一種實(shí)踐教學(xué)，教師引導(dǎo)學(xué)生使用3D打印技術(shù)，學(xué)生自主建立模型，最終完成對(duì)該技術(shù)的全面認(rèn)識(shí)。在創(chuàng)設(shè)類型的課堂教學(xué)中，一般分為發(fā)現(xiàn)、解釋、構(gòu)思、實(shí)驗(yàn)和改進(jìn)五個(gè)環(huán)節(jié)。通過提供觀察和構(gòu)建兩種技術(shù)，可以讓學(xué)生體驗(yàn)真實(shí)的學(xué)習(xí)空間，解決實(shí)際有效的問題，增加直接的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)。學(xué)生在此過程中獲取知識(shí)，探究事物的本質(zhì)和規(guī)律，獲得創(chuàng)新能力、創(chuàng)造能力，形成創(chuàng)新人格，拓展視野，提高科學(xué)素養(yǎng)，發(fā)展綜合能力。

窺探國外3D技術(shù)在教育中的應(yīng)用情況，英國教育相關(guān)部門在2012年10月至2013年9月期間，共建立了21所試點(diǎn)學(xué)校進(jìn)行3D打印技術(shù)試驗(yàn)項(xiàng)目。采用的推廣試點(diǎn)方式是在STEM課程中融入3D打印技術(shù)，從長遠(yuǎn)角度看，這也是為英國的經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇和人才儲(chǔ)備做準(zhǔn)備[8]。經(jīng)過一段時(shí)間的探索和發(fā)展，藝術(shù)類人文教育課程也被選入STEM課程，以增加其課程的豐富性與全面性。

除了英國，美國幾乎所有的學(xué)校都配備了3D打印機(jī)。在文學(xué)課上，學(xué)生也可以從3D打印中受益，可以更深層次地挖掘一些概念。在緬因州的Mt. Blue高中，學(xué)生使用3D打印機(jī)創(chuàng)建一個(gè)藝術(shù)裝置，以展示他們對(duì)繪圖小說《守望者》形象的理解。[9]

3D打印技術(shù)在學(xué)科教學(xué)中的創(chuàng)新應(yīng)用極為廣泛，筆者通過梳理3D打印與學(xué)科教學(xué)的融合情況，整理成表1。

3D打印技術(shù)在中小學(xué)教學(xué)中用途多樣，既能用于制作立體的教具和學(xué)具，又能輔助學(xué)生創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境以及展示學(xué)習(xí)成果。此外，還增添了課堂交互活動(dòng)以及學(xué)生之間的協(xié)作學(xué)習(xí)，充分發(fā)揮教師咨詢者、引導(dǎo)者和學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)激發(fā)者的角色，培養(yǎng)學(xué)生的探究精神和協(xié)作能力。

三、對(duì)3D打印在中小學(xué)教育中應(yīng)用的思考

（一）3D打印技術(shù)的教育意義

3D打印課程可以提高學(xué)生的創(chuàng)造思維能力、創(chuàng)新精神以及動(dòng)手能力。針對(duì)中小學(xué)生的年齡特點(diǎn)，3D打印在教育領(lǐng)域的應(yīng)用給學(xué)生提供了“做中學(xué)”的體驗(yàn)，在這樣的學(xué)習(xí)環(huán)境中，學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情較傳統(tǒng)學(xué)習(xí)方式更加高漲。同時(shí)，3D打印提倡的是創(chuàng)新教育，能夠讓無數(shù)的思想火花相互碰撞，從而產(chǎn)生新觀點(diǎn)，創(chuàng)造新的知識(shí)，培養(yǎng)出具有創(chuàng)新意識(shí)的人才，為將來國家的發(fā)展儲(chǔ)備具有創(chuàng)造力的新人。

3D打印技術(shù)能夠促進(jìn)學(xué)生掌握數(shù)字技能。時(shí)代發(fā)展對(duì)教育提出了新的要求，數(shù)字技能是21世紀(jì)的必備技能。3D打印技術(shù)既需要學(xué)生的想象力、動(dòng)手能力，還需要學(xué)生掌握數(shù)字技能，有助于學(xué)生在以后的學(xué)習(xí)與工作當(dāng)中將數(shù)字技能轉(zhuǎn)化為“數(shù)字紅利”，這對(duì)適應(yīng)21世紀(jì)的挑戰(zhàn)大有裨益。

此外，傳統(tǒng)的教學(xué)方式難以準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，3D打印課程滿足學(xué)生個(gè)性化的學(xué)習(xí)需求，可以及時(shí)獲取學(xué)生的學(xué)習(xí)成果，從而適時(shí)調(diào)整教學(xué)方案，與學(xué)生的學(xué)情密切結(jié)合。

（二）3D打印在教育實(shí)踐中的問題與建議

3D打印技術(shù)正處于新興發(fā)展階段，還沒有進(jìn)入市場(chǎng)成熟時(shí)期。在教學(xué)實(shí)踐中，3D打印技術(shù)也存在諸多問題。

1.3D打印在學(xué)校的應(yīng)用與普及

目前，大部分的3D打印機(jī)價(jià)格相對(duì)較貴。價(jià)格不貴的打印機(jī)功能有限，只能制作基本的、簡單的教具。雖然有政府以及社會(huì)企業(yè)發(fā)起的項(xiàng)目的支持，但3D打印機(jī)大多在發(fā)達(dá)國家或地區(qū)才會(huì)配備。

發(fā)達(dá)國家以法規(guī)、條例等形式號(hào)召全社會(huì)重視科學(xué)技術(shù)在教育中的應(yīng)用。美國新媒體聯(lián)盟的地平線報(bào)告每年發(fā)布一次，總結(jié)和規(guī)劃當(dāng)前和未來新媒體在教育領(lǐng)域的應(yīng)用。另外，美國還有諸多與教育技術(shù)有關(guān)的組織、協(xié)會(huì)等，它們都在推進(jìn)新技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用和推廣。

2.對(duì)教師的要求

3D打印在教育領(lǐng)域的應(yīng)用具有跨學(xué)科性質(zhì)，既需要教育者具備專業(yè)的計(jì)算機(jī)知識(shí)，又要有課程開發(fā)能力，還要求有專業(yè)的學(xué)科知識(shí)和教學(xué)能力。因此，3D打印技術(shù)與教育的結(jié)合對(duì)教師的要求極為嚴(yán)格。目前一些學(xué)校雖然具備3D打印設(shè)備，但是不少學(xué)校閑置不用，究其原因，是會(huì)使用新技術(shù)的教師太少。

基于教師在3D打印應(yīng)用中的特殊作用，教師應(yīng)提高自身的教學(xué)素養(yǎng)和技術(shù)水平。第一，教師要樹立創(chuàng)客理念。教師應(yīng)具有創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新精神。在基于項(xiàng)目的教學(xué)中，只有教師作為指導(dǎo)者與協(xié)作者，指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)3D打印和相關(guān)課程，學(xué)生才能充分發(fā)揮自主能動(dòng)作用。教師的引導(dǎo)作用不僅需要教師具有扎實(shí)的專業(yè)知識(shí)，還要具備創(chuàng)客的理念，具備將創(chuàng)意轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)、“教”“學(xué)”“做”合一、分享合作、學(xué)科交叉、懂得運(yùn)用科學(xué)技術(shù)的觀念。第二，教師要參加關(guān)于3D打印的教師培訓(xùn)。學(xué)校要保證教師掌握3D打印的知識(shí)，包括3D打印機(jī)的使用、懂得建模軟件和再加工等技術(shù)。第三，教師要成為探究型教師，自主開發(fā)和應(yīng)用新的教學(xué)設(shè)計(jì)，甚至開發(fā)校本課程，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行項(xiàng)目學(xué)習(xí)。教師需要更新傳統(tǒng)的教學(xué)思想，摒棄以應(yīng)試為目的的教學(xué)觀念，做學(xué)生學(xué)習(xí)道路上真正的引路人。

3.3D打印與教育的融合形式

中國的3D打印技術(shù)與教育的融合形式多以學(xué)科教學(xué)或者校本課程的方式出現(xiàn)，雖然也有基于項(xiàng)目的3D打印技術(shù)與教育的融合，但是像美國“明尼蘇達(dá)星站”這樣的項(xiàng)目學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)十分匱乏。除此之外，學(xué)?？梢蚤_發(fā)多種形式，如開設(shè)3D打印的選修課，傳播3D打印技術(shù)；在學(xué)校內(nèi)組建創(chuàng)客小團(tuán)隊(duì)、開展競賽、夏令營等活動(dòng)；在學(xué)校圖書館設(shè)立創(chuàng)客空間，供學(xué)生學(xué)習(xí)和研究基于3D打印、DIY等技術(shù)的創(chuàng)新活動(dòng)等，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和匠人精神。

四、結(jié)語

隨著科學(xué)技術(shù)與教育領(lǐng)域的緊密結(jié)合，新的技術(shù)不斷顛覆傳統(tǒng)的教育方式，3D打印技術(shù)前景廣闊，相關(guān)機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)它是一項(xiàng)革命性技術(shù)，將引領(lǐng)一個(gè)革命性時(shí)代的到來[10]。3D打印技術(shù)與教育的融合不僅可以推動(dòng)教育事業(yè)的發(fā)展，也可以推動(dòng)3D打印相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。政府積極倡導(dǎo)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)，高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，越來越多的企業(yè)投入到3D打印行業(yè)。隨著技術(shù)的更新，3D打印機(jī)的功能會(huì)隨之增加，價(jià)格隨之下降，3D打印技術(shù)將會(huì)走進(jìn)更多的中小學(xué)校園。不管是將技術(shù)與學(xué)科教育融合，還是基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)，提升3D打印技術(shù)在教育領(lǐng)域的價(jià)值，培養(yǎng)未來各行各業(yè)的“工匠”，都是必然的教育發(fā)展趨勢(shì)。

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編輯 朱婷婷 校對(duì) 許方舟