3D打印技術(shù)在中小學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

羅華明+郭龍+金開龍+鄭云+楊珊+楊景

摘 要：3D打印技術(shù)在各個(gè)行業(yè)都有較大的應(yīng)用空間，在教育行業(yè)可將3D打印技術(shù)與中小學(xué)教學(xué)相結(jié)合并應(yīng)用于實(shí)踐，使之成為教師教學(xué)中重要的輔助工具，幫助學(xué)校培養(yǎng)創(chuàng)新型人才。該技術(shù)既可以有力地解決當(dāng)下的教學(xué)問(wèn)題——教學(xué)質(zhì)量不高和不注重能力發(fā)展等問(wèn)題，也可以將創(chuàng)客教育的核心內(nèi)容和STEAM課程與素質(zhì)教育有機(jī)結(jié)合起來(lái)，幫助學(xué)生更好地學(xué)習(xí)。創(chuàng)客教育與素質(zhì)教育的結(jié)合不僅會(huì)讓學(xué)生們更好地體驗(yàn)到素質(zhì)教育的意義，還可以提高學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。同時(shí)開展的STEAM課程可以輔助學(xué)生更好地發(fā)揮自己的創(chuàng)造能力。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù)；中小學(xué)教學(xué)；創(chuàng)客教育；STEAM課程

中圖分類號(hào)：TP39；TM131；G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2017）11-0-03

0 引 言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展以及社會(huì)的需要，3D打印技術(shù)在各行各業(yè)中越來(lái)越凸顯出巨大的作用和便捷性。因此，3D打印技術(shù)和中小學(xué)教學(xué)相結(jié)合不僅是社會(huì)教育和學(xué)校教育發(fā)展的需要，也是一個(gè)國(guó)家富強(qiáng)的需要，更是當(dāng)代教育的需要。社會(huì)的發(fā)展明確了中小學(xué)教學(xué)改革的努力方向，與此同時(shí)，應(yīng)用3D打印技術(shù)可以加快促進(jìn)傳統(tǒng)應(yīng)試教學(xué)過(guò)渡到素質(zhì)教學(xué)。而相對(duì)于其他行業(yè)，3D打印技術(shù)在教育教學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用較少，所以將3D打印技術(shù)、創(chuàng)客教育的核心理念、STEAM課程與素質(zhì)教育相結(jié)合，并應(yīng)用于中小學(xué)教學(xué)具有十分重要的意義。目前，雖然我國(guó)大部分學(xué)校都提倡素質(zhì)教育，但在教育和教學(xué)中還存在著許多問(wèn)題。譬如課堂氛圍活躍度欠缺、學(xué)生經(jīng)常感覺教學(xué)枯燥無(wú)味、教學(xué)質(zhì)量不高、學(xué)生的空間想象力缺乏以及學(xué)生的創(chuàng)造能力難以得到提高等。這些都是中小學(xué)教學(xué)中亟待解決的問(wèn)題，而創(chuàng)客教育教學(xué)和STEAM課程及教學(xué)方法的創(chuàng)新應(yīng)用就是解決這些問(wèn)題的方法。

1 3D打印技術(shù)原理

3D打印技術(shù)可以將構(gòu)想通過(guò)電腦轉(zhuǎn)換成X、Y、Z軸可控制的立體建模。步驟如下：

（1）構(gòu)想出所需模型，在特殊3D建模軟件上畫出此模型；

（2）構(gòu)建三維圖形，每層通過(guò)數(shù)據(jù)劃分形成3D打印機(jī)能識(shí)別的數(shù)據(jù)，通過(guò)內(nèi)存條輸入3D打印機(jī)，3D打印機(jī)對(duì)每層數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別并打??；

（3）逐步形成所建模的圖形。

根據(jù)打印材料的不同， 3D打印機(jī)分為三種，即特殊液體通過(guò)激光束的光固化3D打印機(jī)；可熱熔塑料通過(guò)熱熔噴出的3D打印機(jī)；在生物方面可將生物細(xì)胞通過(guò)特殊噴口的生物3D打印機(jī)。

根據(jù)型號(hào)的不同，3D打印機(jī)可分為五種，即噴墨黏粉式（3DP）打印機(jī)；立體光固化成型（SLA）打印機(jī)；選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（SLS）打印機(jī)；生物分子（BIO）打印機(jī)；熔融沉積成型（FDM）打印機(jī)。而在教學(xué)中的最優(yōu)選擇是熔融沉積成型的3D打印機(jī)。3D打印機(jī)類型如圖1所示。

2 創(chuàng)客教育

“創(chuàng)客”有狹義和廣義之分：狹義的創(chuàng)客是喜愛科學(xué)、在實(shí)踐中成長(zhǎng)、樂(lè)于分享、全心全意地讓創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)通過(guò)自己的努力變成現(xiàn)實(shí)的人；廣義的創(chuàng)客是指有推陳出新的創(chuàng)新思想，并能將之用于實(shí)際、做出改變的人。創(chuàng)客的指導(dǎo)思想是 “大眾創(chuàng)業(yè)，萬(wàn)眾創(chuàng)新”，其重要的生命支柱是將創(chuàng)新應(yīng)用于理論實(shí)踐和創(chuàng)客之間的分享。

將創(chuàng)客的創(chuàng)新力量帶入到學(xué)校教育教學(xué)中，廣義的創(chuàng)客教育應(yīng)是全體人民的創(chuàng)新教育；狹義的創(chuàng)客教育是培養(yǎng)全能素質(zhì)學(xué)生的教育。

創(chuàng)客教育在課程設(shè)置上有其獨(dú)特性。從分享、交流到合作，不只是從形式上進(jìn)行，同時(shí)也重視素質(zhì)創(chuàng)新方面和科技手段的融合，一步步開辟出融合新思想、跨學(xué)科培養(yǎng)的不同路徑。

3 STEAM課程

STEAM課程是傳統(tǒng)應(yīng)試教學(xué)理念到素質(zhì)全能性教學(xué)的徹底轉(zhuǎn)型，其核心是注重學(xué)生學(xué)習(xí)發(fā)展過(guò)程中的情況，不同于應(yīng)試教育中只看學(xué)生成績(jī)的現(xiàn)象。從根源上講， STEAM課程不怕學(xué)生在實(shí)踐中犯錯(cuò)，而是讓學(xué)生在犯錯(cuò)中不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)、不斷進(jìn)步，引導(dǎo)學(xué)生將自己的經(jīng)歷轉(zhuǎn)化成自己的想法、從自己聽到和看到的內(nèi)容中得出經(jīng)驗(yàn)，即培養(yǎng)學(xué)生能夠?qū)⒗碚搼?yīng)用于現(xiàn)實(shí)的能力。STEAM教育不再只是將學(xué)生封閉在教室里上課，而是在充滿教育教學(xué)新科技產(chǎn)品的科技屋里，和大家創(chuàng)造原型產(chǎn)品，這樣，STEAM課程才有獨(dú)立創(chuàng)造的可能性。

STEAM課程重視學(xué)生學(xué)習(xí)和現(xiàn)實(shí)生活的關(guān)系聯(lián)絡(luò)，看重學(xué)生在教師引導(dǎo)下自主學(xué)習(xí)的過(guò)程而非應(yīng)試結(jié)果。

具體地說(shuō)，STEAM課程講的是重視結(jié)果的教育教學(xué)模式，即教師引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)實(shí)踐操作，去了解、學(xué)習(xí)和完成自己想要完成的項(xiàng)目。因此要求學(xué)生學(xué)習(xí)每個(gè)科目及跨科目的課內(nèi)外知識(shí)，在教育教學(xué)中創(chuàng)新應(yīng)用STEAM教育思想核心，讓學(xué)生在學(xué)科界限上有所改變，既接近藝術(shù)的美麗，也承認(rèn)并理解構(gòu)想、改良、操作與創(chuàng)造，并且能用3D打印機(jī)打印出自己建模的產(chǎn)品，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。

STEAM課程與3D打印的關(guān)系示意如圖2所示。

4 3D打印技術(shù)在中小學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用方向

4.1 在學(xué)科教學(xué)中的應(yīng)用

4.1.1 在傳統(tǒng)學(xué)科教學(xué)中的應(yīng)用

3D打印技術(shù)將課本中抽象化的圖形或相關(guān)知識(shí)以及虛擬的形象具體地展示出來(lái)，便于學(xué)生理解、吸收。一方面，這既是時(shí)代的選擇，也是教育智能化的發(fā)展趨勢(shì)；另一方面，此舉既能增強(qiáng)中小學(xué)生的創(chuàng)造性和學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的立體思維能力，也能提高教師課堂教學(xué)的表現(xiàn)力。

就文科類學(xué)科而言，把課文中的人物或重要物體打印出來(lái)，使之成為教學(xué)教具，既可以讓學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)有更多直觀的理解，又可以為理解所要展現(xiàn)的故事情節(jié)提供新思路。在理科類學(xué)科中，則需要建模之后才能把立體模型打印出來(lái)，這個(gè)過(guò)程能夠讓學(xué)生熟悉更多的建模軟件。同時(shí)對(duì)于需要將平面幾何立體化和一些難于進(jìn)行空間想象的圖形，協(xié)助學(xué)生理解平面圖形的畫法和空間圖形的結(jié)構(gòu)，讓學(xué)生更加清楚地了解構(gòu)造過(guò)程。

4.1.2 在校本課程等創(chuàng)新課程中的應(yīng)用endprint

此項(xiàng)應(yīng)用在于補(bǔ)充傳統(tǒng)教學(xué)中無(wú)法顧及的教學(xué)缺陷。3D打印技術(shù)在校本課程中的應(yīng)用是一個(gè)新事物，為學(xué)生發(fā)展開拓了新的途徑，不僅促進(jìn)了學(xué)生在創(chuàng)新方面有深層次的初步理解，也促進(jìn)了學(xué)生從分開學(xué)習(xí)到合作式學(xué)習(xí)的方式轉(zhuǎn)變。

4.2 在促進(jìn)學(xué)生知識(shí)能力方面的應(yīng)用

在中小學(xué)教學(xué)中，3D打印技術(shù)在促進(jìn)學(xué)生知識(shí)能力方面的應(yīng)用主要是培養(yǎng)學(xué)生的感知能力。在教學(xué)中可以把一些比較抽象、復(fù)雜的“知識(shí)”設(shè)計(jì)成具體的模型。呈現(xiàn)出清晰直觀的視覺效果，讓學(xué)生通過(guò)視覺感官感受實(shí)際物體，激發(fā)學(xué)生的求知欲。

在中小學(xué)的教學(xué)中引入3D打印技術(shù)后，可根據(jù)教學(xué)內(nèi)容的需要設(shè)計(jì)出不同難度的實(shí)物教具來(lái)幫助學(xué)生學(xué)習(xí)相應(yīng)的知識(shí)。

4.3 在激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造思維方面的應(yīng)用

現(xiàn)如今，我國(guó)提倡培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，所以在教學(xué)中要深入挖掘并培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造能力，這就要求教師提供一些教具進(jìn)行引導(dǎo)。在制作模具過(guò)程中，學(xué)生可以參與圖形建模、設(shè)計(jì)立體的三維圖形。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，教師可以潛移默化地培養(yǎng)學(xué)生的空間想象力和設(shè)計(jì)創(chuàng)造力，這是3D打印技術(shù)最明顯的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)教師根據(jù)教學(xué)內(nèi)容把制作的實(shí)物教具呈現(xiàn)在學(xué)生面前時(shí)，還可以激發(fā)學(xué)生的求知欲，具有一石二鳥的效果。

5 3D 打印技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)的優(yōu)勢(shì)

5.1 有利于提高可視化教具的使用效果

如今的教學(xué)提倡可視化，3D打印技術(shù)在可視化教學(xué)中有幾個(gè)比較突出的優(yōu)點(diǎn)：

（1）讓學(xué)生自己先構(gòu)造出思維圖形；

（2）教師引導(dǎo)學(xué)生思考并呈現(xiàn)所需的可視化教具，以幫助學(xué)生理解未知的抽象事物；

（3）對(duì)于中小學(xué)學(xué)生來(lái)說(shuō)，通過(guò)3D打印技術(shù)呈現(xiàn)出抽象復(fù)雜的圖形“模具”，幫助學(xué)生理解和掌握相應(yīng)的幾何知識(shí)。

3D打印技術(shù)應(yīng)用于中小學(xué)教學(xué)，不僅可以成為教師的得力助手，提高教學(xué)質(zhì)量，還可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力。

5.2 有利于創(chuàng)造新穎的教學(xué)內(nèi)容

3D打印技術(shù)不僅可以成為教師的教學(xué)助手，還可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。教師通過(guò)設(shè)計(jì)更有創(chuàng)意的教學(xué)內(nèi)容來(lái)吸引學(xué)生。傳統(tǒng)的教學(xué)大多都是按部就班，沒有太大的吸引力。

因此，可以利用3D打印技術(shù)給學(xué)生創(chuàng)造新穎的教學(xué)內(nèi)容，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；創(chuàng)造優(yōu)良的學(xué)習(xí)環(huán)境，便于教師在教學(xué)過(guò)程中為學(xué)生提供廣闊的視野和思路。

5.3 有利于營(yíng)造愉快的學(xué)習(xí)氛圍和學(xué)習(xí)體驗(yàn)

由于現(xiàn)階段的學(xué)習(xí)氛圍和學(xué)習(xí)體驗(yàn)大多比較枯燥無(wú)味，因此目前的教學(xué)質(zhì)量普遍不太理想，導(dǎo)致學(xué)生在聽課伊始能集中注意力，但過(guò)一陣后就會(huì)覺得枯燥無(wú)味，沒有繼續(xù)認(rèn)真聽講的動(dòng)力。久而久之，課堂氛圍就會(huì)變得死氣沉沉，使學(xué)生感到壓抑，失去學(xué)習(xí)的激情。

加入3D打印的課堂不同于普通課堂，教學(xué)時(shí)，教師可以用3D打印技術(shù)為學(xué)生制造并展現(xiàn)出諸多教學(xué)知識(shí)所包含的“實(shí)物”，既可以幫助學(xué)生理解掌握知識(shí)，還可以活躍課堂氣氛，為學(xué)生創(chuàng)造愉快的學(xué)習(xí)氛圍和學(xué)習(xí)體驗(yàn)，從而提高教學(xué)質(zhì)量。

6 結(jié) 語(yǔ)

現(xiàn)階段的教育教學(xué)強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)創(chuàng)新型高素質(zhì)人才，而3D打印技術(shù)正是培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的有效途徑之一。通過(guò)把3D打印技術(shù)、創(chuàng)客教育的核心內(nèi)容以及STEAM課程有機(jī)結(jié)合到教育教學(xué)中，教師能根據(jù)自己所教的內(nèi)容制作出不同難度、不同類型的教學(xué)輔助工具，同時(shí)也讓學(xué)生更直觀地接觸到諸多難以進(jìn)行空間想象的圖形。這樣，一方面有助于教師的教學(xué)，另一方面培養(yǎng)了學(xué)生的感知能力和空間想象能力。此外，3D打印技術(shù)也為教學(xué)帶來(lái)了很多優(yōu)勢(shì)，既有利于促進(jìn)直觀性教具的理解和使用、創(chuàng)造新穎的教學(xué)內(nèi)容，也有利于營(yíng)造愉快的學(xué)習(xí)氛圍和學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]李青，王青.3D打?。阂环N新興的學(xué)習(xí)技術(shù)[J].遠(yuǎn)程教育雜志，2013 （4） ：29-35.

[2]唐娜，郭龍，張剛.3D打印前景分析及商業(yè)市場(chǎng)化發(fā)展趨勢(shì)的研究與探索[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)， 2017，7（1）：88-89.

[3]楊潔，劉瑞儒，霍惠芳.3D打印在教育中的創(chuàng)新應(yīng)用[J].中國(guó)醫(yī)學(xué)教育技術(shù)， 2014（1）：10-12.

[4]童宇陽(yáng).3D打印技術(shù)在中小學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].現(xiàn)代教育技術(shù)， 2013， 23（12）：16-19.

[5]杜宇雷，孫菲菲，原光，等.3D打印材料的發(fā)展現(xiàn)狀[J].徐州工程學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014，29（1） ：20-24.

[6]周鵬，郭龍，賴書城，等. 光固化3D打印快速成型技術(shù)[J]. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)， 2017，7（4） ：97-98.

[7]鄭賢.基于STEAM的小學(xué)《3D打印》課程設(shè)計(jì)與教學(xué)實(shí)踐研究[J].中國(guó)電化教育，2016（8） ：82-86.

[8]朱閣， 莫蔚靖. 3D打印技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用與探索[J].價(jià)值工程， 2015（32） ：178-181.endprint