3D打印教育裝備在中小學(xué)教育應(yīng)用的現(xiàn)狀和問(wèn)題分析*

張 敏 劉俊波

近年來(lái)，3D打印教育裝備在教育中的應(yīng)用得到普遍的推廣，其教育價(jià)值也逐漸凸顯，成為培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的重要載體。從其本身所具有的特點(diǎn)來(lái)說(shuō)，3D打印教育裝備具有“所想即所得”的天然優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)W(xué)生的創(chuàng)意變成看得見(jiàn)、摸得著的作品，使學(xué)生在實(shí)踐過(guò)程中獲得成就感、喜悅感，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力。3D打印技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)學(xué)、材料學(xué)、物理學(xué)、信息技術(shù)、藝術(shù)設(shè)計(jì)等多學(xué)科的有機(jī)融合，是開(kāi)展STEAM教育或創(chuàng)客教育的有效手段[1]。同時(shí)，3D打印技術(shù)在工業(yè)、建筑、軍事、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用，因此，通過(guò)3D打印教育裝備可以引導(dǎo)學(xué)生由簡(jiǎn)單的創(chuàng)新設(shè)計(jì)向更廣闊的領(lǐng)域延伸。

2015年，李克強(qiáng)總理在國(guó)務(wù)院舉辦的“先進(jìn)制造與3D打印”專題講座中強(qiáng)調(diào)指出，“增材”的發(fā)展理念很可能會(huì)對(duì)我國(guó)的發(fā)展方式產(chǎn)生顛覆性影響。為了應(yīng)對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)創(chuàng)新人才和3D打印技術(shù)的需要，近年來(lái)各級(jí)教育部門(mén)逐步開(kāi)始研究和開(kāi)展基于3D打印技術(shù)的教育教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)。2017年，教育部先后發(fā)布了《綜合實(shí)踐活動(dòng)指導(dǎo)綱要》《普通高中課程方案(2017版)》等文件，明確提出要在中小學(xué)開(kāi)設(shè)3D打印技術(shù)有關(guān)的課程，建設(shè)3D打印創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室[2，3]。與此同時(shí)，不僅部分學(xué)校積極開(kāi)展3D打印創(chuàng)新教育，3D打印也受到了一些校外培訓(xùn)機(jī)構(gòu)的推崇。

為了深入和全面了解3D打印教育裝備在中小學(xué)的應(yīng)用情況，如普及程度、與教育教學(xué)結(jié)合的具體形態(tài)、教學(xué)應(yīng)用方式和應(yīng)用效果等，教育部教育裝備研究與發(fā)展中心于2017年對(duì)沈陽(yáng)、武漢、成都、深圳、江門(mén)、廣州、南京7地的近30所中小學(xué)進(jìn)行了“3D打印教育裝備在教育教學(xué)中的應(yīng)用”專項(xiàng)調(diào)研。本文以調(diào)研為基礎(chǔ)，對(duì)3D打印教育裝備在中小學(xué)的應(yīng)用情況及存在的問(wèn)題進(jìn)行了分析，并提出了提升3D打印教育裝備應(yīng)用效果的一些思路和建議。

一、3D打印教育裝備應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著3D打印技術(shù)的進(jìn)步和成熟，其在各級(jí)學(xué)校教育教學(xué)活動(dòng)中的應(yīng)用呈現(xiàn)快速發(fā)展趨勢(shì)。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，大中城市絕大多數(shù)中小學(xué)校都配備有3D打印機(jī)，大部分是和創(chuàng)客實(shí)驗(yàn)室結(jié)合在一起的，有少部分單獨(dú)建設(shè)3D打印創(chuàng)新(創(chuàng)客)實(shí)驗(yàn)室。南京市、廣州市是較早開(kāi)啟3D打印教育的地區(qū)。2017年，南京市各區(qū)已有近200所學(xué)校開(kāi)設(shè)了3D打印相關(guān)的課程。學(xué)校類別覆蓋公辦示范性普通高中、普通中小學(xué)以及外來(lái)務(wù)工子弟較多的民辦學(xué)校；截至目前，武漢市江漢區(qū)全區(qū)有50%以上的學(xué)校配置了3D打印實(shí)驗(yàn)室。廣州市、深圳市也有部分學(xué)校建設(shè)了3D打印實(shí)驗(yàn)室，但是調(diào)研的其他地方基本是以零星配備為主，不能構(gòu)成班級(jí)授課的條件，省會(huì)城市以外的學(xué)校甚至出現(xiàn)配備3D打印教育裝備而大部分閑置的情況。各地教育局反映，建設(shè)3D打印實(shí)驗(yàn)室、開(kāi)展普惠式教育是他們的強(qiáng)烈愿望，也是廣大學(xué)生的愿望，不少學(xué)校都在未來(lái)2～3年內(nèi)有購(gòu)置3D打印設(shè)備的計(jì)劃。

從3D打印教育裝備的教學(xué)應(yīng)用方式來(lái)看，有全班開(kāi)課、興趣小組、競(jìng)賽小組等多種方式。其中，建設(shè)3D打印實(shí)驗(yàn)室的學(xué)校具備了班級(jí)授課的條件，因此班級(jí)授課是應(yīng)用的基本形式。利用3D打印設(shè)備組織興趣小組或社團(tuán)活動(dòng)是最主要的教學(xué)應(yīng)用方式。以廣州某中學(xué)為例，學(xué)校的3D打印(創(chuàng)客)實(shí)驗(yàn)室對(duì)學(xué)生開(kāi)放的時(shí)間是每天下午5點(diǎn)以后。而更多的情況是，在學(xué)校創(chuàng)客實(shí)驗(yàn)室中配備了少量的3D打印設(shè)備，供少數(shù)對(duì)創(chuàng)客有興趣的學(xué)生在創(chuàng)作過(guò)程中使用?？梢钥闯?，目前3D打印教育還是一種相對(duì)精英化和小眾化的教育，很多想學(xué)習(xí)的學(xué)生得不到機(jī)會(huì)，尚未達(dá)到普惠的程度。

在建設(shè)有3D打印實(shí)驗(yàn)室的學(xué)校中，各地通過(guò)積極探索也取得一些寶貴的經(jīng)驗(yàn)。教育裝備應(yīng)用在各學(xué)段有不同的表現(xiàn)形式。在小學(xué)階段作為輔助學(xué)科教學(xué)的工具，側(cè)重于科普體驗(yàn)。具體來(lái)說(shuō)，3D打印技術(shù)通過(guò)與語(yǔ)文、數(shù)學(xué)、科學(xué)、美術(shù)等國(guó)家課程相融合，幫助小學(xué)生更直觀形象地理解學(xué)科知識(shí)，達(dá)成學(xué)科教學(xué)目標(biāo)。如在語(yǔ)文教師講授《趙州橋》一文時(shí)，可以用3D打印技術(shù)制作趙州橋模型，從而為語(yǔ)文教學(xué)提供教具；在數(shù)學(xué)課上，教師可以指導(dǎo)學(xué)生利用3D打印技術(shù)制作不同幾何形狀的立體模型，幫助學(xué)生建立空間概念；在勞動(dòng)技術(shù)課上，孩子們可自行設(shè)計(jì)并用3D打印機(jī)制作餅干模具，從而做出具有獨(dú)特創(chuàng)意的餅干等。學(xué)生在這些與學(xué)科融合的活動(dòng)中，體驗(yàn)掌握3D打印的基本技能，幫助理解學(xué)科概念。在中學(xué)階段，3D打印重點(diǎn)是圍繞3D打印技術(shù)核心開(kāi)展數(shù)字思維、建模能力、作品創(chuàng)作的培養(yǎng)和訓(xùn)練以提高學(xué)生的技術(shù)思維和技術(shù)思想，學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)使用3D打印設(shè)備及相關(guān)建模軟件，提高了動(dòng)手能力，同時(shí)，加強(qiáng)了對(duì)新型科技產(chǎn)品的認(rèn)知，促進(jìn)了創(chuàng)新能力的提升；有的學(xué)校專門(mén)成立3D打印社團(tuán)，講解和使用3D打印技術(shù)；有的學(xué)校將3D打印技術(shù)與學(xué)校特色活動(dòng)、創(chuàng)客活動(dòng)、科技活動(dòng)等進(jìn)行整合，如在校本課程航模研究上，學(xué)生利用3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)和制作航模發(fā)動(dòng)機(jī)；篆刻社團(tuán)在計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)并用3D打印機(jī)直接打印出圖章；玩轉(zhuǎn)機(jī)器人社團(tuán)用3D打印機(jī)制作機(jī)器零件等。江門(mén)市蓬江區(qū)怡福中學(xué)的一名初三學(xué)生利用3D打印機(jī)設(shè)計(jì)制作了自動(dòng)監(jiān)測(cè)水位的報(bào)警裝置，在全國(guó)科技創(chuàng)新大賽中獲獎(jiǎng)。

從學(xué)校實(shí)踐來(lái)看，3D打印教育裝備在教學(xué)中之所以能夠蓬勃發(fā)展，最重要的原因是3D打印體現(xiàn)出的現(xiàn)代性、綜合性、實(shí)踐性和創(chuàng)新性的教育價(jià)值，這和以往強(qiáng)調(diào)知識(shí)教育的裝備不同，傳統(tǒng)教育裝備主要用以支撐演示、驗(yàn)證和科學(xué)探究，在以信息化和智能化為特征的新時(shí)代，科技發(fā)展日新月異，需要培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神，才能適應(yīng)未來(lái)的社會(huì)發(fā)展。3D打印作品的開(kāi)放性有利于培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維和批判思維，3D打印作品的易得性有利于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新熱情，是創(chuàng)新教育的重要載體，是知識(shí)教育的必要補(bǔ)充。同時(shí)，3D打印教育裝備的經(jīng)濟(jì)性為開(kāi)展普惠式教育提供了重要的前提。3D打印同教育教學(xué)的結(jié)合形態(tài)非常多樣化，可以和學(xué)校的各項(xiàng)教學(xué)活動(dòng)如學(xué)科教學(xué)、校本課程、實(shí)踐活動(dòng)、科技競(jìng)賽等有機(jī)融合，這也是其生命力所在。調(diào)研中教師們也表示，如果3D打印脫離了校內(nèi)的課程，其應(yīng)用范圍就會(huì)大大受限。

二、3D打印教育裝備在應(yīng)用中存在的問(wèn)題

雖然很多中小學(xué)購(gòu)買了3D打印設(shè)備，建設(shè)了3D打印實(shí)驗(yàn)室，但是不少學(xué)校還存在“用不了”“用不好”的現(xiàn)象，特別是一些教育欠發(fā)達(dá)地區(qū)的學(xué)校，由于3D實(shí)驗(yàn)室建好后利用率很低，逐步淪為形象工程[4]?？偨Y(jié)起來(lái)，可分為以下六方面。

1.教育理念相對(duì)落后

在調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，盡管多數(shù)教師對(duì)3D打印教育裝備進(jìn)入學(xué)校持積極態(tài)度，但對(duì)如何利用3D打印培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力缺乏理解，不能在學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)背景下深刻認(rèn)識(shí)3D打印課程特有的技術(shù)素養(yǎng)、創(chuàng)意素養(yǎng)和數(shù)字素養(yǎng)內(nèi)涵，不能充分理解以3D打印教育裝備為代表的現(xiàn)代教育裝備可以同學(xué)校的課程建設(shè)、教育教學(xué)深度融合，成為促進(jìn)和引領(lǐng)課程改革的重要因素，僅僅把3D打印當(dāng)作一種簡(jiǎn)單的技術(shù)手段[5]。

2.課程指導(dǎo)和教材資源不夠完善

目前，3D打印在中小學(xué)教育教學(xué)中的應(yīng)用缺少課程標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)，也缺少針對(duì)不同學(xué)段科學(xué)設(shè)計(jì)的教材，教師在開(kāi)展教學(xué)時(shí)只能依靠國(guó)外不成體系的資料或者使用3D打印設(shè)備生產(chǎn)廠商提供的教學(xué)用書(shū)進(jìn)行使用，導(dǎo)致各地中小學(xué)呈現(xiàn)的教學(xué)方式五花八門(mén)，課程形態(tài)多種多樣，教學(xué)效果良莠不齊。

3.課時(shí)安排較為緊張

目前，各級(jí)學(xué)校開(kāi)設(shè)的3D打印課程一般是作為綜合實(shí)踐活動(dòng)的組成部分，按照《綜合實(shí)踐活動(dòng)指導(dǎo)綱要》要求，小學(xué)1～2年級(jí)平均每周不少于1課時(shí)；小學(xué)3～6年級(jí)和初中平均每周不少于2課時(shí)。但是，由于綜合實(shí)踐活動(dòng)內(nèi)容非常豐富，很難保證3D打印相關(guān)的課程有足夠的學(xué)時(shí)。由于課時(shí)受限，在很多學(xué)校里3D打印只限于社團(tuán)活動(dòng)，成了少數(shù)學(xué)生的奢侈課程，這與優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源普惠理念背道而馳。

4.師資力量有所欠缺

3D打印作為一門(mén)新興科學(xué)技術(shù)，融合了信息、機(jī)械、物理、材料等跨學(xué)科知識(shí)內(nèi)容，存在一定的技術(shù)專業(yè)門(mén)檻。由于我國(guó)教師教育長(zhǎng)期以來(lái)實(shí)行單科專業(yè)化培養(yǎng)與培訓(xùn)，因此，當(dāng)3D打印等現(xiàn)代教育裝備技術(shù)進(jìn)入教學(xué)中時(shí)，教師普遍感覺(jué)到知識(shí)和能力結(jié)構(gòu)不能滿足教學(xué)需要。特別是3D打印技術(shù)與學(xué)科的融合非常緊密，這就要求不僅信息技術(shù)等專業(yè)教師要承擔(dān)起教學(xué)任務(wù)，各學(xué)科教師也要掌握3D打印技術(shù)。目前，3D打印有關(guān)的培訓(xùn)多是設(shè)備生產(chǎn)商提供的技術(shù)培訓(xùn)，真正能夠提升專業(yè)技術(shù)教師和學(xué)科骨干教師專業(yè)水平的教研培訓(xùn)很少。

5.3D打印裝備配置標(biāo)準(zhǔn)缺失

開(kāi)展3D打印教育教學(xué)的基礎(chǔ)是建設(shè)3D打印實(shí)驗(yàn)室，并配備3D打印有關(guān)的教育裝備。而3D打印作為新興科技之一，目前還缺乏統(tǒng)一科學(xué)的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和裝備配備標(biāo)準(zhǔn)，使得學(xué)校在規(guī)劃和建設(shè)時(shí)沒(méi)有參考依據(jù)，實(shí)驗(yàn)室建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)各異。且由于3D打印在教育教學(xué)中應(yīng)用還處于起步和探索階段，具備教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的教師相對(duì)不足，難以判斷設(shè)備的優(yōu)劣和教學(xué)適用性。

6.經(jīng)費(fèi)保障不足

盡管3D打印設(shè)備在價(jià)格上已經(jīng)具有優(yōu)勢(shì)，但是在很多地區(qū)，全面建設(shè)仍然有一定的困難，學(xué)校在申請(qǐng)時(shí)難度較大、周期較長(zhǎng)。而且建設(shè)費(fèi)用往往不包含耗材、培訓(xùn)，致使建設(shè)之后不能很好發(fā)揮作用。在調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，受經(jīng)費(fèi)的限制，有的學(xué)校在3D打印課上只能“選擇性打印”，大多數(shù)孩子的設(shè)計(jì)和創(chuàng)意不能實(shí)現(xiàn)。

三、總結(jié)和展望

盡管3D打印教育在推進(jìn)過(guò)程中面臨師資、課時(shí)、教材、場(chǎng)地、資金等各種困難，但是各地都表現(xiàn)了深入推進(jìn)的積極熱情，率先探索3D打印創(chuàng)新教育的學(xué)校和師生普遍認(rèn)可3D打印在提高教學(xué)效率、豐富教學(xué)手段、滿足個(gè)性化學(xué)習(xí)、培養(yǎng)創(chuàng)新能力等方面的教育價(jià)值和意義，并將加大投入推動(dòng)3D打印創(chuàng)新教育的全面普及。因此，應(yīng)該抓住“十三五”期間大力加強(qiáng)教育裝備現(xiàn)代化建設(shè)的戰(zhàn)略機(jī)遇，樹(shù)立裝備課程化、課程活動(dòng)化的新理念，按照理念引領(lǐng)、課程引導(dǎo)、裝備支撐、師資保障、實(shí)驗(yàn)先行的原則，探索可推廣。可復(fù)制的普惠式的3D打印教育應(yīng)用模式，逐步建立和完善3D打印“產(chǎn)學(xué)研用”一體化生態(tài)圈。各地教育局和學(xué)校建議推動(dòng)3D打印課程化，必須由教育部裝備主管部門(mén)組織專家隊(duì)伍開(kāi)發(fā)課程資源，解決教材和評(píng)價(jià)等共性問(wèn)題，必須緊緊依靠教育專家、技術(shù)專家、一線教師深入研究，厘清課程理念、精心設(shè)計(jì)內(nèi)容和探索教學(xué)模式，并做好3D打印實(shí)驗(yàn)室配置標(biāo)準(zhǔn)、教師培訓(xùn)方案、設(shè)備維護(hù)更新、耗材補(bǔ)充機(jī)制等一系列措施，整體協(xié)調(diào)推進(jìn)，從而提升3D打印技術(shù)在教育教學(xué)中的應(yīng)用水平[4，6]。