3D打印在教育中的應(yīng)用解析—基于文獻(xiàn)的共詞可視化研究

張臨英

陜西師范大學(xué)教育學(xué)院， 西安 710062

3D打印是一種增材制造技術(shù)。即以三維數(shù)字模型為參數(shù)，由3D打印機(jī)配置的專業(yè)軟件分層切割三維模型，將高分子粉末、陶瓷、光敏樹脂、食品和尼龍等打印耗材自動(dòng)化逐層噴涂或熔結(jié)到三維空間中，最終通過固化、分離、整理和著色等程序完成三維模型的制作[1]。早在20世紀(jì)90年代中期就出現(xiàn)了3D打印技術(shù)：1991年，麻省理工大學(xué)的Scans E M和Cima M J等申請了3D打印專利，標(biāo)志著3D打印技術(shù)的正式確立[2]。經(jīng)過20多年的探索和發(fā)展，3D打印技術(shù)更加成熟，其打印方式由傳統(tǒng)的自下而上擴(kuò)展到自上而下打印[3]，豐富了打印技術(shù)類型。隨著技術(shù)的發(fā)展，3D打印不僅僅活躍于專業(yè)人員中，非專業(yè)人員亦可通過3D Slash、3D One Plus、Auto CAD、Sketch Up等軟件或網(wǎng)頁站內(nèi)小程序設(shè)計(jì)感興趣的三維模型，通過3D打印機(jī)轉(zhuǎn)化成實(shí)物。最近，該技術(shù)得到推廣、普及，主要應(yīng)用在工程設(shè)計(jì)、生物醫(yī)學(xué)、食品加工等領(lǐng)域，引起了各界的關(guān)注，普遍認(rèn)為是第三次工業(yè)革命的重要表現(xiàn)形式之一[4]。同時(shí)，3D打印技術(shù)引起教育研究者的特別關(guān)注，逐漸應(yīng)用到教育領(lǐng)域，成為我國教育領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。文章通過分析3D打印技術(shù)在教育中的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，以期為3D打印有效應(yīng)用于教育領(lǐng)域的研究提供參考。

1 研究設(shè)計(jì)

1.1 研究數(shù)據(jù)來源

在CNKI全文數(shù)據(jù)庫中采用專業(yè)檢索，檢索表達(dá)語法為“SU=‘3D打印’AND SU=‘教育’”，統(tǒng)計(jì)時(shí)間為2013—2018年(具體截止時(shí)間為2018年7月31日)，共檢索出與主題相關(guān)的文獻(xiàn)233篇；通過人工初步篩選，摘除會議通知、廣告等與研究主題關(guān)聯(lián)不大的文獻(xiàn)，最終獲得214篇有效文獻(xiàn)。該研究通過CNKI題錄信息導(dǎo)出功能，將214篇文獻(xiàn)的題錄導(dǎo)出，并保存成Note First格式，為后續(xù)相關(guān)的研究工具提供數(shù)據(jù)支撐。

1.2 研究方法與工具

該研究采用混合研究方法，既包含量化研究又包含質(zhì)性研究，以共詞可視化為研究思路，具體使用社會網(wǎng)絡(luò)、聚類、多維尺度等分析方法。以CNKI導(dǎo)出的Note First文件為基礎(chǔ)，利用BICOMB 2.0提取關(guān)鍵詞和共詞矩陣，隨后采用UCINET 6.0繪制關(guān)系圖譜，在此基礎(chǔ)上通過SPSS 21.0數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析軟件對關(guān)鍵詞等進(jìn)行多維尺度分析，從而了解主題結(jié)構(gòu)和熱點(diǎn)趨勢等深層信息。

2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與結(jié)果分析

2.1 文獻(xiàn)發(fā)文量分析

文獻(xiàn)發(fā)文量在一定程度上能夠反映當(dāng)前主題的理論發(fā)展程度。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2013—2018年共發(fā)表3D打印與教育直接相關(guān)文獻(xiàn)214篇，為精確描繪發(fā)文量趨勢線，考慮到2018年仍未結(jié)束，故將2018年現(xiàn)有25篇文獻(xiàn)不計(jì)在發(fā)文量分布圖中(如圖1所示)。由圖1可知，3D打印在教育中的應(yīng)用研究逐漸受到國內(nèi)研究者的持續(xù)關(guān)注，發(fā)展態(tài)勢良好；通過相關(guān)系數(shù)R2=0.9724，其數(shù)值接近1，描繪的冪趨勢線y=5.7353x1.5989相對可靠。根據(jù)冪趨勢線可預(yù)測，未來3D打印在教育中的應(yīng)用研究將繼續(xù)受到研究者的關(guān)注，發(fā)文量將保持增長趨勢。

圖1 2013—2017年發(fā)文量統(tǒng)計(jì)圖

2.2 高頻關(guān)鍵詞統(tǒng)計(jì)分析

關(guān)鍵詞是作者從文中摘錄出來能反映核心內(nèi)容的詞匯，在很多方面能起到比較重要的作用，能夠?qū)υ擃I(lǐng)域中的發(fā)展熱點(diǎn)、脈絡(luò)等快速定位。該研究將先前保存好的Note First格式文件導(dǎo)入BICOMB 2.0書目共詞分析軟件，提取關(guān)鍵詞，并對關(guān)鍵詞數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗與統(tǒng)計(jì)。該研究選擇詞頻≥4的24個(gè)關(guān)鍵詞，其累計(jì)頻次為45.4756%(大于40%，研究學(xué)者提出高頻關(guān)鍵詞的選擇截止標(biāo)準(zhǔn)高達(dá)累計(jì)百分比的40%[5])。如表1所示，去除檢索的“3D打印”和“教育”相似的關(guān)鍵詞，排名靠前的關(guān)鍵詞主要有創(chuàng)客教育、STEAM教育、教育創(chuàng)新、職業(yè)教育、中小學(xué)教育和教學(xué)改革等。高頻關(guān)鍵詞反映了3D打印在教育中的應(yīng)用研究已從早期的理論研究轉(zhuǎn)向?qū)嵺`研究，關(guān)注3D打印在教育中具體的應(yīng)用人群、學(xué)科、創(chuàng)新及教學(xué)改革和教學(xué)設(shè)計(jì)等。

2.3 社會網(wǎng)絡(luò)分析

為進(jìn)一步了解3D打印與教育相結(jié)合的研究熱點(diǎn)間的內(nèi)部關(guān)系特征，該研究以高頻關(guān)鍵詞為源分析數(shù)據(jù)，通過書目共詞分析軟件BICOMB 2.0，以高頻關(guān)鍵詞為關(guān)鍵字段，頻次閾值≥4，生成共現(xiàn)矩陣。隨后利用UCINET 6.0社會網(wǎng)絡(luò)分析軟件對共現(xiàn)矩陣數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，生成UCINET 6.0軟件可識別的“.##h”數(shù)據(jù)文件，采用軟件的Visualize里的NetDraw功能，將“.##h”中的高頻關(guān)鍵詞共現(xiàn)矩陣數(shù)據(jù)可視化，并對其進(jìn)行Degree點(diǎn)度中心度分析，調(diào)整可視化圖譜布局，最終形成圖2社會網(wǎng)絡(luò)分析圖譜。

表1 高頻關(guān)鍵詞統(tǒng)計(jì)表(前24名)

圖2 高頻關(guān)鍵詞社會網(wǎng)絡(luò)分析圖譜

社會網(wǎng)絡(luò)分析圖譜中每個(gè)節(jié)點(diǎn)代表一個(gè)關(guān)鍵詞，節(jié)點(diǎn)面積越大，中心度越大，代表該節(jié)點(diǎn)在此社會網(wǎng)絡(luò)中較為重要；節(jié)點(diǎn)間的有向箭頭線表示各關(guān)鍵詞之間的共現(xiàn)關(guān)系[6]。由圖2可知，29個(gè)高頻關(guān)鍵詞構(gòu)成了以“3D打印”節(jié)點(diǎn)為核心的有向網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)圖，不存在孤立的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)：一方面，從節(jié)點(diǎn)大小來看，“創(chuàng)客教育”“STEAM教育”“創(chuàng)新”“中小學(xué)教育”“高等教育”“人才培養(yǎng)”等相對較大的節(jié)點(diǎn)代表了3D打印在教育領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)；另一方面，根據(jù)節(jié)點(diǎn)間連線的數(shù)量觀測密度并確定其在網(wǎng)絡(luò)中的地位。該研究利用UCINET 6.0軟件對共現(xiàn)矩陣進(jìn)行點(diǎn)度中心度計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果如圖3所示。Out Degree表示個(gè)體在網(wǎng)絡(luò)中主動(dòng)建立關(guān)系的能力；In Degree表示個(gè)體對網(wǎng)絡(luò)中其他個(gè)體的作用。其數(shù)值越大，則作用越強(qiáng)[7]?！敖虒W(xué)應(yīng)用”的Out Degree和In Degree的值都是5，相對較低。可見3D打印在教育領(lǐng)域中的研究不斷深化，但其具體的教學(xué)應(yīng)用仍處于探索階段，須進(jìn)一步關(guān)注。

2.4 高頻關(guān)鍵詞聚類分析

聚類分析是一種多元計(jì)量分析方法，能夠按照同質(zhì)性和異質(zhì)性將研究對象進(jìn)行歸類處理[8]。SPSS中的聚類分析主要包括K均值、兩步和系統(tǒng)等聚類方法。該研究采用最常用的系統(tǒng)聚類法，進(jìn)一步探究3D打印與教育相結(jié)合的研究主題結(jié)構(gòu)。首先，通過SPSS 21.0數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析軟件將BICOMB 2.0中導(dǎo)出的共現(xiàn)矩陣轉(zhuǎn)換成相似矩陣；其次，在Excel表格中，通過函數(shù)計(jì)算“1-ABS(相似矩陣中的值)”，得到相異矩陣；最后，采用系統(tǒng)聚類法對相異矩陣進(jìn)行分析，分析過程中具體采用Ward法，選擇Euclidean distance為度量標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間，將變量值按照全距從-1到1的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，消除量綱影響，繪制水平樹狀圖，如圖4所示。圖4顯示，將高頻關(guān)鍵詞聚類分為3類或4類較為合理。類間距離越大，則區(qū)別越大。為精確分析聚類主題結(jié)果，可將聚類結(jié)果分成3大類，即三個(gè)研究主題，具體闡述如下：

圖3 高頻關(guān)鍵詞點(diǎn)度中心性計(jì)算結(jié)果圖 圖4 高頻關(guān)鍵詞聚類樹狀圖

①3D打印在職業(yè)教育、中小學(xué)教育中的創(chuàng)新應(yīng)用研究。3D打印、創(chuàng)客教育、STEAM教育、教育創(chuàng)新、職業(yè)教育、中小學(xué)教育、教學(xué)設(shè)計(jì)等17個(gè)高頻關(guān)鍵詞形成了第一類主題。為培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，提高國民素質(zhì)教育質(zhì)量，3D打印逐步進(jìn)入職業(yè)院校和中小學(xué)。在3D打印與職業(yè)教育、中小學(xué)教育相結(jié)合的大背景下，教學(xué)研究者將3D打印植入到創(chuàng)客教育和STEAM教育等新的教育教學(xué)理念中，關(guān)注3D打印與創(chuàng)客教育、STEAM教育進(jìn)行整合的具體實(shí)踐教學(xué)問題，如教學(xué)設(shè)計(jì)、課程設(shè)計(jì)、學(xué)習(xí)分析和教學(xué)應(yīng)用等，促進(jìn)了教育創(chuàng)新，為新型課程建設(shè)提供了可能。

②3D打印在工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的教學(xué)實(shí)踐研究。打印機(jī)、打印設(shè)備、工業(yè)設(shè)計(jì)教育和領(lǐng)域等4個(gè)高頻關(guān)鍵詞形成了第二類主題。根據(jù)文獻(xiàn)分析，3D打印與工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的教學(xué)緊密聯(lián)系。工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)領(lǐng)域的教學(xué)更多地涉及到實(shí)驗(yàn)教學(xué)，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力。借助3D打印設(shè)備，一方面，學(xué)生能夠?qū)⒆约涸O(shè)計(jì)的三維模型在相對較短的時(shí)間內(nèi)打印出來，縮短研制周期，便于學(xué)生通過實(shí)物模型快速發(fā)現(xiàn)問題并解決問題；另一方面，3D打印設(shè)備能夠打印出相應(yīng)的教學(xué)輔助用具，如燃?xì)鈧鬏斣O(shè)備等，有效保障了學(xué)生的安全，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)順利開展。

③計(jì)算機(jī)支持下融入3D打印的高等教育實(shí)證研究。教育教學(xué)、教學(xué)改革、創(chuàng)新、高等教育、教育應(yīng)用、設(shè)計(jì)、CAD/CAM技術(shù)和興趣等8個(gè)高頻關(guān)鍵詞形成第三類主題。通過3D打印的工作原理可知，計(jì)算機(jī)與3D打印息息相關(guān)，計(jì)算機(jī)輔助的設(shè)計(jì)能夠建立數(shù)字模型，為后續(xù)打印工作奠定堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。信息化時(shí)代下，與計(jì)算機(jī)相關(guān)的課程是高等教育中接觸較多的課程之一。在高等教育中，CAD/CAM(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)/計(jì)算機(jī)輔助制造)是一種與計(jì)算機(jī)緊密關(guān)聯(lián)的學(xué)科，將3D打印與傳統(tǒng)的CAD/CAM教學(xué)相結(jié)合，可以克服傳統(tǒng)教學(xué)中教學(xué)內(nèi)容單一、教學(xué)設(shè)備不完善等弊端，起到事半功倍的效果。教育研究者逐漸將3D打印融入高等教育領(lǐng)域，依托一定的理論基礎(chǔ)，不斷進(jìn)行教育創(chuàng)新應(yīng)用研究，為教育改革開創(chuàng)了新局面。

2.5 多維尺度分析

通過聚類分析，可以對3D打印在教育領(lǐng)域中的主題結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類分析，但無法確定其空間位置關(guān)系。為了更加準(zhǔn)確地分析3D打印在教育領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)及趨勢，該研究把多維尺度分析作為聚類分析的輔助方法，起到矯正作用。

利用SPSS 21.0軟件中的度量功能繪制多維尺度圖譜。首先，將高頻關(guān)鍵詞相異矩陣導(dǎo)入SPSS；然后，應(yīng)用軟件的“分析”功能，選擇度量中的“多維尺度分析”(multidimensional Scaling，即ALSCAL)，以“序數(shù)”為度量水平，采用“Euclidean距離”模型，設(shè)置“正對稱”形狀；最后，輸出“組圖”，獲得3D打印在教育領(lǐng)域中研究的高頻關(guān)鍵詞多維尺度可視化分析圖譜。根據(jù)輸出的結(jié)果“Stress=0.25575，RSQ=0.73671”可知，多維尺度分析圖譜可靠、有效。圖譜將高頻關(guān)鍵詞按照測定距離分布在二維空間中，用封閉的曲線根據(jù)聚類結(jié)果將其分為三大類。為便于之后分析，根據(jù)坐標(biāo)劃分的4個(gè)區(qū)域，從右上角開始，逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，依次標(biāo)記為第一、第二、第三和第四象限，如圖5所示。

圖5 多維尺度分析圖譜

①占據(jù)4個(gè)象限的是“3D打印在職業(yè)教育、中小學(xué)教育中的創(chuàng)新應(yīng)用研究”類團(tuán)。該類團(tuán)主要分布在第二象限，占用空間較大，且距離坐標(biāo)中心最近，受到的關(guān)注最多。中小學(xué)教育、STEAM教育、教育創(chuàng)新、創(chuàng)客教育等高頻關(guān)鍵詞處在該類團(tuán)的核心位置，是該類團(tuán)的研究熱點(diǎn)。今后，教育研究者將進(jìn)一步圍繞3D打印在職業(yè)院校和中小學(xué)進(jìn)行教育應(yīng)用研究。

②占據(jù)第一象限、第三象限和第四象限的是“3D打印在工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的教學(xué)實(shí)踐研究”類團(tuán)。該類團(tuán)中的高頻關(guān)鍵詞分布相對分散，與第一類團(tuán)相比，距離坐標(biāo)中心較遠(yuǎn)，研究熱度相對較低。通過觀察圖譜可知，基于3D打印的工業(yè)設(shè)計(jì)研究主要通過打印設(shè)備實(shí)現(xiàn)，該主題研究較為匱乏，處于探索嘗試階段。

③占據(jù)第三象限和第四象限的是“計(jì)算機(jī)支持下融入3D打印的高等教育實(shí)證研究”類團(tuán)。該類團(tuán)處于第一類團(tuán)和第二類團(tuán)之間，距離坐標(biāo)中心相對較近，研究較熱。高等教育、教學(xué)改革等高頻關(guān)鍵詞處在該類團(tuán)的中樞位置，是該類團(tuán)的研究重點(diǎn)。通過圖譜可知，未來3D打印在高等教育中的教育改革實(shí)證研究將受到更多關(guān)注，是研究的必然趨勢。

3 研究結(jié)論與啟示

通過發(fā)文量、高頻關(guān)鍵詞統(tǒng)計(jì)與高頻關(guān)鍵詞的社會化網(wǎng)絡(luò)、聚類和多維尺度等多種分析方法，該研究能夠發(fā)現(xiàn)當(dāng)前3D打印在我國教育領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)并預(yù)測未來發(fā)展趨勢。通過可視化分析，發(fā)現(xiàn)3D打印在我國教育中的研究將持續(xù)受到教育學(xué)者的關(guān)注，創(chuàng)客教育、STEAM教育、中小學(xué)教育、高等教育等是3D打印在教育領(lǐng)域中研究的熱點(diǎn)。結(jié)合內(nèi)容分析，研究主要集中在以下幾個(gè)方面：①3D打印在職業(yè)教育、中小學(xué)教育中的創(chuàng)新應(yīng)用研究，該主題研究較熱，今后幾年該主題仍會受到研究者的廣泛關(guān)注；②3D打印在工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的教學(xué)實(shí)踐研究，其研究相對分散，未能形成成熟的研究主題，但3D打印在設(shè)計(jì)域中發(fā)揮的作用及其教學(xué)效果是未來研究的重點(diǎn)；③計(jì)算機(jī)支持下融入3D打印的高等教育實(shí)證研究，其研究相對較熱，是高等教育改革研究的一種趨勢。根據(jù)以上研究結(jié)論，該研究對今后我國3D打印融入教育領(lǐng)域的發(fā)展研究得出以下啟示：

3.1 加強(qiáng)理論基礎(chǔ)研究

3D打印作為一種新型技術(shù)，雖然早在20世紀(jì)末就已經(jīng)被正式確定該技術(shù)的存在，但是我國關(guān)于3D打印的學(xué)術(shù)理論研究發(fā)展相對緩慢。《地平線報(bào)告》是有關(guān)信息技術(shù)與教育應(yīng)用的前沿預(yù)測性報(bào)告，具有一定的信服性。2013年，3D打印在教育中的應(yīng)用首次被加入到《地平線報(bào)告》的新技術(shù)列表，由此引起學(xué)者的關(guān)注，3D打印被逐漸引入到教育領(lǐng)域中[9]。通過CNKI檢索可知，有關(guān)3D打印的理論研究相當(dāng)豐富，其發(fā)文量在近幾年高達(dá)上千篇，而3D打印的教育應(yīng)用研究則相對匱乏，2013年至今發(fā)文量僅為百篇，且在核心及以上期刊中的發(fā)文量不足10%。因此，加強(qiáng)理論基礎(chǔ)研究迫在眉睫，只有3D打印的教育應(yīng)用理論研究盛行，才能推進(jìn)一線3D打印的教育實(shí)踐研究。

3.2 深化3D打印與創(chuàng)新教學(xué)理念的融合

3D打印可實(shí)現(xiàn)個(gè)性化制作、縮短研制周期、提高材料利用率等特點(diǎn)，為教育創(chuàng)設(shè)了新的教學(xué)活動(dòng)，豐富了學(xué)習(xí)者“做的經(jīng)驗(yàn)”的獲得[10]。3D打印獨(dú)特的教學(xué)優(yōu)勢與創(chuàng)客教育(產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合，培養(yǎng)創(chuàng)新型思維)、STEAM教育(多學(xué)科融合，培養(yǎng)綜合型人才)等創(chuàng)新教學(xué)理念存在教育交叉區(qū)，應(yīng)充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，將3D打印與創(chuàng)新教學(xué)理念進(jìn)行深度融合，彌補(bǔ)創(chuàng)新教學(xué)理念的不足，為創(chuàng)新教學(xué)理念的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。隨著社會發(fā)展的需要，融入3D打印的創(chuàng)新教學(xué)理念也將進(jìn)入中小學(xué)、職業(yè)院校和高等院校中。為了針對性地培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，須深化3D打印與創(chuàng)新教學(xué)理念的融合。

3.3 拓寬3D打印的教育應(yīng)用范圍

3D打印作為一種新興技術(shù)，其應(yīng)用前景廣闊，已應(yīng)用到金屬加工、服裝設(shè)計(jì)與定制、建筑、生物醫(yī)療、食品加工等領(lǐng)域[11]。3D打印的高速發(fā)展也為創(chuàng)新教育提供了新視角，增添了教育教學(xué)的活力。該研究發(fā)現(xiàn)3D打印在教育中的研究主要集中在工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，與具體的CAD/CAM課程相結(jié)合，其他專業(yè)領(lǐng)域的研究相對較少。通過文獻(xiàn)內(nèi)容分析可知，3D打印不僅僅應(yīng)用在CAD/CAM課程，還應(yīng)用在數(shù)學(xué)、物理、工程等課程中，部分學(xué)校甚至將3D打印單獨(dú)作為一門課程引入到課堂中[12]，為教育教學(xué)改革提供了契機(jī)。因此，未來需要拓寬3D打印的教育應(yīng)用范圍，挖掘3D打印的教育應(yīng)用潛能，較全面地發(fā)展3D打印在教育中的應(yīng)用研究。