中小學(xué)3D打印課程設(shè)計與實踐研究

許玄玄

（北京郵電大學(xué) 教育技術(shù)研究所，北京100876）

一、引言

3D打印技術(shù)是一種新型的快速成型技術(shù)，是利用計算機輔助設(shè)計軟件或?qū)嶓w掃描設(shè)備形成數(shù)字化模型，運用粉末狀金屬、塑料或面粉等可粘合材料，通過逐層打印的方法來實現(xiàn)物體創(chuàng)建的技術(shù)[1]。其與學(xué)習分析技術(shù)、大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)課程、可穿戴技術(shù)等同時被《2013地平線報告》列為影響高等教育的六大技術(shù)。

3D打印在教學(xué)中的應(yīng)用主要有三種模式：用于制作增強型的立體教具、學(xué)具，用于輔導(dǎo)學(xué)生進行創(chuàng)新，用于強化課堂交互活動和協(xié)作學(xué)習[2]。隨著3D打印技術(shù)的不斷完善和進步，3D打印從象牙塔里的高科技，發(fā)展成為融入學(xué)校、家庭和社會教育常態(tài)的具有革命性影響的技術(shù)，成為技術(shù)支持教育應(yīng)用創(chuàng)新不可或缺的元素[3]。

在《新媒體聯(lián)盟地平線報告（2015基礎(chǔ)教育版）》中，將3D打印列為未來2-3年技術(shù)驅(qū)動K12教育的重要趨勢[4]。在國內(nèi)外，3D打印技術(shù)已經(jīng)逐步融入到了K12教育的探索實踐和研究之中。

在國外，自2013年以來，美國有超過20個州的K12教育機構(gòu)以3D打印技術(shù)與開源硬件平臺為基礎(chǔ)，建設(shè)創(chuàng)客空間（Maker Space）或創(chuàng)新實驗室（Fab Lab）[5]；Gaia 3D公司與英國教育和科學(xué)部合作開發(fā)了多種K-12 3D教學(xué)課件，并不斷開發(fā)運動傳感器和語音識別技術(shù)在教室中使用，如微軟Kinect[6]；英國教育和科學(xué)部還開展了一項為期一年的試驗項目 （2012年10月-2013年9月），以21個學(xué)校為試點，以3D打印作為一種課程資源，將數(shù)學(xué)、物理、計算機科學(xué)、工程和設(shè)計等課程融入進去，推動了教學(xué)創(chuàng)新[7]。

隨著STEAM教育、創(chuàng)客教育等新教育模式的提出，3D打印也受到了國內(nèi)教育者們的重視。杭州采荷第三小學(xué)教育集團提出“第三教育空間”理念并開設(shè)“3D打印創(chuàng)意工作室”[8]；廣州“智創(chuàng)空間”（ZC Space）的創(chuàng)始人提出以智能機器人設(shè)計制作、3D打印技術(shù)應(yīng)用和Scratch與機器人融合作為創(chuàng)客教育“三劍客”[9]；上海、武漢等地的中小學(xué)都在逐步配備3D打印機并建立3D打印實驗中心或開設(shè)3D打印課程[10]。

3D打印引起國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。2013年以來，3D打印技術(shù)在教育領(lǐng)域的研究越來越多，但大都集中在對其原理、發(fā)展現(xiàn)狀、各學(xué)科教與學(xué)及應(yīng)用模式等方面的研究。3D打印技術(shù)在教育領(lǐng)域中的實際應(yīng)用仍存在著很大的挑戰(zhàn)。入門級3D打印機的工作效率很低，一個不太復(fù)雜的小物體都要數(shù)個小時才能打印出來，需要同時配備多臺3D打印機才能滿足一個30人小教學(xué)班的一次教學(xué)活動需要[2]。

3D打印課程與一般的學(xué)科課程不同，對教師提出了新的要求。一方面，教師自身是3D打印的使用者，可以通過3D打印制作個性化的教學(xué)模型；另一方面，教師要進行3D打印課程應(yīng)用的教學(xué)設(shè)計，幫助和引導(dǎo)學(xué)生展開學(xué)習活動[11]。本文基于相關(guān)的理論與方法，對中小學(xué)3D打印課程進行了設(shè)計與實踐，希望為廣大教育工作者在課程設(shè)計上提供參考，在教學(xué)實踐中提供借鑒。

二、相關(guān)理論與方法

1.“經(jīng)驗之塔”理論

“經(jīng)驗之塔”理論源于美國教育家戴爾在1946年所著的《教學(xué)中的視聽方法》，它是“具體經(jīng)驗”到“抽象經(jīng)驗”的綜合，一共上下10層，塔的最下層是最具體的經(jīng)驗，越往上經(jīng)驗越抽象，即言語符號是最抽象的經(jīng)驗,而位于塔中層的視聽媒體較語言、視覺符號更能為學(xué)生提供具體和易于理解的經(jīng)驗，并能沖破時空的限制，彌補其他直接經(jīng)驗方式之不足[12]。

“經(jīng)驗之塔”（見圖1）可分為三個層次的經(jīng)驗，分別是“做”的經(jīng)驗、“觀察”的經(jīng)驗、“抽象”的經(jīng)驗。所謂“做”的經(jīng)驗，就是實踐的經(jīng)驗，即學(xué)習者通過自己動手操作、直接參與，從實踐活動中獲取到的學(xué)習經(jīng)驗，比如說動手用橡皮泥捏一個東西、參與項目活動等。

圖1 “經(jīng)驗之塔”理論[12]

3D打印技術(shù)不僅可以與學(xué)科進行結(jié)合，快速生成教具，彌補上層“抽象”經(jīng)驗的不足，還可以讓學(xué)習者自己動手設(shè)計并制作模型，促進學(xué)生的創(chuàng)新思維和視覺素養(yǎng)的發(fā)展，也充分發(fā)揮了“做”的經(jīng)驗的優(yōu)勢。

2.做中學(xué)和DIY

“做中學(xué)”既是一種教學(xué)方法也是一種教學(xué)理念。美國著名教育家杜威認為，“做中學(xué)”即從生活經(jīng)驗中積累知識、從實際活動中進行學(xué)習，在情景化的教學(xué)場所中，讓學(xué)生通過親身體驗，在不斷地觀察、實驗、探究、創(chuàng)作中解決真實問題[13]。杜威的“教育即經(jīng)驗”“教育生活”“教育即生長”三個核心命題[13]也體現(xiàn)在3D打印課程中。

學(xué)生可以通過三維建模軟件將自己的設(shè)計進行建造，然后通過3D打印機快速成型，學(xué)生的想法真正變成了實物，而不只是腦海中的構(gòu)想或草紙上的構(gòu)圖。這是一件很美妙也很有意義的事情，學(xué)生從教育的消費者轉(zhuǎn)變成教育的創(chuàng)造者。同時，這也是一種DIY（Do It Yourself）思想，自己設(shè)計、自己動手制作，全程都是自己操作，注重過程與實踐、知識與能力，在做的過程中，真正做到“做中學(xué)”。

3.項目式學(xué)習

項目式學(xué)習（Project-Based Learning，簡稱 PBL）是一套系統(tǒng)的教學(xué)方法，它是以解決真實、負責的問題為目的，對項目任務(wù)進行精心設(shè)計、探究、實施的過程。在這個過程中，學(xué)生能夠進行設(shè)想、驗證、完善、創(chuàng)造出某種東西，從而培養(yǎng)創(chuàng)新能力和動手操作能力[14]?；陧椖康膶W(xué)習強調(diào)對學(xué)生動手能力的培養(yǎng),強調(diào)“經(jīng)驗”“學(xué)生”和“活動”這三個中心[15]。

在3D打印課程中，這里的項目并非完全意義上的項目，它可以是一個生活中的實際問題，可以是學(xué)生感興趣的點，也可以理解成一項有意義的實踐活動。在基于項目的學(xué)習中，學(xué)生通過各種探究活動及與小組交流交互，制作作品來完成知識的學(xué)習及解決實際問題，促進學(xué)生從消費者向創(chuàng)造者轉(zhuǎn)變。圖2是一個基于項目式學(xué)習的模式圖，全程都是以項目驅(qū)動的，這個模式也可以應(yīng)用在3D打印課程的學(xué)習中。

圖2 創(chuàng)客教育中基于項目式學(xué)習的模型[16]

三、研究方法

本文采用的研究方法主要是實證研究法與問卷調(diào)查研究方法。本次實證研究的場所是在北京一所中小學(xué)的計算機室，參與者是4名大學(xué)教師、3名研究生、1名中學(xué)教師以及23名學(xué)生（其中包括21名七年級學(xué)生，2名八年級學(xué)生）。

本次3D打印課程的設(shè)計是由北京郵電大學(xué)教育技術(shù)研究所的4名教師和3名研究生組成的課程設(shè)計研究團隊完成的，其中一名教師和3名研究生具體負責課程的設(shè)計和課程的實踐，另外3名教師是課程設(shè)計的指導(dǎo)專家和3D打印專業(yè)技術(shù)的專家。

3D打印創(chuàng)客教育的形式通常包括興趣班、校本課程以及教科研項目[17]。本次課程學(xué)習，是以興趣班的形式進行，也就是說這23名學(xué)生是對3D打印有一定的興趣且自愿參加的。該課程時間安排是每周一小時，長達4個學(xué)期。

首先，由1名教師和3名研究生負責3D打印課程的具體設(shè)計；其次，相關(guān)專家進行審核和指導(dǎo)，再對開發(fā)的課程進行設(shè)計優(yōu)化；然后，對修改后的課程進行實踐；最后，進行實踐之后，收集學(xué)生和教師的反饋，促進下一步課程的設(shè)計與安排。本文對3D打印課程的實踐進行研究，設(shè)計出3D打印課程的具體模塊及教學(xué)模式。

四、3D打印課程的設(shè)計與實踐

1.3D打印課程教學(xué)模式設(shè)計

根據(jù)上述理論與方法并結(jié)合具體的課程實踐，提出了一個3D打印課程教學(xué)模式圖（見圖3）。該課程模式主要分為兩個部分：課內(nèi)和課外。課內(nèi)主要是進行教學(xué)活動，課外主要是在網(wǎng)上進行的一些互動，以彌補課內(nèi)學(xué)習時間不足的問題。

圖3 3D打印課程教學(xué)模式圖

在課堂教學(xué)中，先由教師創(chuàng)設(shè)一定的生活情景進行情景點撥，在引入模型的同時激發(fā)學(xué)生的興趣，學(xué)生對學(xué)習內(nèi)容有興趣，才會產(chǎn)生更強的學(xué)習動機達到更好的學(xué)習效果；接著，在興趣的引導(dǎo)下，教師帶領(lǐng)學(xué)生討論和分析需要設(shè)計的模型，并將整個模型分解成一個個小模型；然后，把學(xué)生分成5個小組，并選出善于交流具有領(lǐng)導(dǎo)能力的學(xué)生作為小組長，讓他們在小組內(nèi)進行合作，構(gòu)建課程內(nèi)容模型；學(xué)生完成教師設(shè)定好的模型后，教師應(yīng)注重拓展學(xué)生的思路、發(fā)揮學(xué)生的想象力和創(chuàng)造力，在原模型的基礎(chǔ)上進行重新設(shè)計；初步設(shè)計好模型之后，學(xué)生獨立自主地進行分析建模，然后再設(shè)計、再建模，以此類推直到完成滿意的作品。

課內(nèi)的全過程都會有教師指導(dǎo)和學(xué)生反饋（主要采用問卷法和訪談法），教師根據(jù)學(xué)生每一階段的反饋不斷完善課程。例如，在制作杯子模型時，我們創(chuàng)設(shè)生活中的場景，將普通馬克杯這一設(shè)定好的模型引入，然后分析模型并建模。

一個普通杯子的模型建好之后，為拓展學(xué)生的思路，讓學(xué)生思考使用者在使用杯子時都有哪些需求，如何盡量滿足這些需求？杯子主要是用來喝水的，水的溫度對使用者的影響較大，那如何才能在沒喝水之前就知道溫度呢？又如何對杯子的外形進行改變使其更有趣呢？

再比如，學(xué)生長期使用筆寫字，導(dǎo)致手指長繭子或手指變形，如何解決這種問題，筆應(yīng)該怎樣設(shè)計才好？一系列生活中的問題拋出去，不僅激發(fā)了學(xué)生的興趣，同時也拓展了學(xué)生的思維。

在課程中，教師應(yīng)更加注重學(xué)科融合，也就是要將語文、數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、美術(shù)等多學(xué)科的知識跟3D打印課程融合。比如，設(shè)計漢諾塔、小算盤或過濾裝置的模型，讓學(xué)生用自制的模型進行操作，在3D打印課程中提高學(xué)生運用多學(xué)科知識的能力。

在課外，為了鼓勵學(xué)生發(fā)揮想象進行創(chuàng)意設(shè)計，在他們基本掌握建模軟件功能后，我們建立了一個QQ群和百度網(wǎng)盤，在網(wǎng)盤里學(xué)生可以用已有的知識設(shè)計作品，并把作品分享給其他學(xué)生，同時學(xué)生和教師都可以把網(wǎng)絡(luò)上的一些優(yōu)質(zhì)資源放到網(wǎng)絡(luò)社區(qū)進行分享。在QQ群里，學(xué)生之間可以進行互相提問和解答，必要時可求助教師的指導(dǎo)，也可以對他人的作品作出評價。

本次課程學(xué)習的重點不是把學(xué)生培養(yǎng)成建模高手，而是讓學(xué)生通過接觸3D打印這一新興技術(shù)來培養(yǎng)創(chuàng)新思維、空間思維、設(shè)計思維或者是視覺素養(yǎng)，同時讓學(xué)生體會創(chuàng)新與分享的快樂。

為充分激發(fā)學(xué)生們的創(chuàng)造力和想象力，我們開展了作品創(chuàng)意比賽項目，在小組之間及組與組之間進行創(chuàng)意比拼，使用一定的獎勵機制，讓學(xué)生對不同作品點評投票，發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)社區(qū)的更多優(yōu)勢，充分調(diào)動學(xué)生的積極性和參與性，真正讓學(xué)生成為創(chuàng)造者、發(fā)明者。網(wǎng)絡(luò)社區(qū)是學(xué)生交流互動的空間，當然也離不開教師對學(xué)生的指導(dǎo)和對空間的維護。

該教學(xué)模式不僅關(guān)注到課內(nèi)的教學(xué)活動，更考慮到課外網(wǎng)絡(luò)上的活動。課內(nèi)主要是“教師教授-學(xué)生學(xué)習”“教師指導(dǎo)-學(xué)生發(fā)散思維”的過程；而課外則是學(xué)生在生活中“發(fā)現(xiàn)創(chuàng)意-創(chuàng)意變?yōu)楝F(xiàn)實”以及學(xué)生交流互動的過程。生活中處處有創(chuàng)意，創(chuàng)意不應(yīng)該只局限于課堂上。課外時間，學(xué)生有了靈感或創(chuàng)意也可以通過網(wǎng)絡(luò)與教師或同學(xué)進行交流，更容易捕獲創(chuàng)意、激發(fā)學(xué)生的積極性。

2.3D打印課程模塊設(shè)計

一般來說，通過3D打印機獲得一件物品需要經(jīng)歷建模、分割、打印和后期處理四個主要階段[18]。根據(jù)這四個階段，我們進行了課程體系設(shè)計。關(guān)于建模軟件，我們選擇的是免費的123D Design軟件，并且課程的重點和難點也在建模這一部分。

關(guān)于分層部分，我們根據(jù)不同的打印機選擇不同的切片軟件，在建模課程學(xué)習的部分會把切片的知識穿插進去；關(guān)于打印和后期處理部分，主要是將構(gòu)建并分層好的模型進行打印并美化的過程，這一過程也會體現(xiàn)在課時中。

根據(jù)3D打印的四個階段，設(shè)計了課程模塊。從表1課程模塊的教學(xué)課時中可以看出，其主要集中在3D建模軟件的學(xué)習與應(yīng)用及動手打印兩個部分。雖然課程重點不是將學(xué)生培養(yǎng)成建模高手，但3D建模軟件是學(xué)生把創(chuàng)意可視化的一個重要工具，且對于中小學(xué)生來講，這類軟件的學(xué)習有一定難度，因此我們會用較多時間進行軟件的學(xué)習。

表1 3D打印課程模塊設(shè)計

掌握基本的建模軟件知識之后，學(xué)生可以將一些簡單想法或新奇的創(chuàng)意展現(xiàn)出來，還可以利用現(xiàn)有的3D打印機打印出來。當看著一個個創(chuàng)意一層一層地打印出來，學(xué)生一定會對3D打印技術(shù)有更深刻的理解。

五、討論與結(jié)語

本文提出了一種基于3D打印理論與方法并結(jié)合教學(xué)實踐的全新教學(xué)模式，設(shè)計實踐了以教師引導(dǎo)為基礎(chǔ)，以興趣培養(yǎng)為導(dǎo)向，以提高學(xué)生創(chuàng)造能力和空間想象能力為目標的課內(nèi)教學(xué)活動與課下互動探討緊密結(jié)合的課程教學(xué)模式。

我們將這一模式應(yīng)用在教學(xué)實踐中，發(fā)現(xiàn)其中82.6%的學(xué)生認為該課程能夠啟發(fā)他們的思維，培養(yǎng)他們的動手能力，并且80%以上的學(xué)生表示他們通過該課程的學(xué)習有不同程度的收獲。在問卷調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，約70%的學(xué)生會在課堂上給其他學(xué)生幫助以及65%的學(xué)生需要其他學(xué)生的幫助，78%的學(xué)生認為網(wǎng)絡(luò)上的資源對他們的學(xué)習是有幫助的。

雖然本次3D打印課程取得了一定的成效，基本達到了預(yù)設(shè)的目標，但本文中所構(gòu)建的課程體系及教學(xué)模式設(shè)計也有一些不成熟的地方。如何更好地與其他學(xué)科融合以及激發(fā)學(xué)生自行想象、創(chuàng)造能力，在接下來的教學(xué)實踐中還需要進行不斷完善。我們會進一步結(jié)合3D打印課程教學(xué)，探索更加行之有效的課程體系與教學(xué)模式，并將3D打印技術(shù)與其他課程有機結(jié)合，推進教育教學(xué)效果，以期為我國初高等教育的課程建設(shè)與研究以及教育理論革新提供參考。