三維打印教育的分級

朱瀛

近年來，隨著技術(shù)的進步與對工科實踐教育內(nèi)容的需求，三維打印技術(shù)正在越來越多地走進教學(xué)領(lǐng)域，在小學(xué)、中學(xué)、職業(yè)教育、高等教育與成人教育的廣度上被教師與學(xué)生們廣泛地接受。就像傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)、英語等課程一樣，三維打印教育作為一種新興的教學(xué)內(nèi)容具有相當(dāng)?shù)纳疃群蛷V度，對于不同階段的學(xué)生存在分級教學(xué)的必然需求，本文將通過對以熔融沉積式（FDM）三維打印技術(shù)為例的三維打印技術(shù)的系統(tǒng)內(nèi)容與知識點的分析及其與各教育階段的教學(xué)目的與學(xué)生學(xué)習(xí)特點的結(jié)合進行討論提供一種明確的教學(xué)分級思路，并以具體的 校本課程案例說明其應(yīng)用于課程設(shè)計的方法。

一、三維打印技術(shù)簡介

三維打印技術(shù)是一種通過對加工材料（即耗材）進行控制性相變和可控動態(tài)積累以得到接近目標(biāo)形體的實體模型的加工方式，是直接從數(shù)字三維模型通過分層堆積和增材制造來制造任意復(fù)雜內(nèi)外表面形狀的工件的技術(shù)。區(qū)別于傳統(tǒng)機加工所需要的基礎(chǔ)建設(shè)、設(shè)備支持、材料儲備等，三維打印是一種對基建無要求，無噪音、廢液、異味污染，可良好支持異形件制造的加工手段。使用FDM、SLA、DLP等技術(shù)的三維打印機，相對于切削機床而言，其設(shè)計更接近于一件中小型電器，可被放置于辦公室或教室中，是一種很適宜推廣于學(xué)校的設(shè)計與加工手段。

二、三維打印技術(shù)知識樹拆解與分級

三維打印技術(shù)是一門機-電一體化的系統(tǒng)科學(xué)，也是一種應(yīng)用加工技術(shù)，這使得針對三維打印技術(shù)的教育自然地存在原理與應(yīng)用的兩條教學(xué)線條。從原理的角度出發(fā)，三維打印技術(shù)所涉及到的知識點包括三維打印與層基制造技術(shù)、機械設(shè)計原理、創(chuàng)意造型與藝術(shù)設(shè)計、單片機與電子設(shè)計等；而從應(yīng)用的角度出發(fā)，則牽扯到三維打印機的操作、三維設(shè)計軟件的使用、模型的前處理與后處理等。對于總體的教學(xué)而言，這兩條線條應(yīng)被設(shè)計為互相交織并相輔相成的，對于一個層級的教學(xué)，應(yīng)該配置近似深度的原理課程與應(yīng)用課程。

每一個具體的教學(xué)點也有不同的深度分級，例如對于“三維打印與層基制造技術(shù)”這個教學(xué)點為例，即可拆分成如下的教學(xué)目標(biāo)：

（1）對增材制造技術(shù)有基本的了解，知道一些典型應(yīng)用。

（2）知道增材制造技術(shù)下屬的不同制造技術(shù)的原理，對其分類、區(qū)別和具體技術(shù)的特定應(yīng)用場景有明確的了解，能夠在設(shè)計時主動引用其中的加工方法。

（3）對全部或部分的具體成型技術(shù)有更深刻的了解，了解其現(xiàn)狀、技術(shù)沿革與具體工程設(shè)計的細分與取舍，能夠主動利用三維打印技術(shù)的優(yōu)缺點并將其體現(xiàn)在加工模型的設(shè)計和設(shè)備的改良中。

根據(jù)建構(gòu)主義的理論，學(xué)生學(xué)習(xí)的過程是學(xué)生在原有知識和經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，對新的知識進行理解和編碼，重新構(gòu)建自己的知識體系的過程。在工程教育中，學(xué)生對老師教授的知識進行吸收理解，將新的知識合并到大腦中的圖式之中，新知識過難或過易都會對學(xué)生的構(gòu)建不利。因此，三維打印教育的課程設(shè)計需要根據(jù)學(xué)生的實際水平，考慮不同等級學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、大腦發(fā)育情況和起點、需求，針對學(xué)生的年齡與教育水平不同帶來的認知能力特性與基礎(chǔ)課程區(qū)別進行特異性的設(shè)計，將教學(xué)點進行取舍、分層與打包，得到一個更有針對性的以三維打印為核心的課程包。

三、三維打印技術(shù)課程與學(xué)生學(xué)習(xí)特性的雙向結(jié)合

不同年齡層次和學(xué)習(xí)目標(biāo)的學(xué)生根據(jù)其具體情況有著不同的學(xué)習(xí)需求和特性。在開展三維打印教育時，需注意其課程設(shè)計從正向影響因素和反饋影響因素的兩個角度與學(xué)生特性的結(jié)合。其中，正向影響因素指學(xué)生的學(xué)習(xí)階段所決定的、其所已有知識的深度限定的課程深度與難度；而反饋影響因素指在三維打印教育開展期間，在此課程中學(xué)到的知識與思維工具對學(xué)生所處教育階段的其他課程的影響與幫助。在針對具體教學(xué)需求進行課程設(shè)計時，需要將兩個方面的因素都考慮在內(nèi)，以使三維打印課程能夠提供足夠的知識點而不至于由于架構(gòu)外知識點過多而打擊學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，并能夠?qū)W(xué)生的其他課程和思維模式進行反饋。以上海市普陀區(qū)同濟二附中（高中）的三維打印

同濟二附中采取這樣的課程設(shè)計是基于其教學(xué)目標(biāo)和學(xué)生學(xué)習(xí)特性的綜合考量。對于高中學(xué)生而言，其擁有一定的認知和自我學(xué)習(xí)能力和基礎(chǔ)的空間幾何與電子學(xué)常識，但是缺少正規(guī)的工具使用訓(xùn)練和綜合性機電知識入門，故而在課程設(shè)計時對深度要求低、對廣度要求高，并且在三維打印和三維建模的課程中額外增加了與高中立體幾何知識相結(jié)合的部分，便于學(xué)生理解的同時培養(yǎng)了學(xué)生的空間想象能力，在提升學(xué)生動手能力、創(chuàng)造能力之外，對其他課程的學(xué)習(xí)起到了反饋的作用。

四、總結(jié)

隨著社會和科技的不斷進步，傳統(tǒng)的教學(xué)模式難以滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。將三維打印技術(shù)這種新興的加工技術(shù)引入不同教學(xué)層次的學(xué)校，是響應(yīng)國家政策的一項舉措，也是是順應(yīng)信息時代發(fā)展需求的一項教學(xué)革新。在三維打印課程體系設(shè)計與校本課程設(shè)計中，需要以學(xué)生特性為本進行教學(xué)目標(biāo)的訂立，并由教學(xué)目標(biāo)為綱，靈活地根據(jù)雙向結(jié)合的思路從三維打印技術(shù)的知識樹與知識點中選擇合適的課程內(nèi)容與分級，是降低課程設(shè)計難度、增加課程目的性、提升課程教學(xué)效果的理想方法。

參考文獻

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