3D打印技術(shù)在基礎(chǔ)教育領(lǐng)域的應(yīng)用

【摘 要】隨著3D技術(shù)的不斷發(fā)展，3D打印技術(shù)在中小學(xué)教育領(lǐng)域中的應(yīng)用也受到越來越多研究者的關(guān)注，“只有想不到，沒有做不到”將不再是一句空話，在實(shí)際的教學(xué)中鍛煉、提高學(xué)習(xí)者的創(chuàng)新創(chuàng)造能力及多學(xué)科間的相互融合顯得愈加重要。當(dāng)前具有代表性的3D打印技術(shù)鼓勵學(xué)習(xí)者將多學(xué)科融合，這樣可以鍛煉學(xué)習(xí)者的動手實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，從而推動STEAM教育和創(chuàng)客教育的深入發(fā)展。本文闡述了STEAM教育及3D技術(shù)的概念，分析了兩者的理論基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上，探討了3D打印技術(shù)在基礎(chǔ)教育領(lǐng)域中的價值體現(xiàn)。

【關(guān)鍵詞】3D打印;STEAM教育;創(chuàng)客教育

【中圖分類號】G642? 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A? 【文章編號】1671-8437（2019）28-0015-02

2017年9月25日，教育部印發(fā)了《中小學(xué)綜合實(shí)踐活動課程指導(dǎo)綱要》的通知，其附則中的《設(shè)計制作活動（勞動技術(shù)）推薦主題及其說明》向全國7～9年級的學(xué)習(xí)者做了一個有關(guān)于“3D設(shè)計與打印技術(shù)的初步應(yīng)用”主題推薦，鼓勵有條件的學(xué)校配備3D打印機(jī)設(shè)備與打印材料，并增設(shè)3D打印基礎(chǔ)課程[1]。教育部在其發(fā)布的《關(guān)于“十三五”期間全面深入推進(jìn)教育信息化工作的指導(dǎo)意見（征求意見稿）》中明確提到“有效利用信息技術(shù)推進(jìn)‘眾創(chuàng)空間’建設(shè)，探索STEAM教育、創(chuàng)客教育等新教育模式，使學(xué)習(xí)者具有較強(qiáng)的信息意識與創(chuàng)新意識”，而3D打印可以將學(xué)習(xí)者的STEAM創(chuàng)意想法轉(zhuǎn)化為實(shí)物[2]。在創(chuàng)新教育的大背景下，顯然STEAM教育是未來教育的重要發(fā)展方向，對中國的傳統(tǒng)教育模式更有著革命性的意義。

1? ?3D打印技術(shù)與未來教育

1.1? 核心概念的闡述

3D打印即快速成型，原理類似噴墨打印，所用耗材不是墨水，而是液體或粉末的金屬、塑料、陶瓷等原材料。首先要以數(shù)字化的三維建模為依據(jù)，利用相關(guān)設(shè)計軟件，將金屬、塑料、陶瓷燈材料作為可塑材料，通過輸出裝置來“打造”立體化模型的技術(shù)[3]。3D打印教育是在三維教學(xué)環(huán)境下，通過教育模式的變革和空間、課程與技術(shù)的融合，形成集‘理論+實(shí)踐+學(xué)習(xí)+娛樂’于一體的創(chuàng)新型學(xué)習(xí)知識體系，目的是幫助學(xué)習(xí)者完成對抽象理論知識的理解與吸收。

3D打印，這一概念實(shí)際上就是將一個物理的東西從無到有，通過這一技術(shù)可以拓寬學(xué)生的想象力、邏輯思維能力、動手實(shí)踐力等綜合素質(zhì)能力。

1.2? STEAM教育

STEAM教育理念最早是美國政府提出的教育倡議，為加強(qiáng)美國K12關(guān)于科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)以及數(shù)學(xué)的教育。其原身是STEM理念，即科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、數(shù)學(xué)（Mathematics）和藝術(shù)（Arts）五門學(xué)科的簡稱，如圖1所示。它強(qiáng)調(diào)多學(xué)科的交叉融合。鼓勵學(xué)習(xí)者在這五個領(lǐng)域的發(fā)展和提高，培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)，從而提升其全球競爭力，在STEAM教育的號召下，3D打印技術(shù)、機(jī)器人教育逐步進(jìn)入校園[4]。

1.3? 理論基礎(chǔ)

1.3.1  做中學(xué)

美國著名教育家杜威的“做中學(xué)”的基本教育原則是：“以學(xué)習(xí)者活動來架構(gòu)課程，以直接經(jīng)驗(yàn)的獲得為核心旨趣，在情境化的教學(xué)場域中，通過學(xué)習(xí)者的各種‘做’——觀察、實(shí)驗(yàn)、探究、動手、游戲等形式來完成知識的傳授”。而3D打印技術(shù)，可以讓學(xué)習(xí)者在3D打印這個“做”中完成知識、技能的“學(xué)”，并且在完成作品打印的過程中，還會整合多門學(xué)科知識，在相關(guān)的學(xué)習(xí)情境中培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的問題解決、協(xié)作、溝通及創(chuàng)新能力。

1.3.2? 基于項目的學(xué)習(xí)

項目學(xué)習(xí)（Project-based Learning，簡稱PBL）指的是一套能使教師指導(dǎo)兒童對真實(shí)世界主題進(jìn)行深入研究的課程活動，具體表現(xiàn)為構(gòu)想、驗(yàn)證、完善、制造出某種東西。在3D打印教育中，運(yùn)用項目學(xué)習(xí)就是指以運(yùn)用3D打印技術(shù)制作作品并將作品展示給他人為目的，在真實(shí)世界中借助多種資源開展探究活動，主動學(xué)習(xí)研究完成項目所需的多個學(xué)科領(lǐng)域的概念和原理，并在一定時間內(nèi)解決一系列相互關(guān)聯(lián)著的問題的一種新型的探究性學(xué)習(xí)模式。而STEAM課程模式也是基于問題探究的教學(xué)模式，提倡通過主題式或任務(wù)驅(qū)動式的故事情境設(shè)計，3D打印技術(shù)恰好可以為這種自主探究活動提供學(xué)習(xí)的機(jī)會，通過完成一項任務(wù)或項目來構(gòu)建核心科學(xué)理論。

2? ?3D打印技術(shù)在教育領(lǐng)域的價值體現(xiàn)

2.1? 變革傳統(tǒng)教育方式，培養(yǎng)學(xué)習(xí)者創(chuàng)新思維能力

目前的傳統(tǒng)教育課程理論性太強(qiáng)，內(nèi)容和方式枯燥乏味，這也導(dǎo)致了部分學(xué)習(xí)者失去了學(xué)習(xí)興趣，對一些知識點(diǎn)也是死記硬背，即便通過考試，但很快就會被遺忘，并且傳統(tǒng)教育課程很難發(fā)生學(xué)習(xí)遷移，從而出現(xiàn)“學(xué)了不知用”的局面[5]。而3D打印技術(shù)改變了傳統(tǒng)學(xué)校的課程體系，它可以把學(xué)習(xí)者書本上一些比較抽象的知識轉(zhuǎn)化成立體可見的實(shí)際物體，使學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)的過程中，通過對立體空間的認(rèn)識來達(dá)到提高學(xué)習(xí)興趣的目的，教師用3D打印課程教會學(xué)習(xí)者基本的設(shè)計與創(chuàng)新能力，教師在教的過程中也會更加生動形象。此時，教師傳授的不僅是單一的學(xué)科知識，而是更加重視多學(xué)科的融合，這也充分體現(xiàn)了STEAM教育理念。即讓學(xué)習(xí)者親自動手完成他們感興趣的、和他們生活相關(guān)的項目，從過程中學(xué)習(xí)各種學(xué)科及跨學(xué)科的知識，促進(jìn)學(xué)習(xí)者不斷地思索和創(chuàng)新。

2.2? 變革傳統(tǒng)的教育理念，促進(jìn)多學(xué)科融合

在傳統(tǒng)的應(yīng)試教育中，各個學(xué)科之間的聯(lián)系較少，較難培養(yǎng)學(xué)生的綜合思維，也不能很好地培養(yǎng)學(xué)生的問題解決能力、創(chuàng)新精神及批判性思維[6]。而3D打印課程可以將多學(xué)科有效融合，學(xué)習(xí)者可以邊學(xué)邊做，學(xué)習(xí)者通過3D打印可將抽象虛擬的想法轉(zhuǎn)變成可以看得見摸得著的實(shí)物，這樣有助于他們更好的理解概念，加強(qiáng)各個學(xué)科的聯(lián)系，使各學(xué)科的知識得到合理銜接，提高知識遷移能力，提高學(xué)生的認(rèn)知水平。

2.3? 變革傳統(tǒng)學(xué)習(xí)方式，鍛煉學(xué)習(xí)者的協(xié)作探究能力

3D打印教育，這種方式強(qiáng)調(diào)的是以學(xué)習(xí)者為中心以及小組合作學(xué)習(xí)，要求學(xué)習(xí)者對現(xiàn)實(shí)生活中的真實(shí)性問題進(jìn)行探究，通過3D打印作品來回答對問題的探究結(jié)果，真正體現(xiàn)了“做中學(xué)”的理念及“教”“學(xué)”“做”三者的統(tǒng)一[7]。

3? ?3D打印技術(shù)在未來教育中的發(fā)展趨勢及遇到的問題

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前3D打印技術(shù)在教育中的應(yīng)用主要有以下四類：校內(nèi)開設(shè)選修課程;3D打印在創(chuàng)客空間的應(yīng)用;圖書館、科技館開設(shè)3D打印體驗(yàn)室;社會培訓(xùn)機(jī)構(gòu)開展體驗(yàn)課程。大部分3D打印項目是結(jié)合現(xiàn)有學(xué)科教學(xué)，把3D打印作品作為教具提高教學(xué)效果，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

目前3D打印在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用還存在一些問題：①3D打印技術(shù)目前處于發(fā)展階段，雖然有些學(xué)校配備了3D打印設(shè)備，但缺乏相應(yīng)的技術(shù)支持，教育領(lǐng)域相關(guān)人才較少，因此造成該課程的師資力量緊張;②目前國內(nèi)針對中小學(xué)的教材不夠完善，而且教育方案不夠系統(tǒng)化，配套設(shè)備及耗材比較昂貴，導(dǎo)致不能被廣泛使用;③3D打印技術(shù)在建模等軟件操作方面有一定的技術(shù)壁壘，對任教老師的技術(shù)要求比較高，并且對中小學(xué)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)有一定的難度。

4? ?結(jié)語

綜上所述，將3D打印技術(shù)引入教育領(lǐng)域的核心工作還是培養(yǎng)人才，可以說3D打印對學(xué)習(xí)者來說是一座連接虛擬與現(xiàn)實(shí)的橋梁。尋找3D打印技術(shù)和基礎(chǔ)教育的契合點(diǎn)，首先應(yīng)找到3D打印技術(shù)在學(xué)校教育過程中的定位，進(jìn)而利用智慧教育技術(shù)促進(jìn)教育變革和創(chuàng)新，最終實(shí)現(xiàn)學(xué)生的全面發(fā)展。

【參考文獻(xiàn)】

[1]胡迪·利普森，梅爾芭·庫曼，HodLipson，等.3D打?。簭南胂蟮浆F(xiàn)實(shí)[J].中國對外貿(mào)易，2013（10）.

[2]王夢潔.英國小學(xué)課堂引進(jìn)3D打印技術(shù)項目[J].世界教育信息，2013（22）.

[3]蘭兵德.淺析3D打印技術(shù)在汽車制造業(yè)中的應(yīng)用前景[J].

2017（8）.

[4]楊高云.小學(xué)“3D打印”教育課堂教學(xué)設(shè)計應(yīng)用研究[D].上海師范大學(xué)，2014.

[5]王萍.3D打印及其教育應(yīng)用初探[J].中國遠(yuǎn)程教育，2013（8）.

[6]邱望潔，李昊陽.3D打印技術(shù)在教育行業(yè)的應(yīng)用發(fā)展前景研究[J].中國教育信息化，2017（5）.

[7]張晶.用3D打印手段培養(yǎng)創(chuàng)造性思維的教學(xué)設(shè)計研究[D].沈陽師范大學(xué)，2016.

【作者簡介】

王芮，女，漢族，山東省棗莊人，學(xué)歷：碩士研究生，研究方向：教育信息化、信息技術(shù)與課程整合、教學(xué)設(shè)計。