基于國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀分析的小學(xué)3D打印課程研究

（上海市徐匯區(qū)康健外國(guó)語實(shí)驗(yàn)小學(xué) 上海 200030）

1 研究的背景和意義

1.1 研究的背景

3D打印技術(shù)發(fā)展的源頭可以追溯到30年前，但之前的很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，我國(guó)對(duì)這項(xiàng)技術(shù)似乎都無人問津，這幾年隨著3D打印技術(shù)在我國(guó)的推廣，越來越多的人了解到了這項(xiàng)技術(shù)，并在各個(gè)領(lǐng)域中都嘗試運(yùn)用這項(xiàng)新興技術(shù)。3D打印目前廣泛運(yùn)用的領(lǐng)域包括：工業(yè)制造、航空航天、生物醫(yī)療、建筑工程、個(gè)人定制、教育等方面。

3D打印，又稱三維打印，是一種快速成型技術(shù)，為用戶提供了新的設(shè)計(jì)、創(chuàng)作和制作方法。由于物體通過材料一層層地累積打印出來，3D打印技術(shù)也被稱為增材制造或加式制造。3D打印支持高性能復(fù)合材料、光敏樹脂材料、ABS樹脂、尼龍等多種材料。正是3D打印這種快速成型的特點(diǎn)，3D打印技術(shù)的應(yīng)用延伸到了教育方面。學(xué)生可以通過建模，自己動(dòng)手打印，快速的把自己的想象轉(zhuǎn)化為實(shí)體，讓學(xué)生在教學(xué)中感到樂趣，使得學(xué)生對(duì)3D打印充滿了濃厚的興趣。在整個(gè)過程中，學(xué)生的創(chuàng)造力得到了充分的發(fā)揮，3D空間的思維能力也得到了鍛煉，同時(shí)更激發(fā)了他們對(duì)于未來技術(shù)的濃厚興趣。

美國(guó)幾乎所有的大中小學(xué)都開設(shè)了3D打印課程，培養(yǎng)青少年的創(chuàng)新意識(shí)和應(yīng)用技能。在香港，因?yàn)楸粚W(xué)校的“迷你版”3D打印機(jī)所吸引，陳南昌紀(jì)念中學(xué)師生利用網(wǎng)上軟件繪圖、構(gòu)思及設(shè)計(jì)各種“得意”立體圖形，整個(gè)制作過程為他們帶來無窮樂趣。學(xué)生季銘謙直言：“如果無3D打印機(jī)(制作產(chǎn)品)，我們不會(huì)開軟件繪圖?！?/p>

國(guó)內(nèi)很多中小學(xué)都認(rèn)識(shí)到這是一門培養(yǎng)學(xué)生綜合能力的課程，紛紛開設(shè)了3D打印課程。圍繞如何更好的激發(fā)3D打印技術(shù)在教學(xué)方面的潛能，對(duì)于3D打印技術(shù)的研究也在國(guó)內(nèi)進(jìn)行了開展。

1.2 研究意義

中國(guó)的傳統(tǒng)應(yīng)試教育中，并沒有過類似3D打印這種能夠讓學(xué)生的想象力和創(chuàng)造力得到充分鍛煉的課程。隨著現(xiàn)在教育的改革，越來越多的學(xué)校和教育專家意識(shí)到傳統(tǒng)應(yīng)試教育只會(huì)將學(xué)生思維禁錮，這也是為什么越是高年級(jí)的學(xué)生想象力越不如低年級(jí)學(xué)生的原因。3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，讓很多教育專家和學(xué)校看到了曙光。3D打印機(jī)可以讓枯燥的課程變得生動(dòng)起來，它是一種同時(shí)擁有視覺和觸覺的學(xué)習(xí)方式，具有很強(qiáng)的誘惑力，在觸覺學(xué)習(xí)中，學(xué)生不是在黑板或顯示器上簡(jiǎn)單地看文字或圖形，而是通過他們的觸覺抓住核心概念的三維模型，這樣能夠吸收和消化知識(shí)，使學(xué)生不再遺忘所學(xué)的課程。開發(fā)3D打印課程對(duì)我國(guó)的教育改革大有益處。

在美國(guó)，幾乎所有的大中小學(xué)已經(jīng)開設(shè)了3D打印的課程，因此本文主要研究目的是基于對(duì)國(guó)外優(yōu)秀3D打印課程的分析，探索適合我國(guó)小學(xué)生學(xué)習(xí)3D打印課程的教學(xué)設(shè)計(jì)和課程開發(fā)方式。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

隨著3D打印技術(shù)在國(guó)內(nèi)的發(fā)展，關(guān)于這項(xiàng)新興技術(shù)在不同領(lǐng)域的發(fā)展前景也得到了越來越多的關(guān)注。付昱等針對(duì)3D打印技術(shù)，在分析3D打印技術(shù)原理與特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合機(jī)械教學(xué)及生活中的實(shí)際，探討了3D打印在機(jī)械教學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用。3D打印技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械教學(xué)中對(duì)機(jī)械基礎(chǔ)課程和專業(yè)課程的學(xué)習(xí)有著巨大幫助，有助于提高學(xué)生的空間想象能力、學(xué)習(xí)積極性、創(chuàng)新性。當(dāng)前計(jì)算機(jī)3D打印教學(xué)應(yīng)用還屬于探討、研究階段，廣大開放大學(xué)教師應(yīng)發(fā)揮探路者的角色，推動(dòng)在創(chuàng)新技術(shù)支持下的開放大學(xué)教育教學(xué)發(fā)展。3D打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展自然也離不開政府的大力支持。國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)人對(duì)于將3D打印設(shè)為國(guó)家重大科技項(xiàng)目建議作出重要批示?？萍疾恳矊?D打印編入《國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）》、《國(guó)家科技支撐計(jì)劃制造領(lǐng)域2014年度備選項(xiàng)目征集指南》。

王萍在分析3D打印技術(shù)原理與特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，探討3D打印在教育領(lǐng)域的應(yīng)用?；?D打印的教與學(xué)將建構(gòu)Solid learning教學(xué)模式，幫助教師進(jìn)行個(gè)性化教學(xué)模型制作，創(chuàng)新學(xué)生課程學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)，推動(dòng)STEM教育發(fā)展。3D打印基于學(xué)習(xí)將有助于提高學(xué)習(xí)者的動(dòng)手能力、學(xué)習(xí)積極性和創(chuàng)新性。當(dāng)前，3D打印教育應(yīng)用的普及和推廣還有待深入開展，教師應(yīng)發(fā)揮領(lǐng)路人的角色，推動(dòng)教育教學(xué)改革。

在3D打印課程的教育實(shí)踐方面，上海市閘北區(qū)和田路小學(xué)的《虛擬創(chuàng)造》3D打印課程，作為學(xué)校的特色校本課程，由教師自主開發(fā)，上海師范大學(xué)黎加厚團(tuán)隊(duì)指導(dǎo)，已經(jīng)形成了比較完整的課程體系，包括：數(shù)字化教學(xué)材料、網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺(tái)和TED創(chuàng)意活動(dòng)，主要教學(xué)內(nèi)容包括3D打印技術(shù)知識(shí)與使用操作、設(shè)計(jì)軟件的使用操作、創(chuàng)新設(shè)計(jì)、問題探究、實(shí)物打印、修改和使用。課程受到學(xué)生和家長(zhǎng)的歡迎，并得到來訪教師的充分肯定。

2.2 國(guó)外研究現(xiàn)狀

從設(shè)備數(shù)量上看，美國(guó)目前各種3D打印設(shè)備的數(shù)量占全世界40%，并且隨著美國(guó)“再工業(yè)化、再制造化”的口號(hào)呼喊，3D打印所打造的少勞動(dòng)力制造將給美國(guó)極大的動(dòng)力去發(fā)展。目前，在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家，3D打印技術(shù)的應(yīng)用已較為廣泛，大到飛行器、賽車，小到服裝、手機(jī)外殼、甚至是人體組織器官。尤其在一些交叉學(xué)科領(lǐng)域中，3D打印的應(yīng)用更加明顯。美國(guó)的3D打印課程開發(fā)得較早，弗吉尼亞大學(xué)一直在通過一些項(xiàng)目來推廣3D打印機(jī)產(chǎn)品，該校在夏洛茨維爾市的幼兒園到12年級(jí)的各個(gè)年齡的學(xué)生中推廣該技術(shù)，并希望學(xué)生能夠具備未來制造業(yè)技術(shù)的相關(guān)知識(shí)。弗吉尼亞大學(xué)教授兼科技和教師教育中心主任的格蘭·布爾（GlenL.Bull）表示：“我們將3D打印機(jī)帶入課堂，比如我們教幼兒園的孩子們?nèi)绾卧O(shè)計(jì)和打印彈弓，然后孩子們就會(huì)分析如何把彈弓設(shè)計(jì)得更有效率。我們認(rèn)為，美國(guó)的每個(gè)學(xué)校都將在未來幾年里在課堂上配備3D打印機(jī)?！?/p>

美國(guó)和歐洲在3D打印技術(shù)的研發(fā)及推廣應(yīng)用方面處于領(lǐng)先地位。美國(guó)是全球3D打印技術(shù)和應(yīng)用的領(lǐng)導(dǎo)者，歐洲十分重視對(duì)3D打印技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用。3D打印技術(shù)在教育領(lǐng)域獨(dú)一無二的應(yīng)用也是其他技術(shù)不可替代的。教師可以利用3D打印機(jī)打印出上課所需的模型。許多國(guó)外學(xué)校很好地將3D打印技術(shù)與其他課程做了結(jié)合。國(guó)外的3D打印課程整體理念以及教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式都比較超前，國(guó)內(nèi)的相對(duì)來還有很大的進(jìn)步空間。

3 3D打印課程設(shè)計(jì)研究

3.1 課程安排

本課程在小學(xué)教學(xué)階段屬于拓展性課程，旨在提高學(xué)生的軟件操作能力、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力、開發(fā)學(xué)生的想象力，同時(shí)也能鍛煉學(xué)生的合作溝通能力。建議和中小學(xué)的其他興趣課一樣，每周開展一次。另鑒于軟件操作課程的特殊性，小學(xué)生直接操作3D建模軟件有一定的難度，在教學(xué)過程中的前期，教師需要大量的運(yùn)用演示法讓學(xué)生充分掌握軟件的操作方式，然后學(xué)生再上機(jī)進(jìn)行操作自行發(fā)揮創(chuàng)意建模。因此建議每次課程設(shè)置至少在2個(gè)課時(shí)以上，以保證大部分學(xué)生設(shè)計(jì)出一個(gè)完整的作品。

考慮到上課效率及教師管班的難易程度，建議一個(gè)班由20-30名學(xué)生組成，進(jìn)行小班化教學(xué)。

3.2 教學(xué)方法

由于3D打印課程的綜合性，教師在教學(xué)方法方面也有多種選擇，并且可靈活運(yùn)用多種教學(xué)方法。主要如下：

講授法。講授法是教師通過口頭并借助形體姿態(tài)，向?qū)W生傳遞知識(shí)的一種方式。利用這種方法，教師可以把課程中的一些理論性較強(qiáng)，要求學(xué)生知道、了解或理解的知識(shí)系統(tǒng)地傳授給他們。例如講解3D打印的發(fā)展史、常見的3D打印機(jī)的優(yōu)劣對(duì)比。這一方法能讓學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)獲得3D打印機(jī)的一些背景知識(shí)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

演示法。演示法主要是指教師在上課時(shí)，利用教學(xué)設(shè)備（如幻燈機(jī)、投影儀、電視等）或利用某個(gè)軟件來鏈接教師和學(xué)生的計(jì)算機(jī)，這樣教師可以展示所要傳授的知識(shí)。在前期進(jìn)行軟件教學(xué)時(shí)主要采取這一方式讓學(xué)生盡快熟悉建模軟件的菜單和各項(xiàng)功能操作，教師可展示3D打印機(jī)以及打印成品，讓學(xué)生對(duì)3D打印這項(xiàng)技術(shù)有直觀的認(rèn)識(shí)。演示法即包含教師的演示，也包含學(xué)生的演示。適當(dāng)采取學(xué)生的演示能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。

小組討論法。小組討論法就是在教師的指導(dǎo)下，小組成員圍繞某個(gè)問題發(fā)表自己的看法，通過互相討論、辯論，對(duì)問題獲得新的理解和認(rèn)識(shí)。小組學(xué)習(xí)在項(xiàng)目制作環(huán)節(jié)是一種主要的學(xué)習(xí)形式，教師給定一個(gè)項(xiàng)目，然后由小組討論提出方案，分工實(shí)施。例如在設(shè)計(jì)標(biāo)志這一項(xiàng)目的過程中，學(xué)生們進(jìn)行討論，由一位同學(xué)手繪出草圖，一位同學(xué)負(fù)責(zé)運(yùn)用建模軟件設(shè)計(jì)出模型，一位同學(xué)負(fù)責(zé)3D打印機(jī)的操作，最后由一位同學(xué)負(fù)責(zé)向全班交流闡述設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)過程。小組討論的教學(xué)中，學(xué)生的個(gè)性能夠得到充分的體現(xiàn)，同時(shí)學(xué)生的交流合作能力也得到了鍛煉。

實(shí)驗(yàn)法。實(shí)驗(yàn)法是在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生通過儀器設(shè)備，通過操作、觀察、研究獲得知識(shí)或形成技能的教學(xué)法。3D打印課中的實(shí)驗(yàn)法主要用于設(shè)計(jì)階段。例如在讓學(xué)生設(shè)計(jì)最小風(fēng)阻的汽車模型時(shí)，可通過讓學(xué)生仔細(xì)觀察兩種不同車型的汽車模型在同樣條件下的抗風(fēng)能力，為后面的設(shè)計(jì)找到靈感。在實(shí)驗(yàn)法的過程中，教師的指導(dǎo)作用非常重要，教師要通過不同的教學(xué)話術(shù)技巧循序漸進(jìn)地引導(dǎo)學(xué)生去思考。

3.3 教學(xué)目標(biāo)

通過3D打印技術(shù)的教學(xué)，主要是為了提高學(xué)生在以下方面的能力：

知識(shí)與技能：了解3D打印機(jī)的工作原理，掌握建模軟件的操作方法，掌握3D打印機(jī)的操作方法。

過程與方法：培養(yǎng)學(xué)生的三維空間想象能力，創(chuàng)新能力，動(dòng)手操作能力，交流能力以及團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)。

情感與態(tài)度：激發(fā)學(xué)生對(duì)于新興未來科技的濃厚興趣。

3.4 教學(xué)內(nèi)容

3.4.1 建模軟件操作教學(xué)

通過對(duì)常用幾款3D建模軟件的簡(jiǎn)單研究后，推薦使用Autodesk123DDesign這款軟件。123DDesign設(shè)計(jì)理念簡(jiǎn)單易懂，用最原始的方式將建模和編輯功能合二為一，具備零學(xué)習(xí)成本的優(yōu)勢(shì)，用戶不需要任何時(shí)間就可以把這款應(yīng)用程序玩轉(zhuǎn)。同時(shí)，相對(duì)那些大型的應(yīng)用軟件，123D Design具備的另外一個(gè)優(yōu)勢(shì)即免費(fèi)向用戶提供，并且支持包括iOS、Windows和Mac OS X等多個(gè)操作平臺(tái)。使用平板電腦進(jìn)行教學(xué)的學(xué)校也可以使用這款軟件。

3.4.2 3D打印機(jī)使用教學(xué)

3D打印機(jī)的使用教學(xué)，主要由教師演示和學(xué)生自己操作構(gòu)成。在介紹3D打印知識(shí)時(shí)，教師可演示給學(xué)生如何使用3D打印機(jī)進(jìn)行打印的一個(gè)完整過程：建?！D(zhuǎn)換格式—進(jìn)行打印—后期打磨。在平時(shí)的案例學(xué)習(xí)中，教師則可選取幾組設(shè)計(jì)較好的同學(xué)，進(jìn)行3D打印機(jī)的使用。3D打印機(jī)的噴頭在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生高溫，有一定的危險(xiǎn)性，因此在學(xué)生的使用過程中，教師全程在一邊進(jìn)行觀看，如有操作不當(dāng)，給予及時(shí)指正。在整個(gè)過程中，加強(qiáng)學(xué)生的安全意識(shí)。

4 研究結(jié)論

作為在國(guó)內(nèi)的新興技術(shù)，3D打印技術(shù)在教育方面擁有巨大潛力，3D打印課程的開展將會(huì)給我國(guó)的教育改革事業(yè)起到推進(jìn)作用。然而我國(guó)對(duì)于3D打印的課程開發(fā)還有很大的空間，國(guó)內(nèi)的3D打印課程還未形成一個(gè)完整的體系，3D打印教材更是少之又少。筆者有幸接觸到了3D打印課程并對(duì)此產(chǎn)生了濃厚的興趣，因此對(duì)3D打印的課程開發(fā)進(jìn)行了初步研究。本文僅僅對(duì)于小學(xué)教育中3D打印課堂教學(xué)的設(shè)計(jì)做了初步探索和嘗試，還需要不斷實(shí)踐的基礎(chǔ)上進(jìn)行完善。

本文結(jié)合對(duì)國(guó)外現(xiàn)狀的分析，根據(jù)國(guó)內(nèi)學(xué)生的特點(diǎn)，制定了相應(yīng)的教學(xué)目標(biāo)，課程的內(nèi)容安排遵循了由易到難的規(guī)律。先讓學(xué)生對(duì)3D打印這門技術(shù)有一個(gè)初步的概念，再通過各種案例的學(xué)習(xí)逐步掌握建模軟件的使用，直至能夠熟練建模。最后設(shè)計(jì)的項(xiàng)目學(xué)習(xí)是學(xué)生之前做學(xué)知識(shí)的綜合運(yùn)用，并且給了學(xué)生發(fā)揮想象的空間，讓學(xué)生將自己的設(shè)想一步步轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)物的平臺(tái)。

3D技術(shù)將來還會(huì)有更大的突破和發(fā)展，因此本文的研究結(jié)果具有一定是適用時(shí)限。對(duì)于3D打印課程的開發(fā)設(shè)計(jì)，需要越來越多人的努力和付出。

本文對(duì)3D打印課程的設(shè)計(jì)和開發(fā)的見解還不夠成熟，還希望能有熱衷于此事業(yè)的相關(guān)人士或者教師多多指教。