3D打印技術在科學教育專業(yè)課程中的應用——以長沙師范學院為例

李揚藝　張 銀

3D打印技術在科學教育專業(yè)課程中的應用——以長沙師范學院為例

李揚藝張 銀

（長沙師范學院初等教育學院，湖南 長沙 410100）

近年來，3D打印技術得到了各個行業(yè)的青睞，特別是教育行業(yè)。隨著創(chuàng)客教育、STEAM教育的提出以及學生對創(chuàng)新需求的增加，中小學對科學教師的要求也逐步提高。因此在高等院校中開設3D打印技術相關課程尤為重要。文章以長沙師范學院為例，在基于已開設此類課程的基礎上，探討了在高等院?？茖W教育專業(yè)中開設3D打印有關課程的價值與意義。

3D打印；科學教育；課程應用

引言

3D打印技術始于20世紀80年代的美國。1986年，美國科學家Charles W. Hull開發(fā)了第一臺商業(yè)3D印刷機后，3D打印技術逐漸得到了發(fā)展[1]。近年來，由于互聯網行業(yè)的發(fā)展與推動，使得3D打印的“軟件核心”，即“數字模型”得到快速發(fā)展。再加上社會發(fā)展、技術革新、勞動生產力進步等因素，3D打印機的成本不斷降低，3D打印的“硬件基礎”成型，這意味著3D打印的黃金時代正式到來。

3D打印作為一種新興的快速成型技術，目前正受到越來越多的關注。2012年4月21日出版的英國《經濟學人》雜志，制作專題論述了全球范圍內工業(yè)領域正在經歷的“第三次革命”，認為此次革命是互聯網和新材料、互聯網和新能源相結合的工業(yè)革命，而3D打印技術作為“第三次革命”的重要標志，將成為改變未來世界的一種新的創(chuàng)造性科技[2]。

1 科學教育專業(yè)課程中開設3D打印課程的價值與意義

1.1 有利于培養(yǎng)契合中小學要求的科學教師

科學教育專業(yè)是高校為中小學培養(yǎng)“具有良好科學素養(yǎng)，富有科學探究能力、創(chuàng)新能力、思維能力和實踐能力”的高素質科學教師而設置的。在國內，一方面近年3D技術在生產制造領域的應用前景逐漸被看好，另一方面隨著創(chuàng)客教育、STEAM教育的提出與發(fā)展，學生不再是單一地接受知識，而需發(fā)展其綜合能力。面對學生及社會、學校對創(chuàng)新需求的提高，作為專門為中小學培養(yǎng)科學教師的高等院校，也應在人才培養(yǎng)理念方面作出相對應的改變，以便更好地達到中小學對科學教師的要求，符合中小學對科學教師的設定與目標，達到與時俱進的教學效果。

1.2 有利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和實踐能力

目前大力提倡與發(fā)展的STEAM教育，不同于傳統(tǒng)的教育模式，它是一種注重跨學科、綜合性的教育，以問題解決、項目學習為導向，以培養(yǎng)學生的解決問題和自主創(chuàng)新能力為目標，有機融合了S（科學）、T（技術）、E（工程）、A（藝術）、M（數學）。目前，SETAM教育的活動形式主要有：3D打印技術、Arduino項目式、Scratch編程等[3]。我國在推廣STEAM教育、創(chuàng)客教育的同時，以3D打印技術為基礎的創(chuàng)客教育模式，同樣也受到了老師和學生們的青睞。

在中小學里，采用開設3D打印相關課程的形式來豐富課堂教學，并構建開放、創(chuàng)新、創(chuàng)造的信息化創(chuàng)客教育空間，為學生提供更有效、更專業(yè)的創(chuàng)客教育課程。目前，國內對于3D打印技術相關課程的開發(fā)與教學還處于起步階段，尤其對于設有科學教育專業(yè)的高等院校來說，仍需不斷探索。但可以明確的是，3D打印技術可以將技術與創(chuàng)新實踐能力、創(chuàng)造性學習相聯系，學生在體驗新興技術的同時，能在項目中體會創(chuàng)新與創(chuàng)造的樂趣，從而達到培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和實踐能力的效果，激發(fā)學生想象力和潛能，為培養(yǎng)創(chuàng)新型復合人才奠定良好的基礎。

1.3 有益于中小學科學課程的學習

科學課程是一門集實踐性、創(chuàng)新性、綜合性于一體的核心課程，在科學教材中涉及的實驗及教具很多，在學生學習的過程中，適當地引入3D打印技術，可以將抽象的學習內容轉化成立體的，從二維過渡到三維，加深學生對知識內容的理解，給予學生一個直觀的體驗。比如在進行《制作指南針》課程教學時，學生在了解地磁的概念、指南針的結構后，可以利用3D打印技術構建模型并打印，做一個可以真正使用的指南針?？茖W課程中融合3D打印技術，不僅可以自制教具，還能利用三維軟件給予學生更直觀的學習過程，提高學生的學習積極性，豐富學生的想象力。

2 3D打印技術在科學教育專業(yè)課程中的教學內容

2.1 3D打印的概念及流程

3D打?。?D Printing）是一種以數字模型文件為基礎，運用塑料、橡膠類材料、粉末狀金屬等可黏合材料，以逐層打印的方式構造3D實物的快速成型技術[4]。隨著技術的不斷成熟，現已在航空航天、醫(yī)療、建筑、食物及教育等方面有所應用。

3D打印的操作流程如圖1所示。其主要包括兩個板塊，即建模和打印。在建模板塊中，利用三維軟件進行建模，完成后在切片軟件中進行分層切片。在打印板塊中，利用切片軟件導出的文件在3D打印機中直接打印即可。在整個流程中，打印過程可以通過打印機自動完成，而最重要的是建模過程，它需要掌握一定的理論知識并融合三維思維，再構建模型。

圖1 3D打印操作流程圖

2.2 3D打印的工作原理

與普通打印機相比，兩者的工作原理基本相同，不同的是所使用的打印材料。普通打印機的打印材料是墨水和紙張，而3D打印機內裝有金屬、陶瓷、橡膠等不同的“打印材料”。通俗地講，3D打印機是一種可以“打印”出真實3D物品的設備。稱其為“打印機”的主要原因是，其參照了普通打印機的技術工作原理，因為分層加工的過程與噴墨打印機也十分相似。在打印的過程中，只能自下而上打印，這與生活中砌房子的過程十分相像。

2.3 3D打印的優(yōu)勢

2.3.1 縮短產品研制時間，降低生產成本

在傳統(tǒng)的制造業(yè)中，需要經過開模、粗加工等步驟，得到了樣品之后才能發(fā)現設計方案中的問題，對照問題才能修改設計方案，再重復制樣過程，反反復復，最終才能得到一個較好的設計方案及產品。而3D打印技術不需要任何的機械加工，也不需要使用任何的模具，可以直接通過計算機中的圖形數據生成任何形狀的零件，從而縮短了產品的研發(fā)周期，提高了生產率，降低了生產成本及人力成本。例如在2019年，由非營利性組織New Story與建筑技術公司Icon合作開發(fā)的名為Vulcan Ⅱ的3D打印機器人，為墨西哥貧困地區(qū)僅花48小時打印了一套三居室（如圖2所示）。

圖2 3D打印房屋

2.3.2 能打印一些傳統(tǒng)生產技術無法制造的物體

隨著3D打印技術的發(fā)展，其應用也越來越廣泛，包括藝術品領域。3D打印技術能打印出傳統(tǒng)生產技術無法制造出的物體，既符合設計者的要求，又能體現美感。例如，圖3的創(chuàng)意鏤空椅子，利用傳統(tǒng)的生產技術很難實現。

圖3 3D打印作品之創(chuàng)意鏤空椅子

2.3.3 可以實現個性化需求

時代在發(fā)展，技術在進步，人們的需求和理念也在更新迭代，現在的人們尤其是年輕人，越來越青睞個性化的產品，而3D打印技術，能更好地適應大眾的需求，達到實現個性化的目的。

2.4 3D打印機

自長沙師范學院在2013年設立科學教育專業(yè)以來，先后引進了創(chuàng)想三維CR-3040打印機、極光爾沃A9打印機（如圖4所示）。這兩種設備的打印類型都是基于熔融沉積成型技術（FDM），操作簡單，既符合高等院校對科學教育專業(yè)學生對3D打印技術基礎知識及操作的要求，又能滿足中小學對STEAM創(chuàng)客教育的發(fā)展理念。

圖4 兩種不同類型的3D打印機

2.5 3D One軟件介紹

3D One軟件是一款針對青少年開發(fā)的三維創(chuàng)意設計軟件，以極簡的操作受到了廣泛師生的喜愛，且易于學生的學習和使用。青少年三維創(chuàng)意社區(qū)是國內第一個以學生為對象，面向全國青少年提供基于STEAM理念的3D One三維創(chuàng)意設計系列軟件，以三維創(chuàng)意、3D打印為核心的校園創(chuàng)客教育社區(qū)。實際上，它也是一個融合線上線下資源的教育類網站，線上提供不同版本的3D One軟件供大家下載，如3D One教育版、3D One家庭版；線下教師可以利用3D One軟件授課。操作簡單，但又能達到培養(yǎng)中小學科學教師關于3D 打印基礎知識的目的與要求。

2.6 切片軟件介紹

創(chuàng)想三維CR-3040打印機的切片軟件是Creality Slicer軟件，極光爾沃A9打印機配備的切片軟件是JGcreat軟件，這兩種切片軟件在安裝完成后，直接將畫好的模型載入到切片軟件的操作界面中，若不需要更改模型的大小，直接保存格式為“.gcode”的文件即可。這兩種軟件均操作簡單便捷，學生在學習的時候所花費的時間不多，并能達到很好的教學效果。

2.7 現階段教學成果及思考

學校目前開設了《小學科學實驗與制作》，課程性質為方向課，在兩次課程學習的基礎上，學生對3D打印有了一個基礎的認識，基本掌握了3D打印技術的基礎知識，能利用3D One軟件構建簡單的模型并熟悉3D打印機的操作流程打印出實物（如圖5和圖6所示），在學習的過程中，學生也對此表現出了極大的興趣。但此門課程現正處于發(fā)展階段，涉及的學生范圍不廣，數量不多，學校雖然配有專門的實驗室和3D打印設備，但整體來說，設備的使用頻率不高，對于未接觸此門課程的學生，缺乏積極性與主動性。在下一階段的授課過程中，一方面可以增加課程的受眾對象，爭取讓更多的學生能了解3D打印，來學習3D打印技術；另一方面，可以適當增加教學時周，讓學生有更多的時間來學習和操作設備。此外，教師在授課過程中，在簡單模型的基礎上激發(fā)學生潛能和創(chuàng)造力、想象力，根據學生的學情開展個性化的指導，培養(yǎng)學生將3D打印技術與小學科學教材中的內容相聯系的意識，爭取構建并打印出符合科學教材中的創(chuàng)新性教具，這樣有助于拓寬中小學科學老師的教學視野，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新與實踐能力。

圖5 利用3D打印技術打印的?；蘸枉蛔?/p>

圖6 利用3D One軟件構建的學校平面圖

3 將3D打印技術應用到科學專業(yè)課程的措施

3.1 加強學生的軟件學習

軟件作為技術的基礎，扎實的軟件知識和動手操作能力是最重要的環(huán)節(jié)之一。當前對于3D打印技術，用的較多的軟件有SolidWorks、3D Max、3D one等，這些軟件在互聯網平臺上有豐富的學習資源可供學生學習，學生可結合自身需求和實際情況，選擇適合自己的繪圖軟件，解決學習3D打印技術的入門問題。

3.2 開發(fā)符合本校特色的3D打印校本課程

教師，相對于學生而言，是知識的傳播者、學生學習的引導者；相對于課程而言，是課程的執(zhí)行者、開發(fā)者、評價者和建設者。目前來說，3D打印技術在教育行業(yè)中的應用研究較少，對于3D打印進課堂更是充滿挑戰(zhàn)與機遇。作為高校教師，應該轉變自己的教育觀念，充分結合學生的實際情況和本院校的辦學特色、人才培養(yǎng)目標，在網絡資源的基礎上，開發(fā)適合高等院校中科學教育專業(yè)學生發(fā)展的有關3D打印的校本課程，并建立完善的課程評價體系，幫助講授此課程的教師更好地掌握課程目標，幫助學生更好地理解學習目標，在獲取新知識的同時，增強學生的學習興趣，給與學生更多的鼓勵與創(chuàng)新。

3.3 加大3D打印機投入與加強校校合作

（1）加入對3D打印機的投入，加快3D打印設備的更新。目前，在高等院校及中小學校園里，涌現了越來越多的有關創(chuàng)客理念的平臺，如X小學創(chuàng)客實驗室、創(chuàng)客中心、X大學大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)工作室等，大都配有3D打印機以供學生使用。但是隨著學生的數量與需求增加，3D打印機顯得供不應求，3D打印技術的發(fā)展與進步，涌現了越來越多的與時代發(fā)展相結合的3D打印設備，現有的設備無法滿足創(chuàng)客成員在數量上和技術上的要求，從某種程度來看，降低了學生的積極性。因此，在開設有科學教育專業(yè)的高等院校中加大對3D打印機的投入或更新現有的3D打印設備，跟上時代的發(fā)展，顯得尤為迫切且重要。學校也可以開展相關的比賽，吸引更多的學生參與，讓學生有更多的獲得感。

（2）加強與中小學校之間的校校合作。學生進入高等院校學習，最終的目的是就業(yè)，因此，要從根本上提高3D打印技術在教育中的推廣與應用，可以與中小學校開展校校合作，甚至可以與企業(yè)開展校企合作。當前，部分中小學校已經建立了創(chuàng)客實驗室，需要大量的技術人才，這也正好是高等院校的一個良機。作為師范院校，學生在畢業(yè)前有一個學期的實習環(huán)節(jié)，指導老師可鼓勵學生在實習期間，向小學創(chuàng)客實驗室中有經驗的教師學習，了解小學對此項技術的一些觀點、理念、需求與授課模式，幫助學生在工作期間更有針對性地開展工作。加強與中小學校的合作，可以使高等院校培養(yǎng)的人才最大利用化，也使中小學校需要的人才在質量和數量上最優(yōu)化。

3.4 加大對3D打印技術的普及

社會公共資源豐富且公開透明，能彌補學?？破召Y源的局限性，政府及其他部門可以整合社會公共資源，通過設立一系列的有關3D打印的比賽或者科普活動，讓3D打印技術進校園、進課堂，讓更多的高校學子和中小學生參與，讓學生家長從根本上認識3D打印，既達到了宣傳與普及的目的，又能提高學生的積極性與主動性，給與學生更多的機會與體驗，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維。

4 結束語

STEAM教育和創(chuàng)客教育是激發(fā)學生興趣、培養(yǎng)學生創(chuàng)新與實踐能力的重要理論基礎?，F如今，3D打印技術已風靡全球，讓學生接觸并學習3D打印技術的有關知識對于培養(yǎng)高質量的創(chuàng)新型人才具有重要意義，因此，對于以培養(yǎng)中小學科學教師為目標的高等院校來說，3D打印技術在科學教育專業(yè)課程中顯得尤為重要。

對高等院校科學教育專業(yè)初次接觸3D打印技術的學生來說，其工作原理、三維模型的建構是課程的難點，從模仿別人的模型到創(chuàng)造自己的模型需要一定的理論基礎和時間；對教授這門課程的教師來說，在提高學生對此技術的認知的基礎上，更多更大的挑戰(zhàn)是激發(fā)學生的潛能與興趣，使學生達到學以致用的學習效果，并能開發(fā)適合該院校的有關3D打印技術的課程。當然，這也是一個教學相長的過程，學生在教師的指導下能學習新的知識、新的技術，教師在教授的過程中，可以提升自己的教學水平、教學能力、拓寬教學思路。

[1] 劉若淼. 3D打印技術在小學教學中的應用[J]. 教育論壇，2016(8): 11.

[2] 周洪宇. 教育如何應對第三次工業(yè)革命[N]. 中國教育報，2013-01-18(3).

[3] 肖一. 基于STEAM教育理念的小學3D打印校本課程開發(fā)與實踐研究——以D小學為例[D]. 成都: 四川師范大學，2021.

[4] 張琳. 淺談如何將3D打印技術應用到職業(yè)教育中[J]. 科學教育，2016(3): 357.

Application of 3D Printing Technology in Science Education Curriculum——Taking Changsha Normal University as an Example

In recent years, 3D printing technology has gained lots of traction in fields, especially the education industry. With the proposal of maker education and STEAM education, and the increase of students' demand for innovation, the requirements for science teachers in primary and secondary schools have gradually increased. Therefore, it is particularly important to set up courses related to 3D printing technology in colleges and universities. Taking Changsha Normal University as an example, this paper discusses the value and significance of offering 3D printing courses in science education majors in colleges and universities on the basis of the existing courses.

3D printing; science education; course application

G65

A

1008-1151(2022)05-0134-04

2022-02-22

湖南省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（S202113806014）。

李揚藝（2000－），男，長沙師范學院初等教育學院學生，研究方向為科學教育。

張銀（1995－），女，長沙師范學院初等教育學院助教，碩士，研究方向為科學教育。