高中創(chuàng)客教育中3D打印技術(shù)的應(yīng)用路徑分析

摘 要：在教育創(chuàng)新的浪潮中，3D打印技術(shù)作為一門新興科技，因其特有的優(yōu)勢(shì)，已成為高中創(chuàng)客教育的重要組成部分。利用3D打印技術(shù)，學(xué)生可以設(shè)計(jì)和打印自己的創(chuàng)意作品，把創(chuàng)新思維轉(zhuǎn)變成一個(gè)立體模型，這樣的學(xué)習(xí)方法可以大大增強(qiáng)學(xué)生對(duì)科學(xué)、數(shù)學(xué)等學(xué)科的興趣。高中創(chuàng)客教育以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力與動(dòng)手能力為主要目的，通過對(duì)3D打印技術(shù)的應(yīng)用路徑進(jìn)行研究，可以加深師生對(duì)該技術(shù)與學(xué)校整體課程融合的認(rèn)識(shí)，從而提升高中整體教學(xué)水平。

關(guān)鍵詞：高中創(chuàng)客教育；3D打印技術(shù)；應(yīng)用路徑

" 3D打印技術(shù)在高中教育中的運(yùn)用，是傳統(tǒng)教學(xué)模式的一個(gè)重要變革，也是其進(jìn)行現(xiàn)代化和個(gè)性化教學(xué)的一次創(chuàng)新。本文通過對(duì)3D打印技術(shù)在高中創(chuàng)客教育中的運(yùn)用進(jìn)行研究，為廣大師生搭建了一個(gè)嶄新的教學(xué)環(huán)境，讓學(xué)生親身經(jīng)歷從設(shè)計(jì)到制造的全過程，在實(shí)踐中提高了學(xué)生的實(shí)際操作技能，同時(shí)也鍛煉了他們的創(chuàng)意與團(tuán)隊(duì)精神。因此，利用3D打印技術(shù)，可以幫助學(xué)生在解決問題的同時(shí)，加深對(duì)跨學(xué)科的認(rèn)識(shí)，從而使他們達(dá)到多方面的學(xué)習(xí)與提升。

一、3D打印技術(shù)概述

（一）3D打印技術(shù)的定義及原理

3D打印技術(shù)又稱增材制造技術(shù)，是以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)進(jìn)行的一項(xiàng)新工藝。該技術(shù)的核心原理是通過CAD將一個(gè)復(fù)雜的3D結(jié)構(gòu)分割成多個(gè)不同的平面部分，再由3D打印設(shè)備進(jìn)行分層疊加，最終形成一個(gè)整體的三維物體。該技術(shù)與常規(guī)的2D打印相似，不同之處在于，它是在縱向上疊加多個(gè)不同的材質(zhì)，從而得到三維目標(biāo)。3D打印技術(shù)可以利用塑料、金屬、陶瓷等各種材質(zhì)，依據(jù)熔融沉積成型（FDM）、光固化立體成型（SLA/DLP）、選擇性激光燒結(jié)（SLS）等方法，篩選出最優(yōu)的材料及制造方法［1］。

（二）3D打印技術(shù)的發(fā)展歷程及現(xiàn)狀

3D打印技術(shù)從初期的科學(xué)研究逐步走向產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化。首先，3D打印技術(shù)在工業(yè)設(shè)計(jì)與制造業(yè)中得到了廣泛的運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的快速成型與定制。在航空航天、汽車制造、生物醫(yī)學(xué)、建筑等眾多行業(yè)中，該技術(shù)已經(jīng)得到了越來越多的應(yīng)用。例如，在航空航天方面，3D打印技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的輕質(zhì)化、復(fù)雜構(gòu)件的制備，從而提升其綜合效能與燃料利用率。其次，在醫(yī)學(xué)方面，3D打印技術(shù)可以為病人量身定做仿生義肢、骨科器械、牙科矯正器械等。

二、高中創(chuàng)客教育的實(shí)施現(xiàn)狀

（一）創(chuàng)客空間的建立與運(yùn)營

目前，在我國高中開展創(chuàng)客教育活動(dòng)時(shí)，創(chuàng)客空間建立與運(yùn)營是其中的重要環(huán)節(jié)?，F(xiàn)在很多高中都設(shè)立了創(chuàng)客空間，里面有高級(jí)的3D打印機(jī)、激光切割機(jī)、電子元器件等設(shè)備，不僅為學(xué)生創(chuàng)造了一個(gè)實(shí)踐創(chuàng)新和動(dòng)手操作的環(huán)境，還將吸引校外的師生及專業(yè)人士參加，為學(xué)生提供一個(gè)互相溝通、合作的平臺(tái)。創(chuàng)客空間的運(yùn)作多采用項(xiàng)目式教學(xué)法，讓學(xué)生在其中進(jìn)行一些特定的作業(yè)，如制造機(jī)器人、科學(xué)探究等。這樣，學(xué)生在動(dòng)手學(xué)習(xí)的過程中，養(yǎng)成了自己的思考習(xí)慣，從而提高他們的創(chuàng)新意識(shí)和問題解決能力。

（二）創(chuàng)客課程的開發(fā)與實(shí)施

從創(chuàng)客課程的開發(fā)與實(shí)施來看，高中創(chuàng)客教育正在逐步成型。創(chuàng)客課程一般是以項(xiàng)目化學(xué)習(xí)為中心，在通用技術(shù)、信息技術(shù)等綜合性實(shí)踐類課程基礎(chǔ)上，融合科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學(xué)（STEAM）等跨學(xué)科要素，通過“做中學(xué)”的方式，挖掘?qū)W科脈絡(luò)，整合知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)，提升他們的跨學(xué)科思維與應(yīng)用能力。比如，有些高中已經(jīng)推出了以“綠色成長+”為主要內(nèi)容的創(chuàng)客課程，利用項(xiàng)目式學(xué)習(xí)法，使學(xué)生可以對(duì)智能花架進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造。這種課程既與多個(gè)專業(yè)相結(jié)合，又在教學(xué)理念、教學(xué)團(tuán)隊(duì)和師生角色上進(jìn)行了系統(tǒng)性的重新構(gòu)建。

（三）創(chuàng)客教育的師資與學(xué)生情況

當(dāng)前，創(chuàng)客教育師資面臨著一些挑戰(zhàn)。我國部分高中紛紛成立了跨領(lǐng)域的創(chuàng)客研究小組，但還存在著一些較為突出的問題，如缺少高素質(zhì)的師資團(tuán)隊(duì)。因此，對(duì)3D打印技術(shù)相關(guān)課程的教師進(jìn)行經(jīng)常性培養(yǎng)，對(duì)于提高其職業(yè)素質(zhì)與教育水平具有十分重要的意義。在此基礎(chǔ)上，引導(dǎo)廣大師生積極參與教育科研與改革，創(chuàng)造出一系列優(yōu)秀的、能起到示范帶動(dòng)的教育案例與結(jié)果。在學(xué)生層面，推行創(chuàng)客教育，大大提高了學(xué)生的參與度及創(chuàng)造力。通過實(shí)踐與小組合作，學(xué)生在創(chuàng)客空間內(nèi)既可以提高專業(yè)水平，又加強(qiáng)了團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)和項(xiàng)目管理水平。

三、高中創(chuàng)客教育中3D打印技術(shù)的應(yīng)用路徑

（一）基礎(chǔ)技能培訓(xùn)與課程整合

在高中創(chuàng)客教育中，3D打印技術(shù)的應(yīng)用路徑主要是基礎(chǔ)技能培訓(xùn)與課程整合，這一步非常重要。在創(chuàng)客教育中，將3D打印技術(shù)的基本操作與技能培訓(xùn)融入教學(xué)中，使學(xué)生能夠熟練使用3D建模軟件，并加強(qiáng)3D打印機(jī)使用以及后期加工等方面的知識(shí)。比如，“3D打印技術(shù)基礎(chǔ)及實(shí)踐”這門課，就是為了使學(xué)生能夠快速學(xué)習(xí)到3D打印技術(shù)相關(guān)的理論與技能。同時(shí)，將數(shù)學(xué)、物理、信息技術(shù)等學(xué)科相結(jié)合，通過跨學(xué)科的教學(xué)活動(dòng)，學(xué)生在解決實(shí)際問題的同時(shí)，學(xué)會(huì)并運(yùn)用3D打印技術(shù)，既可以達(dá)到對(duì)所學(xué)知識(shí)的了解與運(yùn)用，又可以加強(qiáng)創(chuàng)造性思維和提高問題解決能力。另外，在國際上，3D打印技術(shù)在課堂上的運(yùn)用也有了一些成果［2］。比如，美國從2013年起就啟動(dòng)了“MENTOR”項(xiàng)目，把3D打印技術(shù)引入高中課堂，極大地提高了學(xué)生對(duì)于工程設(shè)計(jì)類學(xué)科的學(xué)習(xí)熱情。這種跨學(xué)科的項(xiàng)目設(shè)計(jì)，既可以使學(xué)生直觀理解抽象的知識(shí)，又推動(dòng)STEM教學(xué)的開展。再比如，賓夕法尼亞州立大學(xué)創(chuàng)新研究中心的學(xué)生利用3D打印技術(shù)，幫助本地公司降低了小批量制造工具的費(fèi)用問題。因此，3D打印技術(shù)在高中創(chuàng)客教育中的運(yùn)用，通過基礎(chǔ)技能培訓(xùn)與課程整合，既可以提高學(xué)生的3D打印技術(shù)水平，又能通過跨學(xué)科的項(xiàng)目設(shè)計(jì)，提高學(xué)生的實(shí)際問題處理水平，為其創(chuàng)新思考和技術(shù)運(yùn)用能力奠定良好的基礎(chǔ)。

（二）創(chuàng)意設(shè)計(jì)與原型制作

在高中創(chuàng)客教育中，創(chuàng)意設(shè)計(jì)與原型制作是3D打印技術(shù)運(yùn)用的一種有效途徑，重點(diǎn)是利用3D打印技術(shù)，把思想轉(zhuǎn)換成特定的三維模型，再利用3D打印技術(shù)完成原型。在此過程中，學(xué)生不但可以學(xué)會(huì)如何運(yùn)用3D建模軟件，而且可以熟練運(yùn)用3D打印技術(shù)及后期加工技術(shù)，這也是實(shí)現(xiàn)快速原型制作的重要環(huán)節(jié)。例如，學(xué)生可以利用計(jì)算機(jī)協(xié)助設(shè)計(jì)軟件來建立模型，再利用3D打印技術(shù)將模型轉(zhuǎn)變成實(shí)體。另外，多舉辦一些創(chuàng)造性的作品競賽和展示活動(dòng)，也是提高學(xué)生創(chuàng)造力的一種方式。通過競賽，學(xué)生可以參與作品的創(chuàng)作，提高自身的美感與創(chuàng)意。這樣的競賽與展覽，不僅為學(xué)生搭建了一個(gè)舞臺(tái)，更讓他們互相溝通，互相學(xué)習(xí)，提高自己的創(chuàng)造力。在實(shí)際操作中，利用3D打印技術(shù)可以提高學(xué)生的實(shí)際操作能力，讓學(xué)生在無風(fēng)險(xiǎn)的環(huán)境中完成作品設(shè)計(jì)與制造，并獲得實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)。這樣，學(xué)生在動(dòng)手操作中學(xué)會(huì)知識(shí)的同時(shí)，還可以養(yǎng)成思考的習(xí)慣，從而提高創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)際應(yīng)用水平。

（三）實(shí)驗(yàn)與科研輔助

在高中創(chuàng)客教育過程中，利用3D打印技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與科研輔助，是一條可行的途徑。3D打印技術(shù)可以按照所提供的三維模型，迅速制造出各種實(shí)驗(yàn)設(shè)備和科研設(shè)備，這既有助于學(xué)生加深對(duì)實(shí)驗(yàn)的認(rèn)識(shí)，也有助于提高他們對(duì)科學(xué)研究的熱情和參與程度［3］。利用3D打印技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各種復(fù)雜實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臏?zhǔn)確制造，使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中進(jìn)行可視化的觀測與控制，進(jìn)而深化對(duì)所學(xué)知識(shí)的認(rèn)識(shí)。同時(shí)，3D打印技術(shù)也為學(xué)生進(jìn)行科研課題研究提供了有力的輔助工具，學(xué)生可將創(chuàng)意形象化，并制造及優(yōu)化各種復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。實(shí)踐教學(xué)既培養(yǎng)了學(xué)生的動(dòng)手能力，又激發(fā)了學(xué)生的科研熱情。比如，在機(jī)械橋的結(jié)構(gòu)解析中，學(xué)生可以使用3D打印技術(shù)制造一些特殊的設(shè)備，并對(duì)其進(jìn)行真實(shí)的受力實(shí)驗(yàn)與分析。另外，3D打印技術(shù)也為學(xué)生提供了一個(gè)實(shí)踐創(chuàng)新的平臺(tái)，在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生可以自行設(shè)計(jì)、打印自己的科研項(xiàng)目部件。這種實(shí)際的方式，既提高了學(xué)生的實(shí)際操作技能，又可以培養(yǎng)他們的創(chuàng)造性思維和團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)。

（四）STEM教育融合

當(dāng)前，將3D打印技術(shù)與STEM教育融合，對(duì)于高中創(chuàng)客教育具有十分重要的意義。STEM是一門集科學(xué)、科技、工程與數(shù)學(xué)于一體的教育，以發(fā)展學(xué)生的全面素養(yǎng)與創(chuàng)造力為目標(biāo)。3D打印技術(shù)是一項(xiàng)新型的生產(chǎn)工藝，將其引入教育領(lǐng)域，對(duì)推動(dòng)STEM教育的發(fā)展具有重要意義。通過項(xiàng)目式學(xué)習(xí)和探究式學(xué)習(xí)，既提高了學(xué)生的STEM素質(zhì)，又加強(qiáng)其整體素養(yǎng)。因此，將3D打印技術(shù)與STEM教育有機(jī)地融合在一起，能使學(xué)生在實(shí)踐中對(duì)科學(xué)原理和數(shù)學(xué)概念進(jìn)行更直接的了解。例如，在物理課堂上，學(xué)生可以自己動(dòng)手制作和打印齒輪和杠桿模型，動(dòng)手去了解力和運(yùn)動(dòng)的基本原理。在工程與數(shù)學(xué)等學(xué)科，學(xué)生通過3D打印技術(shù)制作復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)，能更深入地了解空間幾何和結(jié)構(gòu)工程。另外，在3D打印技術(shù)的運(yùn)用中，教師也可以指導(dǎo)學(xué)生將其運(yùn)用到STEM研究中去。在機(jī)器人俱樂部或科學(xué)競賽中，學(xué)生可以自行進(jìn)行零件的設(shè)計(jì)與打印，并對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)與性能優(yōu)化。在生物學(xué)中，學(xué)生可以利用3D打印技術(shù)制造出如細(xì)胞構(gòu)造、DNA等的生物模型，加深對(duì)生物學(xué)的認(rèn)識(shí)。這樣，3D打印技術(shù)就不再是一種簡單的教學(xué)手段，而是一座溝通學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)和激發(fā)創(chuàng)造性思維的橋梁。通過這種方法，學(xué)生可以把所學(xué)到的理論和實(shí)際應(yīng)用有機(jī)融合在一起，成為既有創(chuàng)造性又有動(dòng)手能力的新一代人才［4］。

（五）社會(huì)實(shí)踐活動(dòng)與社區(qū)服務(wù)

當(dāng)前，將3D打印技術(shù)運(yùn)用于高中創(chuàng)客教育，可以將其與社會(huì)實(shí)踐活動(dòng)和社區(qū)服務(wù)有機(jī)融合起來。在此過程中，學(xué)生能夠?qū)⑺鶎W(xué)到的理論與技巧運(yùn)用于社會(huì)實(shí)踐當(dāng)中，例如，使用3D打印技術(shù)為居民提供公共設(shè)施模型，為弱勢(shì)群體提供幫助。這樣的實(shí)踐活動(dòng)既提高了學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感、公民精神，又加強(qiáng)了他們的3D打印技能。比如，學(xué)生可能會(huì)為某一地區(qū)的活動(dòng)場所進(jìn)行設(shè)計(jì)和打印，也可能會(huì)為老人打印如把手放大器、輪椅附件之類的附屬裝置。這種形式的學(xué)習(xí)既讓學(xué)生了解3D打印技術(shù)的實(shí)用價(jià)值，又讓他們認(rèn)識(shí)到科技對(duì)社會(huì)的作用，并提高社會(huì)參與感和責(zé)任心。同時(shí)，通過實(shí)踐，學(xué)生了解到3D打印技術(shù)的設(shè)計(jì)、造型、打印及后加工的全過程，也得到了寶貴的實(shí)踐經(jīng)歷，這對(duì)他們將來升學(xué)或工作都會(huì)有所幫助。

（六）建立3D打印創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室

建立3D打印創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，是推進(jìn)高中創(chuàng)客教育推廣的一條有效途徑。這樣的實(shí)驗(yàn)室配備先進(jìn)的3D打印設(shè)備和軟件，為學(xué)生提供了一個(gè)良好的學(xué)習(xí)和實(shí)踐環(huán)境，實(shí)現(xiàn)從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到打印的全流程，既培養(yǎng)了學(xué)生動(dòng)手操作的技能，又加強(qiáng)了他們的創(chuàng)造性思考和問題解決能力。實(shí)驗(yàn)室的建立將為學(xué)生提供一系列的創(chuàng)意活動(dòng)，如機(jī)器人零件的設(shè)計(jì)與打印，以及科學(xué)實(shí)驗(yàn)的制作。這樣既提高了學(xué)生的專業(yè)水平，又加強(qiáng)了他們的團(tuán)隊(duì)合作與項(xiàng)目管理技巧。開放式的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，讓3D打印技術(shù)的學(xué)習(xí)空間不再只限于校園學(xué)生，同時(shí)也能讓校外學(xué)生、教師及專業(yè)人士加入。通過這種溝通與合作，可以建立一個(gè)充滿活力的創(chuàng)客社群，讓他們更好地分享知識(shí)與經(jīng)歷。同時(shí)，3D打印創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室也將為學(xué)生提供更多的社會(huì)服務(wù)及實(shí)踐機(jī)會(huì)。學(xué)生可以通過所提供的實(shí)驗(yàn)資料，為社會(huì)上的公用設(shè)施做一些設(shè)計(jì)及打印，或是為有需要的團(tuán)體提供一些幫助。這樣的社會(huì)實(shí)踐既可以提高學(xué)生的社會(huì)責(zé)任意識(shí)，又能讓他們更好地理解3D打印技術(shù)在社會(huì)中的作用。

（七）持續(xù)師資培訓(xùn)與專業(yè)發(fā)展

在高中創(chuàng)客教育中，持續(xù)師資培訓(xùn)與專業(yè)發(fā)展是3D打印技術(shù)應(yīng)用的一條重要途徑。充分發(fā)揮3D打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)、開展面向師資的3D打印技能訓(xùn)練，既可以提高師資隊(duì)伍的綜合素質(zhì)，又可以促進(jìn)他們引導(dǎo)學(xué)生完成更高層次的創(chuàng)新項(xiàng)目［5］。在此過程中，教師能了解3D打印技術(shù)、教學(xué)方法及教學(xué)內(nèi)容，使3D打印技術(shù)與教學(xué)相結(jié)合。同時(shí)，通過對(duì)3D打印技術(shù)的研究與創(chuàng)新，產(chǎn)生一系列能起到示范和帶動(dòng)效應(yīng)的教學(xué)案例與結(jié)果。通過開展項(xiàng)目研究，探討3D打印技術(shù)在數(shù)學(xué)、物理、藝術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域的具體運(yùn)用，并通過項(xiàng)目式學(xué)習(xí)、探究式學(xué)習(xí)等方法提高學(xué)生的STEM素質(zhì)和綜合素質(zhì)。這樣既可提升教師的教育科研水平、提高自身的素質(zhì)，又可加強(qiáng)師生間的溝通與合作，在教學(xué)中起到引導(dǎo)、推動(dòng)的作用，實(shí)現(xiàn)教育教學(xué)的整體提升。因此，教師的專業(yè)發(fā)展和持續(xù)培訓(xùn)是保證3D打印技術(shù)在高中創(chuàng)客教育中高效運(yùn)用的前提，既可以提升教師的授課質(zhì)量，又可以充分發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造力，為其今后學(xué)習(xí)與就業(yè)奠定良好的根基。

結(jié)語

總之，3D打印技術(shù)在高中創(chuàng)客教育中的運(yùn)用對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力與動(dòng)手能力具有十分重大的意義。通過整合課程資源，提高教師專業(yè)素質(zhì)，建立創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，強(qiáng)化企業(yè)與學(xué)校之間的合作等，3D打印技術(shù)在高中課堂上得到了良好的應(yīng)用。同時(shí)，學(xué)生通過3D打印技術(shù)的實(shí)踐活動(dòng)，加深了對(duì)3D設(shè)計(jì)與制作技巧的認(rèn)識(shí)，并提高了其處理復(fù)雜問題的技巧。這些實(shí)踐表明，3D打印技術(shù)在高中創(chuàng)客教育中的應(yīng)用是切實(shí)可行的，它為學(xué)生的全面發(fā)展和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)提供了有力支持。

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［5］陳月新.當(dāng)3D打印技術(shù)遇上創(chuàng)客教育［J］.中小學(xué)信息技術(shù)教育，2016（09）：6061.

作者簡介：楊希昌（1986— ），男，漢族，山東聊城人，本科，一級(jí)教師，工程師，研究方向：信息技術(shù)、3D打印、創(chuàng)客教育。