3D打印技術(shù)在中小學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用研究

[摘要]2013年伊始，3D打印技術(shù)突然成為人們關(guān)注的熱點，由工業(yè)、建筑、軍事等應(yīng)用領(lǐng)域逐漸走向民用領(lǐng)域。教育領(lǐng)域，特別是基礎(chǔ)教育領(lǐng)域應(yīng)用3D打印技術(shù)還處于起步、探索階段。文章介紹了什么是3D打印技術(shù)：3D打印技術(shù)在本質(zhì)上是多媒體技術(shù)的延伸，是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的延伸，它拓展了人的感覺和知覺，促進了人的思維能力的進一步發(fā)展；列舉了3D打印技術(shù)在中小學(xué)學(xué)科教學(xué)中應(yīng)用的幾個案例；3D打印技術(shù)目前面臨的一些諸如普及慢、成本高、速度慢等局限性。最后指出，3D打印技術(shù)作為第三次工業(yè)革命的重要標志之一，未來4～5年，必將普遍走進中小學(xué)課堂，必將對現(xiàn)有教學(xué)產(chǎn)生深刻的影響和變革。

[關(guān)鍵詞]3D打印：三維模型；中小學(xué)；教學(xué)應(yīng)用

[中圖分類號]G40-057 [文獻標識碼]A [論文編號]1009-8097（2013）12-0016-04 [DOI]10.3969/j.issn.1009-8097.2013.12.003

當(dāng)前，3D打印技術(shù)正逐漸步入人們的視野。2012年11月16日在深圳舉行的第十四屆中國國際高新技術(shù)成果交易會將3D打印技術(shù)推向了一個高潮。2013年5月30日在北京召開的首屆世界3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)大會成立了世界3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，標志著3D打印技術(shù)真正進入了大規(guī)模應(yīng)用和研究的階段。目前，在教育領(lǐng)域，特別是中小學(xué)基礎(chǔ)教育領(lǐng)域，3D打印技術(shù)的應(yīng)用還是一個嶄新的領(lǐng)域，有許多問題值得研究和探討。

一、什么是3D打印技術(shù)

3D打印技術(shù)，學(xué)名為“快速成型技術(shù)”（Rapid Prototype），也稱為“增材制造技術(shù)”，是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。3D打印機出現(xiàn)在20世紀90年代中期，是一種利用光固化和紙層疊等技術(shù)的快速成型裝置。它與普通打印機工作原理基本相同，打印機內(nèi)裝有液體或粉末等“打印材料”，與電腦連接后，通過電腦控制把“打印材料”一層層疊加起來，最終把計算機上的藍圖變成實物。3D打印無須機械加工或任何模具，就能直接從計算機圖形數(shù)據(jù)中生成任何形狀的零件，從而極大地縮短產(chǎn)品的研制周期，提高生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。燈罩、身體器官、珠寶、根據(jù)球員腳型定制的足球靴、賽車零件、固態(tài)電池以及為個人定制的手機、小提琴等都可以用該技術(shù)制造出來。如今，這一技術(shù)在多個領(lǐng)域得到應(yīng)用，人們用它來制造服裝、建筑模型、汽車、玩具、巧克力甜品等。

二、3D打印技術(shù)教學(xué)應(yīng)用理論依據(jù)

學(xué)習(xí)理論、教學(xué)理論以及“經(jīng)驗之塔”理論都為3D打印技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用提供了很好的理論依據(jù)。

學(xué)習(xí)理論是心理學(xué)中最核心，也是發(fā)展最成熟的領(lǐng)域之一。不管是華生的行為主義學(xué)習(xí)理論，還是斯金納的操作性條件作用學(xué)習(xí)理論，都能有效地指導(dǎo)3D打印技術(shù)在教學(xué)中的實踐活動。教學(xué)理論中的實驗法教學(xué)方法，讓3D打印技術(shù)有充分的用武之地。實驗法是學(xué)生在教師指導(dǎo)下，運用一定的儀器設(shè)備進行獨立操作，觀察和研究這種操作引起的現(xiàn)象和過程，以獲取知識的教學(xué)方法。實驗法的基本形式是學(xué)生在教師的指導(dǎo)下獨立自主地學(xué)習(xí)。實驗法的優(yōu)點在于，學(xué)生通過親身活動，從感性知識過渡到理性知識，認識的過程比較完整。通過這種學(xué)習(xí)，學(xué)生的觀察能力、獨立思考能力、動手能力得到了很好的鍛煉；求實的科學(xué)態(tài)度、探究的科學(xué)精神、熱愛科學(xué)的情感也得到了培養(yǎng)。

戴爾于1946年所著的《教學(xué)中的視聽方法》一書中提出的“經(jīng)驗之塔”理論融合了杜威的教育理論和當(dāng)時流行的心理學(xué)觀點，成為以后視聽教學(xué)的主要理論依據(jù)。在“經(jīng)驗之塔”理論中，最底層的經(jīng)驗最具體，越往上越抽象，排成一個序列；教學(xué)活動應(yīng)從具體經(jīng)驗入手，逐步進入抽象經(jīng)驗：在學(xué)校教學(xué)中使用各種媒體，可以使教學(xué)活動更具體，也能為抽象概括創(chuàng)造條件；位于“塔”的中間部位的那些視聽教材和視聽經(jīng)驗，比上層的言語和視覺符號具體、形象，又能突破時間與空間的限制，彌補下層直接經(jīng)驗的不足。

在教學(xué)過程中，我們要善于用好各種媒體，要學(xué)會并善于引用一些先進技術(shù)，來彌補各種直接經(jīng)驗的不足，變抽象為具體，使教學(xué)活動更高效。

總之，無論是在班級授課制的教學(xué)活動中，還是在個人的自主學(xué)習(xí)中，我們都要善于用技術(shù)來武裝自己，讓抽象的更具體，讓具體的更形象。具體的學(xué)習(xí)經(jīng)驗是抽象經(jīng)驗的基石，所以，我們要用好具體的學(xué)習(xí)經(jīng)驗的基礎(chǔ)，以便更好地與抽象的學(xué)習(xí)經(jīng)驗相結(jié)合。

綜上所述，3D打印技術(shù)在本質(zhì)上是多媒體技術(shù)的延伸，是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的延伸，它拓展了人的感覺和知覺，促進了人的思維能力的進一步發(fā)展，它與教學(xué)的融合勢在必行。

三、3D打印技術(shù)教學(xué)應(yīng)用案例

3D打印技術(shù)作為多媒體技術(shù)的新成員，其在中小學(xué)教學(xué)活動中的應(yīng)用才剛剛起步。這里略舉幾例，加以說明。

1.語文學(xué)科

中小學(xué)都有說明文的教學(xué)，3D打印技術(shù)可以在這類教學(xué)中發(fā)揮積極的作用。例如，小學(xué)五年級《趙州橋》的教學(xué)。如果不是趙州橋所在地的學(xué)生，小學(xué)生就只能通過圖片或視頻來了解趙州橋的結(jié)構(gòu)。3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，可以很方便地打印出趙州橋的模型，學(xué)生就可以很直觀地觀察、欣賞趙州橋的整體及各個部分的構(gòu)成。課文中的關(guān)于趙州橋具有泄洪能力的教學(xué)難點，學(xué)生通過觀察模型橋梁以及做實驗的方法，可以比較容易地突破。

又如，初中語文《人民大會堂》一課的教學(xué)。這篇課文比趙州橋的難度大多了。因為人民大會堂的結(jié)構(gòu)比趙州橋更復(fù)雜。以往的教學(xué)主要是靠學(xué)生對文字的理解來掌握課文內(nèi)容，最多也就是找些圖片和視頻幫助學(xué)生來理解人民大會堂的結(jié)構(gòu)和功能。有了3D打印技術(shù)后，老師可以給每位同學(xué)打印出一個“真實”的人民大會堂供學(xué)生課前預(yù)習(xí)、課上討論、課后研究，整個教學(xué)過程變得生動活潑，充滿樂趣，教學(xué)效率自然會有很大提升。

2.數(shù)學(xué)學(xué)科

數(shù)學(xué)學(xué)科中關(guān)于立體幾何，在中學(xué)和小學(xué)都有相關(guān)的內(nèi)容。這部分內(nèi)容對于學(xué)生來說，往往都是難點。以往在這部分教學(xué)內(nèi)容上，教師大多采用畫分解圖，或者通過削蘿卜（泥巴）等方法幫助學(xué)生理解幾何體的變化。這些教具的準備往往費時費力，效果卻不理想。現(xiàn)在有了3D打印技術(shù)，教師可以很方便地給學(xué)生打印出所需的幾何體，根據(jù)需要實際切割或做其他的變化，這樣的教學(xué)真是事半功倍，一下子就破解了問題的難點。

如，初中的學(xué)生很難知道一個圓柱體被攔腰斜切一刀，得到的截面是一個什么圖像？學(xué)生自己畫圖或者教師畫圖幫助解釋，學(xué)生都難以理解。而在3D打印技術(shù)的幫助下，這個問題就變得非常容易了。學(xué)生可以自己在3D打印出的實物上斜切一刀，再對截面圖做進一步的測量、計算，自己就會得出結(jié)論。最后再進一步由感性知識上升到理性知識，從而實現(xiàn)知識的深化。

3.英語學(xué)科

英語學(xué)科學(xué)習(xí)必須掌握大量單詞。以水果學(xué)習(xí)為例，我國南北方水果品種差異很大，有很多學(xué)生沒有見過異地的水果。譬如，北方的學(xué)生可能沒有見過南方的熱帶水果荔枝、黃皮、火龍果、菠蘿蜜、蓮霧、佛手瓜等等，而南方的學(xué)生可能沒有見過毛杏子、李子、桑葚、石榴、櫻桃等等。以往在學(xué)習(xí)這些單詞時，最多也就是找些圖片幫助學(xué)生記憶。現(xiàn)在，如果學(xué)生沒有見過某種水果，老師可以馬上用3D打印機打印出一個“真實”的水果給學(xué)生，這樣，有了感性認識做基礎(chǔ)，記憶單詞就簡單多了。

4.物理學(xué)科

物理學(xué)科的電路圖連接對于初中學(xué)生是一個不小的困難。以前在解決這個難點時，通常采用在電路圖上反復(fù)練習(xí)的辦法。由于電路圖十分抽象，部分學(xué)生總是不得要領(lǐng)，經(jīng)常出錯。如果3D打印技術(shù)出現(xiàn)在課堂上，教師打印出實物，讓學(xué)生反復(fù)訓(xùn)練電路的連接，基本掌握好以后，再過渡到電路圖的連接。通過這樣一個過渡，學(xué)生學(xué)習(xí)的難度大大降低了，從而可以快速地掌握該知識點。

5.化學(xué)學(xué)科

化學(xué)學(xué)科中的分子、原子、質(zhì)子、電子等的結(jié)構(gòu)由于摸不著、看不到，學(xué)生理解起來十分困難。有了3D打印技術(shù)后，完全可以按比例把這些微觀的東西放大并呈現(xiàn)出來。這種變微觀為宏觀的辦法，對于初中學(xué)生的學(xué)習(xí)非常有幫助，學(xué)習(xí)的難點一下子就突破了。

6.地理學(xué)科

中學(xué)生很難理解太陽、地球及月亮的位置關(guān)系以及相關(guān)的日食、月食、節(jié)氣等概念。在現(xiàn)有條件下，雖然也可以通過計算機動畫來模擬太陽、地球及月亮的位置關(guān)系，但動畫的制作成本較高，而且各個對象是虛擬的，非實物的，學(xué)生理解起來依然比較困難，與此相關(guān)的概念掌握也是問題很多。如果有了3D打印技術(shù)，太陽、地球、月亮可以按比例縮小打印出來，師生可以隨時調(diào)整三者的位置關(guān)系，從而使相關(guān)概念的學(xué)習(xí)和各種問題的解決變得相對容易。這種變宏觀為中觀的辦法，在教學(xué)中也非常有用。

7.生物學(xué)科

生物學(xué)科中有許多微觀的內(nèi)容和不便觀察的內(nèi)容讓學(xué)習(xí)變得困難起來。如細胞的結(jié)構(gòu)、血管的構(gòu)造、大腦皮層的結(jié)構(gòu)等內(nèi)容，學(xué)生理解常常有很大的困難。像上述內(nèi)容的學(xué)習(xí)，在3D打印技術(shù)支持的教學(xué)中，會變得相對容易。教師可以把細胞結(jié)構(gòu)圖和血管結(jié)構(gòu)圖放大并打印出來，也可以把大腦皮層的結(jié)構(gòu)圖放大并打印出來。有了這些打印出來的材料，學(xué)生的學(xué)習(xí)就會變得輕松快樂。

8.信息技術(shù)學(xué)科

信息技術(shù)學(xué)科中的計算機硬件認識和計算機組裝一直是教學(xué)的難點之一。從前的教學(xué)中由于硬件的缺乏，教師只能用少量的設(shè)備給學(xué)生集體觀察和演示，學(xué)生很難近距離地直接觸摸諸如主板、網(wǎng)卡、內(nèi)存條、CPU等，得來的知識總是模模糊糊。而3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，可使這些配件按1：1的模型打印出來，分發(fā)給每一位學(xué)生，這樣可以很容易地滿足學(xué)生近距離觸摸、觀察及親自組裝的愿望。

9.通用技術(shù)學(xué)科

通用技術(shù)學(xué)科有許多場合需要3D打印技術(shù)的支持。如工藝設(shè)計教學(xué)中，可以使用3D打印技術(shù)來輔助模具的設(shè)計和工藝改進。由于3D打印機打印模具的方便快捷和成本低廉，這可以大大提高模具設(shè)計的效率。

又如在汽車維修與保養(yǎng)的教學(xué)中，由于實際汽車的成本較高，教學(xué)通常采用集體觀看圖片和視頻的辦法來組織教學(xué)，學(xué)生很難觸摸到汽車真實的部件，直觀感覺很差，教學(xué)效果很難保證。但是，3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，完全可以使這種局面發(fā)生改觀。學(xué)生可以利用3D打印機打印出的縮小版的模型進行詳細的觀察和維修實驗。這種實際的操作遠遠勝于紙上談兵式的教學(xué)，從而使教學(xué)效果產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。

四、3D打印技術(shù)的局限性

目前，3D打印技術(shù)已經(jīng)可以支持多種材料，已廣泛應(yīng)用在珠寶首飾、鞋類、工業(yè)設(shè)計、建筑、汽車、航天、牙科、醫(yī)療甚至美食等不同領(lǐng)域。根據(jù)應(yīng)用目標的需求，所使用的材料有樹脂、尼龍、石膏、ABS、聚碳酸酯（PC）或食材配料等。3D打印機的快速成型技術(shù)使之在市場上獨具優(yōu)勢，在生產(chǎn)應(yīng)用上潛力巨大，熱點應(yīng)用集中表現(xiàn)在工業(yè)應(yīng)用、醫(yī)學(xué)應(yīng)用、日常生活應(yīng)用及IT應(yīng)用等方面。3D打印技術(shù)在教育領(lǐng)域，特別是基礎(chǔ)教育領(lǐng)域的應(yīng)用才剛剛起步，目前還有一定的局限性。

1.3D打印技術(shù)的推廣力度不夠

目前，學(xué)者們研究3D打印技術(shù)在基礎(chǔ)教育中應(yīng)用的研究很欠缺。截止到2013年7月22日，在CNKI《中國學(xué)術(shù)期刊網(wǎng)絡(luò)出版總庫》全文數(shù)據(jù)庫中以“3D打印技術(shù)”+“教學(xué)”為主題詞，不限年限，不限期刊種類，只查到《國際教育信息化2013地平線報告（高等教育版）》一篇文獻。縮小主題詞范圍，以“3D打印”+“教學(xué)”為主題詞，不限年限，不限期刊種類，也沒有查到有效的文獻。

2.3D打印機的成本比較高

由于3D打印技術(shù)還是才出道的“新貴”，剛剛由研發(fā)的小眾空間向主流市場進軍，所以其價格比較昂貴。如今3D打印技術(shù)的精度約為0.1毫米，而且打印機本身的售價偏高，不過，隨著技術(shù)的進步和成本的降低，一臺普通三維打印機的成本有望比1985年的激光打印機還要低。最近有業(yè)內(nèi)人士表示，小型桌面3D打印機已經(jīng)變得比較便宜了，售價大概為1.8萬元。不過便宜也是相對而言，對桌面設(shè)備來說，1.8萬對于普通大眾階層還是過于偏高，并且它的成品率也并不能保證百分之百，有一定的良品率限制，打印材料不光種類少，價格也相對較貴。

3.3D打印機打印速度相對比較慢

和現(xiàn)在成熟的工業(yè)流水線生產(chǎn)相比，3D打印機在速度上還不具有優(yōu)勢。但這是技術(shù)發(fā)展和成熟的必經(jīng)之路，要允許它循序漸進地完善和提高。

4.產(chǎn)權(quán)保護和稅務(wù)問題

采用3D打印技術(shù)后，模仿者和創(chuàng)新者都能輕而易舉地在市場上快速推出新產(chǎn)品，這就給知識產(chǎn)權(quán)的保護帶來了難度。另外，過去稅務(wù)局、海關(guān)對交易征稅都是基于商品的價值。如果將來貨物的制造模式都是通過購買3D打印機和“耗材”，從網(wǎng)上下載設(shè)計文件（大多數(shù)將是免費的）自行打印出所需的物品，那么傳統(tǒng)的征稅模式將難以為繼。

五、結(jié)束語

2012年4月，英國經(jīng)濟學(xué)家（《經(jīng)濟學(xué)人》的編輯）保羅·麥基里（Paul·Markillie）在其出版的《經(jīng)濟學(xué)人》雜志的《第三次工業(yè)革命》一文中，將3D打印技術(shù)譽為第三次工業(yè)革命的重要標志之一，引發(fā)了世人對3D打印技術(shù)的強烈關(guān)注。3D打印技術(shù)前景廣闊，有機構(gòu)預(yù)測它是一項革命性技術(shù)，將引領(lǐng)一個革命性時代的到來。

目前，世界各國都在展開3D打印技術(shù)的研發(fā)和市場開發(fā)。隨著3D打印時代的來臨，各種行業(yè)將面臨巨大的變革，教育行業(yè)自然不能例外。美國新媒體聯(lián)盟（NMC）在《地平線報告2013年（基礎(chǔ)教育版）》中也指出，未來4～5年，3D打印技術(shù)將成為主流趨勢，將大面積走進中小學(xué)課堂。3D打印技術(shù)將對現(xiàn)有教學(xué)產(chǎn)生深刻的影響。

可以預(yù)見，隨著政府的引導(dǎo)，大企業(yè)對3D打印的興趣日益濃厚，原材料成本就會隨之下降，同時打印機技術(shù)也會不斷改進。相信隨著時間的推移，3D打印機的性價比會越來越高。3D打印技術(shù)走進中小學(xué)課堂指日可待了，讓我們做好準備，迎接教育大變革時代的來臨。