3D打印在教學中的應用

郭建才

摘要：3D打印技術是近年來受到廣泛關注的一種新型技術，如何將3D打印技術應用到教學中，已經成為眾多教育工作者所關注的問題。本文通過一些具體案例，探討了3D打印在學科課堂教學、自制教學模型、學生科技活動、畢業設計、教學模型共享、教學方法改革等方面的應用。

關鍵詞：3D打印；教學應用；教學模型；三維建模

中圖分類號：G420 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2016）08-0063-02

隨著3D打印技術的快速發展，其已應用于工業制造、生物醫學、建筑工程、文化創意、航空航天、教育、汽車、消費品和日用品等眾多領域。在美國，3D打印已廣泛應用于教育領域，美國的大多數大中小學已經開設了3D打印課程。在我國，3D打印也逐步在教育領域得到應用，因此如何在教學中應用3D打印技術，已經成為眾多教育工作者所關注的問題。

3D打印在學科課堂教學中的應用

3D打印出的教學模型具有具體、直觀、形象的特點。教師利用3D打印出的教學模型在課堂上進行講解，使教學內容直觀、生動、形象，有利于學生理解復雜抽象的教學內容，從而突破教學的重點、難點。

例如，基因控制蛋白質的合成這部分知識，是生物教學的重點和難點，將堿基序列轉化成氨基酸序列是遺傳信息表達過程，復雜且抽象，學生往往難以理解和掌握。但利用3D打印出“基因表達模型”，教師利用“基因表達模型”邊演示邊講解，能把遺傳信息的轉錄和翻譯結合在一起的過程直觀地展示出來，將復雜、抽象的問題簡單化、直觀化，使學生很快就理解了基因表達的過程。

3D打印在自制教學模型中的應用

過去，教師在自制教學模型時，盡管有很好的靈感和設計方案，但由于材料及制作工藝的限制，自制的教學模型往往比較簡陋，甚至有時因為材料難找或者造型加工困難而不得不放棄，3D打印技術的出現，使得這一問題迎刃而解。利用3D打印，不僅可以快速打印教學模型，還可以對教學模型進行修改。

目前，學校使用的教學模型存在更新周期慢，不能滿足教學的個性化需求等不足。有了3D打印，可以很好地解決這方面的問題，教師可以根據教學需要，自己設計制作個性化的教學模型，可以對教學模型進行修改，而且教師、學生也可以一起設計、制作教學模型。師生共同制作教學模型，不僅能夠幫助學生加深對重難點知識的理解和掌握，還可以提高學生的學習興趣。

3D打印在學生科技活動中的應用

3D打印機可制造傳統方法難以加工甚至無法加工的復雜構體，打破了傳統制造的局限性。學生只要能把“想象”轉化成三維數據模型，就可以通過3D打印機打印出實物成品，從而縮短了設計“想象”與“實物成品”之間的距離。因此，可以將3D打印機、電腦、各種測試儀器等組建成創客實驗室，在實驗室里，學生可以將自己的“想法”打印出來，使其變為現實。

例如，在設計制作火箭機翼的科技活動時，學生首先通過上網查找、搜集火箭機翼設計的相關資料，學習相關知識，然后自行設計火箭的機翼，用3D打印出機翼等零件后，進行空氣動力學的風動測試，最后對設計的機翼進行修改，直到機翼設計達到預定目標。3D打印極大地拓展了學生的創新思維空間。

3D打印在畢業設計中的應用

3D打印的快速打印功能，可以快速將畢業設計變成實物，極大地方便了畢業設計的效果檢測及修改，提高了設計的效率。過去，由于制造材料、工藝技術的限制，學生的畢業設計轉化成為實物時間很長，修改設計也需要花很長的時間，非常麻煩，現在，我們有了3D打印，就可以快速將設計轉化成為實物，方便了后期對實物產品進行試驗檢測，及時發現問題并對設計進行修改。

例如，在做橋梁設計時，學生利用3D打印機打印出橋梁部件后，通過實物組建橋梁，不僅可以觀察到設計的實際效果，還可以分析檢測橋梁的受力情況，如果發現達不到設計要求，可以及時對設計方案進行修改，直到達到設計要求。

3D打印在教學模型資源庫使用及共享中的應用

3D打印的基礎是建立三維建模，有了三維模型，才可以打印實物。因此，教師在教學應用中，可以分門別類地建立各學科的3D教學模型資源庫，如物理教學模型資源庫、生物教學模型資源庫等，供各學科師生使用。在教學中，教師可以根據教學需要，從教學模型資源庫調取所需的教學模型進行打印，也可以對教學模型資源庫中的教學模型進行修改后打印，還可以將自己設計的新教學模型添加到教學模型資源庫中，供其他教師共享使用。

例如，機械制圖專業可以建立機械制圖的3D模型素材庫，在進行機械設計時，師生可以從3D模型素材庫中調取所需的零件模型，也可以將師生設計的新零件模型添加到模型庫中，供大家共享使用，這樣設計效率大大提高了。另外，對醫學解剖、文物古跡等難以獲取的模型，也可以通過3D掃描儀進行掃描，添加到3D模型資源庫中，供師生共享使用，這樣特殊的、難以獲取的模型也可以在課堂呈現。

3D打印在教學方法改革中的應用

3D打印為教學方法改革提供了良好的條件。將3D打印融合到課程教學中，有利于探究式教學法、任務驅動教學法、項目教學法的實施，有利于學生體會到“做中學”的樂趣，有利于激發學生的學習積極性和創新思維。

例如，在學生學習潛水艇的原理之后，教師可提出“設計制作簡易潛水艇”這一任務。學生根據所學過的知識，分小組上網查找潛水艇的相關資料，設計出制作潛水艇的方案，對設計好的潛水艇方案進行三維建模，利用3D打印機將設計好的潛水艇各個部件打印出來，組裝成潛水艇模型。然后，教師要求學生現場演示、測試潛水艇模型的性能，師生一起對制作的潛水艇模型進行評價，提出修改意見。“制作潛水艇”這一探究式教學實踐，不但激發了學生的學習積極性和創新思維，提高了學生的動手能力，而且促進了教學方法的改革。

結束語

盡管目前3D打印技術還面臨著材料、成本以及三維建模等方面的問題，但隨著3D打印機成本的降低以及學校師生三維建模能力的提高，相信3D打印將會逐漸走進課堂，在培養學生創新能力、提高學生動手能力、促進教學改革等方面發揮重要的作用。

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