3D打印技術在創新實驗教學中的學習活動設計框架研究

白偉偉+方海光+楊志亞+焦寶聰

摘要：3D打印技術的普及和應用，為創新教育提供了新資源、新工具。創新實驗教學作為創新教育的關鍵環節，引入3D打印技術，構造出虛擬實驗室和實體實驗室相結合的教學平臺，能夠促進學生的設計思維和創新能力。本研究首先闡述了創新實驗教學的概念，然后，基于學習理論、“做中學”理論及活動理論，構建出3D打印技術應用在創新實驗教學中學習活動設計的框架。最后，設計并展示了數學實驗正多面體學習活動的教學案例，以驗證其有效性。

關鍵詞：3D打印技術；設計思維；創新能力；創新實驗教學；學習活動

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2016）23-0066-05

引言

在創客運動的大浪潮下，以信息技術為基礎的創新教育，融合了項目學習活動、體驗式教育及DIY理念的思想。3D打印作為創客運動中的重要的一部分，近年在建筑、材料、醫學和教學科研等領域，逐漸引起廣泛關注與研究。尤其是中小學基礎教育領域，3D打印技術為創新實驗教學提供技術支持，優化實驗教學過程。

創新教育是指設計并實施創新的教學活動來提高學生的創新思維，進而實現新的思想和理念、新的發明、新的方式以及新的學說與技術等新事物的教育，是以培養學生的創新思維和動手實踐能力為價值導向的教育模式。培養創新型高級人才，關鍵在于創新教學，其重要環節就是實驗教學創新。

創新實驗教學

實驗教學是指在教師的指導下，學生根據課題規定的任務，使用專門的設備和儀器對研究對象進行操作、控制和模擬，在最有利的條件下對其進行觀察，將抽象思維和具象思維、接受知識與訓練技能相結合，從而獲得經驗事實的一種教學形式。根據文獻調查法得出的結論，本研究將創新實驗教學類型主要分為基本理論類實驗、問題解決類實驗和創新綜合類實驗。本研究從多個維度對創新實驗教學與傳統實驗教學進行比較，其異同點如表1所示。

3D打印技術與設計思維

3D打印技術以數字模型文件為基礎，通過“積層造型法”逐層打印材料層創建實體模型，主要用于原型設計及產品制造。常用的3D設計軟件有SketchUp、AutoCAD、Blender等，亦可通過Kinect、goSCAN等專業的3D掃描設備，獲得物體的三維數據。3D打印常用的材料有：尼龍玻纖、石膏材料、橡膠類，甚至是食物材料等，采用粘合劑為物體上色。

在二維的設計思維模式下，經常出現平面、立面、剖面數據差錯的現象，這實質上是二維的設計工具限制了設計者的思維所致。人腦接收到感官感覺到的直觀形態的信號，經過三維到二維的思維轉化過程，極可能出現偏差。如圖1所示，大腦的思維初始狀態是簡單的、零散的，培養設計思維的最終狀態是達到系統、創新、全面綜合的水平。

教師在培養學生設計思維的過程中，首先應培養學生用立體思維方式進行思考的能力和空間想象能力。3D設計軟件是設計工具的進步，更是對固有思維模式進行重建，它能更好地幫助學生構造空間思維。學生對所設計的物體內部結構進行觀察、體驗、修改，從設計對象中抽取元素，其與之后進行重組的過程是設計思維的關鍵階段，此階段可以幫助學生在抽象與具象思維之間轉換。模型中的所有數據相互關聯，改變其中某一數據值，與其相關的數據會相應變化，簡化了繁重的修改過程。

構建3D打印技術在創新實驗教學中的學習活動設計框架

在3D打印技術支持下的學習活動中，對學生和教師的能力要求，以及活動對資源和工具的要求與傳統課堂均有異同。本研究設計和探索可操作性強的學習活動，為基于3D打印技術的創新實驗教學提供參考和指導。

1.理論基礎

（1）建構主義學習理論。在基于3D打印技術的創新實驗教學中，3D打印機制作的教具使學習情境更接近于真實情境。學生利用3D設計軟件動手操作，自主構建知識的意義，認知過程更完整。

（2）杜威的“做中學”理論。學生利用3D設計技術開展觀察、實驗、探究、設計、操作等學習活動，將抽象的知識打造成實體模型，獲得直接的學習經驗。

（3）活動理論。活動理論的關注單元是一個超出學生個體的“活動系統”。上頁圖2為基于3D打印技術的學習活動系統結構圖，如圖可知活動系統包括主體、客體、共同體、工具、勞動分工和規則6個要素。系統的核心成分為主體、客體和共同體，與另外3個要素共同組成交流子系統、生產子系統、消耗子系統和分配子系統。

2.3D打印技術在創新實驗教學中的學習活動設計的框架

本研究根據學習活動系統中六要素的關系，綜合教學設計的ADDIE模式，構建了3D打印技術在創新實驗教學中的學習活動設計的框架，如圖3所示。在創新實驗教學中，每個階段都離不開結構化、序列化的學習活動。

（1）學習目標分析。教師要對學習目標進行分析，確定特定的學習任務，充分利用3D設計和3D打印技術的優勢，使用3D打印技術支持環境下的實驗教學滿足特定的教學需求。

（2）準備階段。將學習任務按照知識點設計為不同的學習子任務，如理論知識學習、實物考察、3D設計軟件的操作學習、測試題、課堂練習等。在學習共同體及任務分工設計階段，學生和教學組織者師共同組成學習共同體，在實體實驗環境中或虛擬平臺上，教學組織者師會制定制訂學習計劃，安排學習主體進行小組學習或個體學習。此時，教學組織者師會根據學習個體的興趣和特點對其進行學習分工，在學生原有的認知發展水平基礎上建立教學活動。

（3）實施階段。教師首先要對學習主體的初始技能和原有認知結構進行測試，根據測試情況，設計有效的教學內容，選擇合適的媒體工具，以及對媒體工具所具有的技術約束進行調試，確保技術因素不會影響教學效果。制定協作交流規則、使用3D打印技術的操作規范以及評價規則等，然后進行教學過程的設計。

（4）評價階段。教學組織者師對整個學習活動流程進行過程性評價，并依據反饋結果對各學習階段進行修改。

3.3D打印技術在創新實驗教學中的教學流程設計

如下頁圖4所示，教師首先要創設問題情境，將具體的活動任務融入到真實學習的生活情境中，從學生已有知識經驗出發，激發學生探索解決方案的動機，使學生在掌握知識的同時提高設計思維能力。學生基于原有的認知結構，查閱相關資料，進行猜想與假設，設計可行的實驗方案。學習共同體進行評價，并及時反饋與指導。當設計方案可行時，教師在虛擬平臺上進行學習資源的呈現，給學生提供學習支架，對實驗原理進行3D動畫模擬演示，回顧先決性知識。學生按照可操作的實驗方案，利用3D軟件設計實驗的工具和材料。實驗教學的目的不只是讓學生掌握實驗結論，更注重學生探索和解決問題的過程中思維能力的提高。在虛擬平臺上設置了異步討論功能，學生要定期匯報設計的進度，教師也要及時答疑解惑。在討論中，學生要認識到自己設計中出現的錯誤，并加以改正。教學組織者師應積極創設支持學生自主學習和協作學習的條件，這是培養設計思維的有力保證，讓學生進行自主的意義建構。針對不同難易程度的實驗內容，合理安排在虛擬平臺上自主學習的時間。

在實體實驗室進行合作學習時，對于設計階段學生存在的軟件操作功能問題，教師給予技術指導，并且對設計過程進行引導，使其更有利于知識的建構，這對教師掌握3D設計的能力和扎實的學科知識有很高的要求。完成設計作品時，使用3D打印機打印出個性化的實驗工具和材料，3D打印作品的材料、大小不同，消耗的時間就不同。在實驗操作階段，教師在實驗前應重點講解實驗目的及注意事項，輔助學生理解問題。在實驗過程中，教師注重對學生進行點撥和啟迪，讓學生的思維向解決問題的方向思考。教師組織學生利用3D打印出的實驗工具和實驗材料進行實驗，若實驗結果錯誤，反思出現問題的環節，進行迭代設計。若實驗成功，組織小組討論，探索實驗結論。學習共同體圍繞有關的設計內容及問題從不同角度進行點評，提出修改意見。學生在虛擬實驗室中自主學習，再次進行迭代設計，對作品進行完善，撰寫設計報告和實驗報告。教師整理優秀作品，在虛擬平臺上分享教學案例，在實體空間中展示3D打印作品，組織參觀與展覽。

3D打印技術在創新實驗教學的案例應用

本案例基于高中數學實驗課程，旨在利用3DOne軟件探究正多面體的種類及特征。3DOne軟件是一款適合于中小學生創意設計的3D建模設計軟件，操作簡單，功能豐富。在學生已掌握了正多面體概念（每個面都是有相同邊數的正多邊形，每個頂點為端點都有相同棱數的凸多面體。）的前提下順利開展了打印活動。歐拉多面體公式為：V（頂點數）+F（面數）-E（棱數）=2。根據以上學習活動設計框架，探究正多面體的種類及特征的學習活動設計過程，如上頁表2所示。學生在學習活動結束后，對立體幾何的內部空間構造以及立體圖形的頂點、棱、面等元素的關系認識更清晰，立體空間思維得到提升。

總結

本研究對3D打印技術在創新實驗教學中的學習活動進行設計，為創新實驗教學中使用3D打印技術的學習活動提供了參考模型，在一定程度上提高了學生的設計思維和動手操作能力。本研究的后續研究方向是探討如何建設特色課程內容，需要精準了解學生在基于3D打印技術支持下的創新實驗中的學習需求，對3D打印技術應用在創新實驗教學中設計模型的大數據的收集和分析，如學生個體及學生總體的3D設計模型、3D打印記錄，以及網上現存的3D模型，掌握學生設計思維學習過程中的特征。目的是為了定位困難學生群體、影響學生學習的因素，設計更好的創新實驗的教學方法，以期能夠為大數據背景下的信息技術與課程整合提供更多實踐性參考。