3D打印在中小學課堂中的應用

徐平

摘 要：互聯網技術是人類社會第三次科技革命的主力軍，傳統打印技術正在經歷前所未有的變化，3D打印技術逐漸盛行，這無疑會推動打印行業的進步。教育行業作為傳統打印技術的主要服務對象之一，也在試圖尋找合適的發展道路，將3D打印技術與教育深入結合，可以提高學生的動手能力、創新精神和匠人精神。

關鍵詞：3D打印技術；中小學教育；創新教育

3D打印（3D printing）技術是一種快速成形技術，其基礎是數字化模型，利用粉末狀金屬、塑料等逐層打印來構造真實物體[1]。縱觀全球，對于技術應用的重視程度越來越高，數字技術已成為全球公民素養的基本要求。美國2015年頒布的《新媒體聯盟地平線報告——（2015基礎教育版）》中提到，美國將大力開展3D打印課程[2]。同時，英國也在積極推進3D打印技術進校園活動。在我國，李克強總理在2015年政府工作報告當中提到要培養“工匠精神”，著名教育家聶圣哲先生提出一流工匠要從青少年培養。3D打印技術在教育當中的運用將創意轉化成現實，能夠將“教”“學”“做”合一，這對培養具備“工匠精神”的創客人才具有深遠意義。

一、3D打印的原理和發展現狀

（一）原理

從技術角度揭示3D打印技術，該技術主要是利用三維數字的方式構建出立體的物理對象，最終完成快速成像。3D打印的深層原理是通過電子文件將要打印的實體模型或者原型樣品進行建模，再將其擠壓處理，通過機器生成沉淀物，逐層構建物體。[3]

如果需要補充物體的活動部件、細節部分，則只需要混合不同的材料、顏色和黏合劑達到理想的效果，例如利用樹脂、薄紙等材料，通過3D打印技術完美呈現物體的動態與細節。

總體而言，3D打印可以分為四個步驟：建模、分層、切割打印和成型。第一階段，建模。掃描所要打印的物體，得到其三維數據。建模的軟件主要有Autodesk 123D Design、MAYA、Sketchup、UG、ZBRUSH、MESHLAB、CURA等。Autodesk 123D Design和Sketchup因使用免費，操作簡單方便，所以傳播廣、應用多。第二階段，分層。在分層階段，打印機對先前得到的三維數據進行描述和分析，然后分層。第三階段，切割打印。根據之前獲取的橫截面信息進行切割打印。第四階段，成型。以不同方式將各層的截面粘合起來，最終得到實物。

（二）發展現狀

1991年，美國麻省理工學院申報三維打印專利，這一重大事件標志著3D 打印技術的正式確立。現在國外如Thingiverse這樣的公司為顧客提供免費并且含有數字設計的資源庫，使用者可以下載數字設計信息并自主創造打印對象。[4]

3D打印機可分為工業打印機和桌面打印機。工業3D打印在精確度和質量上體現出較高的水準；桌面打印因其便捷性被一般用戶所接受，當前，中小學一般使用的是桌面3D打印機。目前Maker Bot 3D桌面打印機使用廣泛，它可以創建各種對象，包括家具、玩具、動物模型、機器人等。它價格實惠，是第一款專為消費者使用的3D打印機[5]。3D打印技術具有神奇的吸引力，不但能夠復制，而且可以通過想象進行原創，因此在基礎教育基于項目的學習當中應用廣泛。[6]

二、3D打印技術的教育創新分析

（一）在教育中的應用所體現的教育理論

1.“從做中學”理論

通過3D打印這一技術，學生真正實現了杜威口中的“從做中學”，即在真實的情景之下進行操作練習，獲得科學知識。在這樣的學習活動系統中，學生以3D建模軟件和3D打印機作為新型的學習工具，教師充分發揮其指導者和協作者的作用。學生通過觀察等方式，獲得目標物體的數據信息，再用3D打印機創作出模型樣品，體現出DIY的本質屬性，同時又會學習和吸收新的知識，因此，3D打印將“教”“學”“做”三者合一。

2.“經驗之塔”理論

美國教育專家戴爾提出了“經驗之塔”理論。他將人的學習經驗分為三類，即做、觀察和抽象的經驗。3D打印技術本身就是一個將想象轉化為實體的過程，從建模、分層，到切割打印，都用到了做、觀察和抽象的經驗。在課堂上，教師通過展示由3D打印技術生成的教具，讓學生以更加直觀的形式汲取知識。3D打印改變了傳統的教學方式，進一步為學生的想象力插上了翅膀，讓學生同時獲得了做的經驗、觀察的經驗和抽象的經驗。

（二）3D打印技術在項目學習中的創新應用

美國的3D打印項目學習由來已久。以明尼蘇達星站（STARBASE Minnesota）項目為例，1993年，美國天文學領域的明尼蘇達星站項目開始實行，它是美國國防部組織的項目，教授學生航空航天主題短期課程。該項目主要讓學生探索火星的模擬任務設計和建設火箭模型，3D打印技術在建設火箭模型方面起到重要作用。其教學過程如下：掌握航空航天的基礎知識以及火箭方面的相關知識、收集火箭相關數據、學習火箭模型設計、通過3D打印機制作模型組件、試驗飛行、標注火箭飛行路徑、分析結果、與指導該項目的工程師研討方案對飛行路徑的影響。在這一項目中，3D打印的作用如下：第一，快速生成模型，減少成本和時間；第二，提供真實的情境學習環境，避免枯燥的傳統授課形式，激發學生的好奇心和學習興趣。

在澳大利亞，達爾文高中在商業方面所進行的項目學習中，學生通過3D打印技術實現了相關產品快速成型的想法，并學會如何運作這些產品。在世界各國，除了這些項目以外，還有Fab@school項目、X城市項目等。

中國的3D打印課程發展也很迅速。在山東膠州，有10多所中小學開設了3D打印課程；南京市秦淮區馬府街小學試點3D打印創新課；上海協和國際學校的學生使用三維技術掃描小行星灶神星圖像，設計創造其微縮的模型來探索小行星。

2012年9月，上海市閘北區和田路小學開設3D打印校本課程，具體課程實施分為五個階段：案例學習階段、拍照創建階段、實物構建階段、想象構建階段和虛實創造階段。相應的虛實維度為：虛擬模仿、二維到虛擬、三維到虛擬、想象到虛擬、從想象和虛擬到實物形成。在案例學習階段，學習內容是掌握相關軟件工具的使用方法，形成抽象的空間思維；在拍照創建階段，通過拍攝具體的實物，創建虛擬模型；實物構建階段是通過觀察，構建虛擬模型；想象構建階段則是通過引導相關主題，讓學生想象所要搭建的物體；虛實創造階段是通過想象，用3D打印機創造具體的實物。[7]

這些項目讓學生學會了某一個或者幾個領域的專業知識，使其置于某一情境下學習并解決實際問題并充分發揮想象力。從設計建模到3D打印再到產品成型，都有專業的教育者對學生進行指導、協助。

（三）3D打印技術在學科教學中的創新應用

觀察和創設是3D打印在教學中的兩種實踐形式。觀察，顧名思義，就是教師通過展示教具的方式向學生依次呈現該項頂端技術，而學生通過觀察掌握知識或者發現技術運行的規律。創設則是一種實踐教學，教師引導學生使用3D打印技術，學生自主建立模型，最終完成對該技術的全面認識。在創設類型的課堂教學中，一般分為發現、解釋、構思、實驗和改進五個環節。通過提供觀察和構建兩種技術，可以讓學生體驗真實的學習空間，解決實際有效的問題，增加直接的學習經驗。學生在此過程中獲取知識，探究事物的本質和規律，獲得創新能力、創造能力，形成創新人格，拓展視野，提高科學素養，發展綜合能力。

窺探國外3D技術在教育中的應用情況，英國教育相關部門在2012年10月至2013年9月期間，共建立了21所試點學校進行3D打印技術試驗項目。采用的推廣試點方式是在STEM課程中融入3D打印技術，從長遠角度看，這也是為英國的經濟復蘇和人才儲備做準備[8]。經過一段時間的探索和發展，藝術類人文教育課程也被選入STEM課程，以增加其課程的豐富性與全面性。

除了英國，美國幾乎所有的學校都配備了3D打印機。在文學課上，學生也可以從3D打印中受益，可以更深層次地挖掘一些概念。在緬因州的Mt. Blue高中，學生使用3D打印機創建一個藝術裝置，以展示他們對繪圖小說《守望者》形象的理解。[9]

3D打印技術在學科教學中的創新應用極為廣泛，筆者通過梳理3D打印與學科教學的融合情況，整理成表1。

3D打印技術在中小學教學中用途多樣，既能用于制作立體的教具和學具，又能輔助學生創設教學情境以及展示學習成果。此外，還增添了課堂交互活動以及學生之間的協作學習，充分發揮教師咨詢者、引導者和學生學習動機激發者的角色，培養學生的探究精神和協作能力。

三、對3D打印在中小學教育中應用的思考

（一）3D打印技術的教育意義

3D打印課程可以提高學生的創造思維能力、創新精神以及動手能力。針對中小學生的年齡特點，3D打印在教育領域的應用給學生提供了“做中學”的體驗，在這樣的學習環境中，學生的學習熱情較傳統學習方式更加高漲。同時，3D打印提倡的是創新教育，能夠讓無數的思想火花相互碰撞，從而產生新觀點，創造新的知識，培養出具有創新意識的人才，為將來國家的發展儲備具有創造力的新人。

3D打印技術能夠促進學生掌握數字技能。時代發展對教育提出了新的要求，數字技能是21世紀的必備技能。3D打印技術既需要學生的想象力、動手能力，還需要學生掌握數字技能，有助于學生在以后的學習與工作當中將數字技能轉化為“數字紅利”，這對適應21世紀的挑戰大有裨益。

此外，傳統的教學方式難以準確地評價學生的學習效果，3D打印課程滿足學生個性化的學習需求，可以及時獲取學生的學習成果，從而適時調整教學方案，與學生的學情密切結合。

（二）3D打印在教育實踐中的問題與建議

3D打印技術正處于新興發展階段，還沒有進入市場成熟時期。在教學實踐中，3D打印技術也存在諸多問題。

1.3D打印在學校的應用與普及

目前，大部分的3D打印機價格相對較貴。價格不貴的打印機功能有限，只能制作基本的、簡單的教具。雖然有政府以及社會企業發起的項目的支持，但3D打印機大多在發達國家或地區才會配備。

發達國家以法規、條例等形式號召全社會重視科學技術在教育中的應用。美國新媒體聯盟的地平線報告每年發布一次，總結和規劃當前和未來新媒體在教育領域的應用。另外，美國還有諸多與教育技術有關的組織、協會等，它們都在推進新技術在教育領域的應用和推廣。

2.對教師的要求

3D打印在教育領域的應用具有跨學科性質，既需要教育者具備專業的計算機知識，又要有課程開發能力，還要求有專業的學科知識和教學能力。因此，3D打印技術與教育的結合對教師的要求極為嚴格。目前一些學校雖然具備3D打印設備，但是不少學校閑置不用，究其原因，是會使用新技術的教師太少。

基于教師在3D打印應用中的特殊作用，教師應提高自身的教學素養和技術水平。第一，教師要樹立創客理念。教師應具有創新意識和創新精神。在基于項目的教學中，只有教師作為指導者與協作者，指導學生學習3D打印和相關課程，學生才能充分發揮自主能動作用。教師的引導作用不僅需要教師具有扎實的專業知識，還要具備創客的理念，具備將創意轉化為現實、“教”“學”“做”合一、分享合作、學科交叉、懂得運用科學技術的觀念。第二，教師要參加關于3D打印的教師培訓。學校要保證教師掌握3D打印的知識，包括3D打印機的使用、懂得建模軟件和再加工等技術。第三，教師要成為探究型教師，自主開發和應用新的教學設計，甚至開發校本課程，引導學生進行項目學習。教師需要更新傳統的教學思想，摒棄以應試為目的的教學觀念，做學生學習道路上真正的引路人。

3.3D打印與教育的融合形式

中國的3D打印技術與教育的融合形式多以學科教學或者校本課程的方式出現，雖然也有基于項目的3D打印技術與教育的融合，但是像美國“明尼蘇達星站”這樣的項目學習機會十分匱乏。除此之外，學校可以開發多種形式，如開設3D打印的選修課，傳播3D打印技術；在學校內組建創客小團隊、開展競賽、夏令營等活動；在學校圖書館設立創客空間，供學生學習和研究基于3D打印、DIY等技術的創新活動等，培養學生的創新精神和匠人精神。

四、結語

隨著科學技術與教育領域的緊密結合，新的技術不斷顛覆傳統的教育方式，3D打印技術前景廣闊，相關機構預測它是一項革命性技術，將引領一個革命性時代的到來[10]。3D打印技術與教育的融合不僅可以推動教育事業的發展，也可以推動3D打印相關產業的發展。政府積極倡導創新創業，高新技術產業迅猛發展，越來越多的企業投入到3D打印行業。隨著技術的更新，3D打印機的功能會隨之增加，價格隨之下降，3D打印技術將會走進更多的中小學校園。不管是將技術與學科教育融合，還是基于項目的學習，提升3D打印技術在教育領域的價值，培養未來各行各業的“工匠”，都是必然的教育發展趨勢。

參考文獻：

[1][2]李青，王青.3D打印：一種新興的學習技術[J]. 遠程教育雜志，2013（4）：29-35.

[3]What is 3D Printing[EB/OL].http：//3dprinting.com/what-is-3d-printing/，2016-03-20.

[4][6]Johnson， L.， Adams Becker， S.， Estrada， V.， and Freeman， A.（2015）. NMC Horizon Report： 2015 K-12 Edition[J].Austin， Texas：The New Media Consortium.

[5]3D Printing in Classroom[EB/OL]. http：//www.makerbot.com/，2016-03-20.

[7]黎加厚，楊曉哲，楊高云.三維打印技術的發展對教育的啟迪[J]. 中國醫學教育技術，2013（1）：1-5.

[8]Department for Education. National Curriculum in England： Science Programmes of Study[EB/OL].https：//www.gov.uk/government/publications/national-curriculum-in-england-science-programmes-of-study，2016-03-20.

[9]3D Printing Becomes Accessible for High School Teachers[EB/OL].http：//www.usnews.com/education/blogs/high-school-notes/2014/07/21/3-d-printing-becomes-accessible-for-highschool-teachers，2016-03-21.

[10]楊潔，劉瑞儒，霍惠芳.3D 打印在教育中的創新應用[J].中國醫學教育技術，2014（1）：10-12.

[11]童宇陽.3D 打印技術在中小學教學中的應用研究[J].現代教育技術，2013（12）：16-19.

編輯 朱婷婷 校對 許方舟