3D打印技術(shù)在中小學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

羅華明+郭龍+金開龍+鄭云+楊珊+楊景

摘 要：3D打印技術(shù)在各個行業(yè)都有較大的應(yīng)用空間，在教育行業(yè)可將3D打印技術(shù)與中小學(xué)教學(xué)相結(jié)合并應(yīng)用于實踐，使之成為教師教學(xué)中重要的輔助工具，幫助學(xué)校培養(yǎng)創(chuàng)新型人才。該技術(shù)既可以有力地解決當(dāng)下的教學(xué)問題——教學(xué)質(zhì)量不高和不注重能力發(fā)展等問題，也可以將創(chuàng)客教育的核心內(nèi)容和STEAM課程與素質(zhì)教育有機結(jié)合起來，幫助學(xué)生更好地學(xué)習(xí)。創(chuàng)客教育與素質(zhì)教育的結(jié)合不僅會讓學(xué)生們更好地體驗到素質(zhì)教育的意義，還可以提高學(xué)生的創(chuàng)新意識。同時開展的STEAM課程可以輔助學(xué)生更好地發(fā)揮自己的創(chuàng)造能力。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù)；中小學(xué)教學(xué)；創(chuàng)客教育；STEAM課程

中圖分類號：TP39；TM131；G434 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）11-0-03

0 引 言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展以及社會的需要，3D打印技術(shù)在各行各業(yè)中越來越凸顯出巨大的作用和便捷性。因此，3D打印技術(shù)和中小學(xué)教學(xué)相結(jié)合不僅是社會教育和學(xué)校教育發(fā)展的需要，也是一個國家富強的需要，更是當(dāng)代教育的需要。社會的發(fā)展明確了中小學(xué)教學(xué)改革的努力方向，與此同時，應(yīng)用3D打印技術(shù)可以加快促進(jìn)傳統(tǒng)應(yīng)試教學(xué)過渡到素質(zhì)教學(xué)。而相對于其他行業(yè)，3D打印技術(shù)在教育教學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用較少，所以將3D打印技術(shù)、創(chuàng)客教育的核心理念、STEAM課程與素質(zhì)教育相結(jié)合，并應(yīng)用于中小學(xué)教學(xué)具有十分重要的意義。目前，雖然我國大部分學(xué)校都提倡素質(zhì)教育，但在教育和教學(xué)中還存在著許多問題。譬如課堂氛圍活躍度欠缺、學(xué)生經(jīng)常感覺教學(xué)枯燥無味、教學(xué)質(zhì)量不高、學(xué)生的空間想象力缺乏以及學(xué)生的創(chuàng)造能力難以得到提高等。這些都是中小學(xué)教學(xué)中亟待解決的問題，而創(chuàng)客教育教學(xué)和STEAM課程及教學(xué)方法的創(chuàng)新應(yīng)用就是解決這些問題的方法。

1 3D打印技術(shù)原理

3D打印技術(shù)可以將構(gòu)想通過電腦轉(zhuǎn)換成X、Y、Z軸可控制的立體建模。步驟如下：

（1）構(gòu)想出所需模型，在特殊3D建模軟件上畫出此模型；

（2）構(gòu)建三維圖形，每層通過數(shù)據(jù)劃分形成3D打印機能識別的數(shù)據(jù)，通過內(nèi)存條輸入3D打印機，3D打印機對每層數(shù)據(jù)進(jìn)行識別并打印；

（3）逐步形成所建模的圖形。

根據(jù)打印材料的不同， 3D打印機分為三種，即特殊液體通過激光束的光固化3D打印機；可熱熔塑料通過熱熔噴出的3D打印機；在生物方面可將生物細(xì)胞通過特殊噴口的生物3D打印機。

根據(jù)型號的不同，3D打印機可分為五種，即噴墨黏粉式（3DP）打印機；立體光固化成型（SLA）打印機；選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（SLS）打印機；生物分子（BIO）打印機；熔融沉積成型（FDM）打印機。而在教學(xué)中的最優(yōu)選擇是熔融沉積成型的3D打印機。3D打印機類型如圖1所示。

2 創(chuàng)客教育

“創(chuàng)客”有狹義和廣義之分：狹義的創(chuàng)客是喜愛科學(xué)、在實踐中成長、樂于分享、全心全意地讓創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)通過自己的努力變成現(xiàn)實的人；廣義的創(chuàng)客是指有推陳出新的創(chuàng)新思想，并能將之用于實際、做出改變的人。創(chuàng)客的指導(dǎo)思想是 “大眾創(chuàng)業(yè)，萬眾創(chuàng)新”，其重要的生命支柱是將創(chuàng)新應(yīng)用于理論實踐和創(chuàng)客之間的分享。

將創(chuàng)客的創(chuàng)新力量帶入到學(xué)校教育教學(xué)中，廣義的創(chuàng)客教育應(yīng)是全體人民的創(chuàng)新教育；狹義的創(chuàng)客教育是培養(yǎng)全能素質(zhì)學(xué)生的教育。

創(chuàng)客教育在課程設(shè)置上有其獨特性。從分享、交流到合作，不只是從形式上進(jìn)行，同時也重視素質(zhì)創(chuàng)新方面和科技手段的融合，一步步開辟出融合新思想、跨學(xué)科培養(yǎng)的不同路徑。

3 STEAM課程

STEAM課程是傳統(tǒng)應(yīng)試教學(xué)理念到素質(zhì)全能性教學(xué)的徹底轉(zhuǎn)型，其核心是注重學(xué)生學(xué)習(xí)發(fā)展過程中的情況，不同于應(yīng)試教育中只看學(xué)生成績的現(xiàn)象。從根源上講， STEAM課程不怕學(xué)生在實踐中犯錯，而是讓學(xué)生在犯錯中不斷總結(jié)經(jīng)驗、不斷進(jìn)步，引導(dǎo)學(xué)生將自己的經(jīng)歷轉(zhuǎn)化成自己的想法、從自己聽到和看到的內(nèi)容中得出經(jīng)驗，即培養(yǎng)學(xué)生能夠?qū)⒗碚搼?yīng)用于現(xiàn)實的能力。STEAM教育不再只是將學(xué)生封閉在教室里上課，而是在充滿教育教學(xué)新科技產(chǎn)品的科技屋里，和大家創(chuàng)造原型產(chǎn)品，這樣，STEAM課程才有獨立創(chuàng)造的可能性。

STEAM課程重視學(xué)生學(xué)習(xí)和現(xiàn)實生活的關(guān)系聯(lián)絡(luò)，看重學(xué)生在教師引導(dǎo)下自主學(xué)習(xí)的過程而非應(yīng)試結(jié)果。

具體地說，STEAM課程講的是重視結(jié)果的教育教學(xué)模式，即教師引導(dǎo)學(xué)生通過實踐操作，去了解、學(xué)習(xí)和完成自己想要完成的項目。因此要求學(xué)生學(xué)習(xí)每個科目及跨科目的課內(nèi)外知識，在教育教學(xué)中創(chuàng)新應(yīng)用STEAM教育思想核心，讓學(xué)生在學(xué)科界限上有所改變，既接近藝術(shù)的美麗，也承認(rèn)并理解構(gòu)想、改良、操作與創(chuàng)造，并且能用3D打印機打印出自己建模的產(chǎn)品，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。

STEAM課程與3D打印的關(guān)系示意如圖2所示。

4 3D打印技術(shù)在中小學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用方向

4.1 在學(xué)科教學(xué)中的應(yīng)用

4.1.1 在傳統(tǒng)學(xué)科教學(xué)中的應(yīng)用

3D打印技術(shù)將課本中抽象化的圖形或相關(guān)知識以及虛擬的形象具體地展示出來，便于學(xué)生理解、吸收。一方面，這既是時代的選擇，也是教育智能化的發(fā)展趨勢；另一方面，此舉既能增強中小學(xué)生的創(chuàng)造性和學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的立體思維能力，也能提高教師課堂教學(xué)的表現(xiàn)力。

就文科類學(xué)科而言，把課文中的人物或重要物體打印出來，使之成為教學(xué)教具，既可以讓學(xué)生在學(xué)習(xí)時有更多直觀的理解，又可以為理解所要展現(xiàn)的故事情節(jié)提供新思路。在理科類學(xué)科中，則需要建模之后才能把立體模型打印出來，這個過程能夠讓學(xué)生熟悉更多的建模軟件。同時對于需要將平面幾何立體化和一些難于進(jìn)行空間想象的圖形，協(xié)助學(xué)生理解平面圖形的畫法和空間圖形的結(jié)構(gòu)，讓學(xué)生更加清楚地了解構(gòu)造過程。

4.1.2 在校本課程等創(chuàng)新課程中的應(yīng)用endprint

此項應(yīng)用在于補充傳統(tǒng)教學(xué)中無法顧及的教學(xué)缺陷。3D打印技術(shù)在校本課程中的應(yīng)用是一個新事物，為學(xué)生發(fā)展開拓了新的途徑，不僅促進(jìn)了學(xué)生在創(chuàng)新方面有深層次的初步理解，也促進(jìn)了學(xué)生從分開學(xué)習(xí)到合作式學(xué)習(xí)的方式轉(zhuǎn)變。

4.2 在促進(jìn)學(xué)生知識能力方面的應(yīng)用

在中小學(xué)教學(xué)中，3D打印技術(shù)在促進(jìn)學(xué)生知識能力方面的應(yīng)用主要是培養(yǎng)學(xué)生的感知能力。在教學(xué)中可以把一些比較抽象、復(fù)雜的“知識”設(shè)計成具體的模型。呈現(xiàn)出清晰直觀的視覺效果，讓學(xué)生通過視覺感官感受實際物體，激發(fā)學(xué)生的求知欲。

在中小學(xué)的教學(xué)中引入3D打印技術(shù)后，可根據(jù)教學(xué)內(nèi)容的需要設(shè)計出不同難度的實物教具來幫助學(xué)生學(xué)習(xí)相應(yīng)的知識。

4.3 在激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造思維方面的應(yīng)用

現(xiàn)如今，我國提倡培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，所以在教學(xué)中要深入挖掘并培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造能力，這就要求教師提供一些教具進(jìn)行引導(dǎo)。在制作模具過程中，學(xué)生可以參與圖形建模、設(shè)計立體的三維圖形。在設(shè)計過程中，教師可以潛移默化地培養(yǎng)學(xué)生的空間想象力和設(shè)計創(chuàng)造力，這是3D打印技術(shù)最明顯的優(yōu)勢。當(dāng)教師根據(jù)教學(xué)內(nèi)容把制作的實物教具呈現(xiàn)在學(xué)生面前時，還可以激發(fā)學(xué)生的求知欲，具有一石二鳥的效果。

5 3D 打印技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)的優(yōu)勢

5.1 有利于提高可視化教具的使用效果

如今的教學(xué)提倡可視化，3D打印技術(shù)在可視化教學(xué)中有幾個比較突出的優(yōu)點：

（1）讓學(xué)生自己先構(gòu)造出思維圖形；

（2）教師引導(dǎo)學(xué)生思考并呈現(xiàn)所需的可視化教具，以幫助學(xué)生理解未知的抽象事物；

（3）對于中小學(xué)學(xué)生來說，通過3D打印技術(shù)呈現(xiàn)出抽象復(fù)雜的圖形“模具”，幫助學(xué)生理解和掌握相應(yīng)的幾何知識。

3D打印技術(shù)應(yīng)用于中小學(xué)教學(xué)，不僅可以成為教師的得力助手，提高教學(xué)質(zhì)量，還可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力。

5.2 有利于創(chuàng)造新穎的教學(xué)內(nèi)容

3D打印技術(shù)不僅可以成為教師的教學(xué)助手，還可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。教師通過設(shè)計更有創(chuàng)意的教學(xué)內(nèi)容來吸引學(xué)生。傳統(tǒng)的教學(xué)大多都是按部就班，沒有太大的吸引力。

因此，可以利用3D打印技術(shù)給學(xué)生創(chuàng)造新穎的教學(xué)內(nèi)容，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；創(chuàng)造優(yōu)良的學(xué)習(xí)環(huán)境，便于教師在教學(xué)過程中為學(xué)生提供廣闊的視野和思路。

5.3 有利于營造愉快的學(xué)習(xí)氛圍和學(xué)習(xí)體驗

由于現(xiàn)階段的學(xué)習(xí)氛圍和學(xué)習(xí)體驗大多比較枯燥無味，因此目前的教學(xué)質(zhì)量普遍不太理想，導(dǎo)致學(xué)生在聽課伊始能集中注意力，但過一陣后就會覺得枯燥無味，沒有繼續(xù)認(rèn)真聽講的動力。久而久之，課堂氛圍就會變得死氣沉沉，使學(xué)生感到壓抑，失去學(xué)習(xí)的激情。

加入3D打印的課堂不同于普通課堂，教學(xué)時，教師可以用3D打印技術(shù)為學(xué)生制造并展現(xiàn)出諸多教學(xué)知識所包含的“實物”，既可以幫助學(xué)生理解掌握知識，還可以活躍課堂氣氛，為學(xué)生創(chuàng)造愉快的學(xué)習(xí)氛圍和學(xué)習(xí)體驗，從而提高教學(xué)質(zhì)量。

6 結(jié) 語

現(xiàn)階段的教育教學(xué)強調(diào)培養(yǎng)創(chuàng)新型高素質(zhì)人才，而3D打印技術(shù)正是培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的有效途徑之一。通過把3D打印技術(shù)、創(chuàng)客教育的核心內(nèi)容以及STEAM課程有機結(jié)合到教育教學(xué)中，教師能根據(jù)自己所教的內(nèi)容制作出不同難度、不同類型的教學(xué)輔助工具，同時也讓學(xué)生更直觀地接觸到諸多難以進(jìn)行空間想象的圖形。這樣，一方面有助于教師的教學(xué)，另一方面培養(yǎng)了學(xué)生的感知能力和空間想象能力。此外，3D打印技術(shù)也為教學(xué)帶來了很多優(yōu)勢，既有利于促進(jìn)直觀性教具的理解和使用、創(chuàng)造新穎的教學(xué)內(nèi)容，也有利于營造愉快的學(xué)習(xí)氛圍和學(xué)習(xí)體驗。

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