面向創客培養的3D打印教育應用研究

劉亞娟

(長春師范大學教育學院，吉林長春 130032)

教育部印發的《基礎教育課程改革綱要》提出，要加強課程內容與學生生活以及現代社會和科技發展的聯系，倡導學生主動參與、樂于探究、勤于動手，培養學生分析和解決問題的能力以及交流與合作的能力。《國家增材制造產業發展推進計劃(2015—2016年)》指出，組織實施學校增材制造技術普及工程。在學校配置增材制造設備及教學軟件，開設增材制造知識的教育培訓課程，培養學生創新設計的興趣、愛好、意識，在具備條件的企業設立增材制造實習基地，鼓勵開展教學實踐[1]。3D打印對于教育領域的重要價值之一，在于它能夠創造對事物更真實可靠的探索機會，無論對于高等教育還是基礎教育，它都將是探索科學和藝術的絕妙入口。國家大力倡導培養學生的動手實踐能力，鼓勵學校和企業開展3D打印教育研究與培訓。在信息技術急速發展的時代，中小學越來越重視學生的編程設計能力，3D打印可以現場輸出學生的設計成果。現在很多中小學校已經引進3D打印設備，開展相關課程或社團活動。3D打印與教育的結合將有助于培養學生的創新能力，為培養未來的人工智能人才的打下良好基礎。

1 創客教育與3D打印的內在聯系

1.1 創客教育的內涵

2017年《地平線報告》(基礎教育版)聚焦基礎教育應用的六項重要技術進展，排在首位的就是“創客空間”。創客教育有別于傳統的以書本為主的教育方式，其立足創新、創造和教育三個維度，有效利用數字化工具，通過創造有形的作品，使學生成為“教育創客”。創客教育提倡體驗式學習，與科學、藝術等各基礎學科緊密融合，通過鮮活生動的實例培養學生的想象力和創造力，使其形成基于創造的學習。

1.2 3D打印與創客教育的有機融合

3D打印技術是一種以數字模型文件為基礎，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造物體的技術[2]。3D打印包括兩個階段：第一步，設計建模階段。利用三維建模軟件如3Done等進行結構設計。如果是生活中已有的模型，如打印人物等，可以通過三維掃描設備掃描建模；第二步，逐層打印階段。根據已有模型，逐層打印，疊加后形成一個立體的模型。

3D打印實現了學生思維的形象化，通過設計作品、打印作品，使學生在實踐過程中的體驗經歷更加豐富，成功的滿足感更強，促使學生更加熱愛學習，培養學生積極思考問題和探索世界的能力，使其成為有思想、有創意的實踐者，整個設計和實踐的過程對學生智力和美育的發展起到重要作用。

隨著“互聯網+創客”時代的到來，3D打印技術已經成為創客教育的典型代表之一。目前3D打印技術已被寫入新修訂的高中信息技術課中，3D打印成為中小學信息技術課內容的重要組成部分。

2 3D打印應用于教育的理論基礎

2.1 經驗之塔理論

美國視聽教育家戴爾提出的“經驗之塔”理論是研究教學過程中媒體使用效果的理論。該理論認為寶塔最底層的經驗最具體，隨著寶塔上升逐步抽象。3D打印作為一種媒體手段參與教學，對教學中的某些抽象概念或科學過程進行可視化展現，使隱性知識顯性化。學生親自參與設計、打印，這個過程就是積累具體經驗的過程，學生在打印之后進行小組內的互相觀察、討論，理解具體事物的抽象表現形式，在實踐中獲得學習經驗，體驗抽象和具體相互轉化的過程。

2.2 活動理論

活動理論認為，人類認識的起點和心理發展的過程基于人的主體活動，活動是作為主體的人與外界環境交互作用的過程。活動具有多種類型和多種層次，對人的存在和發展有多種影響，因此在教育過程中應該對學生的學習活動予以關注[3]。

活動理論倡導教育關注學生的學習活動。3D打印以任務為驅動，以解決問題為目標，以學生為主體；在設計和打印過程中，與機器進行交互，與學生進行交流，通過這種活動的完成促進學生智能的發展。

3 3D打印技術在教育中應用的作用

3.1 培養空間想象力，為后續立體知識學習奠定基礎

從最初的平面設計到三維空間設計，學生的立體感增強，空間想象力更豐富，為將來學習立體幾何等知識打下良好基礎。學生通過3D設計和打印,將自己獨特的想法轉換為現實的存在，獲得更大的學習參與感和成就感。

3.2 培養實踐能力和團隊協作能力

從最初設計到最終打印，學生需要全程參與。在一些小組合作學習項目上，學生通過組內互相討論交流，形成設計初稿，經過逐步商討修改，最終完成學習任務。這一過程將明顯提高學生的實踐操作能力和與同伴溝通交流的能力。

3.3 培養學生的創新能力

在實踐活動過程中，利用3D打印等先進信息技術，將學生具有創造性價值的個性化想法變為現實。這種學習體驗將大大地促進學生想象力的發展，使思維能力和創新能力逐步得到提升，對國家創新型人才的培養具有積極的意義。

4 3D打印與中小學課程的有機結合

中小學校應通過開設選修課或者社團活動來普及3D打印技術。在課堂上簡要介紹3D打印技術及軟件基本操作，選擇一些適合學生并且和其他課程息息相關的模型進行講解，在學生已有知識的基礎上進行設計創作，對知識進行重新梳理。

4.1 理科學科

理科主要包括數學、物理、化學和生物等學科。數學學科中涉及立體幾何部分，教師可以設計特殊的幾何型體并打印出來，幫助學生理解三維空間幾何結構。數學函數部分可以讓學生利用軟件進行描述建模，將藝術的美感與數學充分結合，同時引發學生的創新思維。在物理課堂中可以打印不常見的實驗器材，這樣能夠避免沒有器材演示時的枯燥講解。生物知識課堂上，可以讓學生自己搭建DNA螺旋模型，深刻體會螺旋模型的結構含義。講解到人體器官時，還可以通過3D打印還原身體各器官的組織結構，幫助學生從細節上進行觀察和理解。科學學科主要包括物理、生物等學科的綜合內容，涉及比較初級的各科基礎知識。比如科學實驗中可能會用到一些特殊形狀的容器，教師可以提前設計打印用作實驗器材。教師還可以帶領學生查找網絡已有的3D建模素材源文件，讓學生跟隨教師一同參與打印過程。學生通過觀摩與協助教師構建打印模型，在科學課學習中營造體驗式的學習空間，獲得更加直接的學習體驗[4]。

4.2 文科學科

在英語學科教學中，可將涉及異國他鄉的代表性建筑物等打印出來，讓學生通過觀察比較建筑的不同風格來深刻理解異國文化。在歷史學科教學中，用3D打印機重現有考古意義的古代器物,幫助學生理解歷史真相。在地理學科教學中，重現被地震破壞的山形地貌，讓學生更直觀地分析地形及該區域的地理特點及人文知識。

4.3 美術、信息技術等學科

美術素描課中需要一些特殊形狀的幾何型體，教師自己設計打印，讓學生接觸更多類型的幾何模型，提高設計的創新性。信息技術學科教師安排學生根據想象設計搭建生活中不常見的模型，也可以對現實生活中的形象進行個性再創造。這一過程充分鍛煉了學生的動手設計能力，反復修改設計文件后進行作品打印，最后進行小組或班級展示，極大地提高學生的設計創造能力和自我滿足感。

5 3D打印應用于教育的建議

未來幾年，國內基礎教育甚至高等教育都會出現對3D打印技術的需求。3D打印應用于教育需要加強以下幾方面的內容。

5.1 高等學校有針對性地開設相關課程

3D打印剛剛起步，大學里設置該課程的專業還很少，從事中小學3D打印的教師基本上都是原來的信息技術教師或者通用技術教師。從3D目前的發展形勢看，急需各高校開設3D打印相關課程，以便逐步為中小學輸送更專業的人才。

5.2 開展師資進修培訓

建議初步開展3D打印的學校組織教師到3D打印技術發展較好的學校或企業去觀摩學習，借鑒其優秀的發展成果和相關技術。聘請相關專家或有經驗的教師開展集中培訓，使現有師資能力得到快速提升。

5.3 獲得管理層和企業的支持

3D打印機和打印材料比較昂貴，讓學校管理層認可這種教學方式需要一個過程。也可以關注與企業的聯合，吸引部分企業將資金投入教學中。

6 結語

隨著國家支持力度的不斷加大，3D打印技術和材料技術不斷進步，也更加精密化和便捷化。未來將會有更多的教育工作者投入到3D打印應用于教育工作的研究中。在教育發展過程中，教師要及時把握新技術帶來的積極作用，使其與教育緊密結合，豐富課堂教學模式，不斷推動教育信息化。