3D打印在中小學創客教育課堂中的應用

鄒 梅，尚亞麗，陳文云

(長春師范大學教育學院，吉林長春 130032)

在“互聯網+”和創客教育時代背景下，以大數據、云計算、3D打印等為代表的信息技術對人類社會的經濟發展帶來了重大影響。3D打印技術是運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，以數字模型文件為基礎，通過逐層打印的方式來構造物體的技術[1]。將3D打印技術恰當有效地應用到創客教育課堂中，優化教師的教學，并在“玩中創”“做中學”的過程中培養學生的想象力和創造力，對創新型人才的培養具有重要意義。

1 3D打印在中小學創客教育課堂中的應用現狀

近幾年，3D打印以信息技術拓展課或者社團活動的形式逐步走進了中小學課堂。在武漢，武漢市第四十九中學擁有全市第一個3D打印實驗室；在淄博，臨淄區正在推廣“3D進課堂”，已確定首批13所特色學校試點，編制完成了相關教材，并對全區科技輔導員進行了培訓；在寧波，泰河中學開設了基于3D打印的“設計大師”課程[2]。

本文對吉大附中力旺實驗小學和吉林省第二實驗高新學校的3D打印課程開設情況、3D打印設備在課堂中的使用情況以及學生的接受情況進行走訪調查。

圖1 長春市各中小學3D打印課程的課時情況

1.1 課程開設情況

根據已有的數據表明，目前長春市中小學已將3D打印課程納入到課程體系中，但未能進入常態的課程與教學，主要以創新類校本課程的形式出現。大多數學校的3D打印課程都是以社團課程和常規課的形式出現，課時較少，多為在1～2課時。只有少數學校3D打印課程的課時達到3課時以上。長春市各中小學3D打印課程的課時分布如圖1所示。

本文對長春市兩所中小學校3D打印課程的開設情況進行詳細的對比分析。其中，通過對長春市吉大附中力旺實驗小學的實地走訪，我們得知，該校在二年級第一學期開始開設信息技術課，在四年級第一學期開設3D打印課程，以常規課的形式開展，每周1課時，并且該校3D打印課程是以創客教室為基礎展開的。而吉林省第二實驗高新學校，在四年級學段開始開設信息技術課，在七年級第一學期才開始開設3D打印課程，并且，主要以常規課和社團課兩種形式并列開展，常規課每周2課時，社團課每周1課時。

1.2 設備的使用情況

在走訪的兩所學校中，3D打印機均是由信息技術教師操作，且教師能較熟練地使用3D打印機。3D打印首先得建立模型，市面上建模軟件有很多，諸如Inventor、123DDesign、3Dmax等，目前使用最普遍的是3DOne建模軟件，3DOne是一款專為中小學學生開發打造出來的一款3D設計軟件，它為中小學生提供了一個簡單易用、自由暢想的3D設計平臺。這兩所學校的學生也能熟練地使用該建模軟件。

信息技術常規課上學生主要學習如何使用3DOne建模，而社團課使用的是3D打印筆，多用于打印一些簡單的形狀，如椅子、蝴蝶、塔、房子等。

1.3 學生的接受情況

根據對這兩所學校信息技術教師的訪談得知，學生對此類實踐課程很感興趣，參與度較高。學校也會定期舉辦3D作品展示，對優秀的3D打印作品創作者進行表彰和嘉獎。

2 3D打印在中小學課堂中應用存在的問題

2.1 設備稀缺

由于3D打印機比較昂貴，在經濟發展落后地區的一些鄉鎮中小學，3D打印機還未普及。在走訪的吉大附中力旺實驗小學和吉林省第二實驗高新學校，學校的3D打印機數量也是屈指可數的。

2.2 未制定出統一的課程標準

從課程開設年段來說，不同的學校對于3D打印課開設的時段不同，有的小學四年級就開設3DOne建模軟件的學習課程，而有的學校七八年級才開設3D打印課。

從教材來說，市面上的3DOne建模軟件教材種類繁多，據了解，現中小學經常使用的3DOne教材有：由北京工業大學的陳繼民教授所編著、中國科學技術出版社出版的《3D One三維實體設計》、由索士輝等三位教員聯合編寫的《創客學苑——3D打印趣味設計》以及由沈志宏老師編寫的《輕松玩轉3DOne和3D打印》等。沒有統一的課程標準和合適的課程設計，這不利于3D打印課的推廣和應用。

2.3 傳統的教學方法不再適用于3D打印課等創客教育課堂

從3D打印課堂的教學方法來說，傳統課堂的教學方式已不再適用于3D打印這類創客教育課堂了。創客教育，著重于關注學生在“做中學”“學中創”，傳統課堂的教學方法對于3D打印課來說已經不適用了。另外，通過走訪調查分析，3D打印課程基本都是在信息技術課中開設，將3D打印與其他學科進行整合教學是極少的。

2.4 教師前期準備所需時耗較長

3D打印，首先得建立模型，再將所建的模型通過SD卡或者USB硬盤拷貝到打印機，最終打印出實物，教師在具體運用3D打印進行教學時，前期需要做大量的準備工作，其中建立模型時耗最長，并且還要將所打印出的模具與所講的課程進行整合，這一系列的過程比較耗時費力。

2.5 師資力量不足

在中小學3D打印相關課程教學中，教學人員多數是信息技術老師，沒有專業的材料分析及數控人員。

3 3D打印在中小學課堂中廣泛應用的具體措施

3.1 政府加大投資，企業開展合作

政府應加大在教育設備方面的資金投入，特別是對于二三線城市的中小學在教學用地、教學資源等方面給予支持照顧。另外，可以通過校企合作、企業注入資金建立3D打印實驗室等方式解決設備稀缺的問題。

3.2 確定開課時段，統一課程標準

針對不同的學校開設3D打印課程年段不同，可以根據中小學生的認知發展階段特點以及接受新知識的能力，選擇出最適合開設3D打印課的時段。面對市面上種類繁多的教學材料，有必要選擇一本最核心的、全面的，同時具有一定綜合性的教材作為學校開展3D打印課程的校本教材，并選用其他相關書籍作為學生課后學習3D課程的輔助材料。這樣，不同的學校在開展3D課程的過程中，就有了一定的基準，就可以根據統一的課程標準來進行教學設計。

3.3 構建基于項目式的3D打印課堂教學模式

項目式教學是指通過實施一系列完整的教學項目，將理論和實踐有機結合，以任務為導向進行的教學活動[3]。基于項目的3D打印課教學，即以學生為中心，以項目為導向開展教學，讓學生經歷需求的產生、模型的設計、實物打印、評估與改進等一系列過程，體會技術帶來的生產、生活變革，培養學生的動手能力和創新能力。

3.4 合理選擇建模軟件

教師在利用3D打印進行教學時，前期所需準備時間較長，這主要由于建立模型需要花費很多時間，因此合理地選擇建模軟件，能達到事半功倍的教學效果。將市面上的建模軟件進行對比分析發現，諸如AutoCAD、3Dsmax、Maya、Zbrush等是較為大眾熟知的幾款建模軟件，中小學教育常用的建模軟件有123D Design、3DOne、Sketchup等，對于入門和進階不同層次的學習者而言，建模軟件的選擇也是因人而異的。無論是教師的教還是學生的學，只有選擇合理的建模軟件，才能具有提高效率的作用。

3.5 引進技術人才，開展教師培訓

要實現3D打印在創客教育課堂中全面推廣和應用，教學人員僅有信息技術老師是遠遠不夠的，還得引進相關的技術人才，如數控專業(可以做底層編程，使用計算機控制打印機操作)、材料學專業(可以針對不同的打印結構研發不同的打印材料)等。

另外，開設3D打印技術應用于課堂教學的教師培訓課程也是很有必要的。教師培訓主要分為三個階段：第一階段，讓教師全面掌握3D打印教學的必備知識，同時培訓教師對于3D打印機器后期維護方面的技能；第二階段，注重教師實踐設計方面的培養，使教師成為設計能手，并進一步強化第一階段的學習；第三個階段，主要培訓教師項目開發的能力，從單一的設計能力轉變為項目開發能力。在課程開展過程中，教師便可以充分利用項目教學法對學生進行相應的項目式教學，將課程分為理論與實踐兩部分，專門對學生的創新思維與動手能力進行有意識的培養，實現所想即所學。

4 結語

本文通過分析3D打印在中小學創客教育課堂中的應用現狀，以及在設備材料、課程教材、師資教法等方面存在的問題，并探討解決策略。政府應逐步加大對中小學3D打印設備的投資，推動學校和企業建立合作機制；應該支持校本課程的開發，并統一課程評價標準，構建基于項目式的3D打印教學模式；學校引進相關技術人才，開展教師培訓。將3D打印技術應用在教育教學課堂，使得工程教育和人文教育相融合，不僅能促使教師的教學改革，也能幫助學習者獲取學習經驗和認知體驗，培養學生的想象力和創造力。