3D打印技術在基礎教育領域的應用

【摘 要】隨著3D技術的不斷發展，3D打印技術在中小學教育領域中的應用也受到越來越多研究者的關注，“只有想不到，沒有做不到”將不再是一句空話，在實際的教學中鍛煉、提高學習者的創新創造能力及多學科間的相互融合顯得愈加重要。當前具有代表性的3D打印技術鼓勵學習者將多學科融合，這樣可以鍛煉學習者的動手實踐能力和創新能力，從而推動STEAM教育和創客教育的深入發展。本文闡述了STEAM教育及3D技術的概念，分析了兩者的理論基礎，在此基礎上，探討了3D打印技術在基礎教育領域中的價值體現。

【關鍵詞】3D打印;STEAM教育;創客教育

【中圖分類號】G642? 【文獻標識碼】A? 【文章編號】1671-8437（2019）28-0015-02

2017年9月25日，教育部印發了《中小學綜合實踐活動課程指導綱要》的通知，其附則中的《設計制作活動（勞動技術）推薦主題及其說明》向全國7～9年級的學習者做了一個有關于“3D設計與打印技術的初步應用”主題推薦，鼓勵有條件的學校配備3D打印機設備與打印材料，并增設3D打印基礎課程[1]。教育部在其發布的《關于“十三五”期間全面深入推進教育信息化工作的指導意見（征求意見稿）》中明確提到“有效利用信息技術推進‘眾創空間’建設，探索STEAM教育、創客教育等新教育模式，使學習者具有較強的信息意識與創新意識”，而3D打印可以將學習者的STEAM創意想法轉化為實物[2]。在創新教育的大背景下，顯然STEAM教育是未來教育的重要發展方向，對中國的傳統教育模式更有著革命性的意義。

1? ?3D打印技術與未來教育

1.1? 核心概念的闡述

3D打印即快速成型，原理類似噴墨打印，所用耗材不是墨水，而是液體或粉末的金屬、塑料、陶瓷等原材料。首先要以數字化的三維建模為依據，利用相關設計軟件，將金屬、塑料、陶瓷燈材料作為可塑材料，通過輸出裝置來“打造”立體化模型的技術[3]。3D打印教育是在三維教學環境下，通過教育模式的變革和空間、課程與技術的融合，形成集‘理論+實踐+學習+娛樂’于一體的創新型學習知識體系，目的是幫助學習者完成對抽象理論知識的理解與吸收。

3D打印，這一概念實際上就是將一個物理的東西從無到有，通過這一技術可以拓寬學生的想象力、邏輯思維能力、動手實踐力等綜合素質能力。

1.2? STEAM教育

STEAM教育理念最早是美國政府提出的教育倡議，為加強美國K12關于科學、技術、工程、藝術以及數學的教育。其原身是STEM理念，即科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）、數學（Mathematics）和藝術（Arts）五門學科的簡稱，如圖1所示。它強調多學科的交叉融合。鼓勵學習者在這五個領域的發展和提高，培養學生的綜合素質，從而提升其全球競爭力，在STEAM教育的號召下，3D打印技術、機器人教育逐步進入校園[4]。

1.3? 理論基礎

1.3.1  做中學

美國著名教育家杜威的“做中學”的基本教育原則是：“以學習者活動來架構課程，以直接經驗的獲得為核心旨趣，在情境化的教學場域中，通過學習者的各種‘做’——觀察、實驗、探究、動手、游戲等形式來完成知識的傳授”。而3D打印技術，可以讓學習者在3D打印這個“做”中完成知識、技能的“學”，并且在完成作品打印的過程中，還會整合多門學科知識，在相關的學習情境中培養學習者的問題解決、協作、溝通及創新能力。

1.3.2? 基于項目的學習

項目學習（Project-based Learning，簡稱PBL）指的是一套能使教師指導兒童對真實世界主題進行深入研究的課程活動，具體表現為構想、驗證、完善、制造出某種東西。在3D打印教育中，運用項目學習就是指以運用3D打印技術制作作品并將作品展示給他人為目的，在真實世界中借助多種資源開展探究活動，主動學習研究完成項目所需的多個學科領域的概念和原理，并在一定時間內解決一系列相互關聯著的問題的一種新型的探究性學習模式。而STEAM課程模式也是基于問題探究的教學模式，提倡通過主題式或任務驅動式的故事情境設計，3D打印技術恰好可以為這種自主探究活動提供學習的機會，通過完成一項任務或項目來構建核心科學理論。

2? ?3D打印技術在教育領域的價值體現

2.1? 變革傳統教育方式，培養學習者創新思維能力

目前的傳統教育課程理論性太強，內容和方式枯燥乏味，這也導致了部分學習者失去了學習興趣，對一些知識點也是死記硬背，即便通過考試，但很快就會被遺忘，并且傳統教育課程很難發生學習遷移，從而出現“學了不知用”的局面[5]。而3D打印技術改變了傳統學校的課程體系，它可以把學習者書本上一些比較抽象的知識轉化成立體可見的實際物體，使學習者在學習的過程中，通過對立體空間的認識來達到提高學習興趣的目的，教師用3D打印課程教會學習者基本的設計與創新能力，教師在教的過程中也會更加生動形象。此時，教師傳授的不僅是單一的學科知識，而是更加重視多學科的融合，這也充分體現了STEAM教育理念。即讓學習者親自動手完成他們感興趣的、和他們生活相關的項目，從過程中學習各種學科及跨學科的知識，促進學習者不斷地思索和創新。

2.2? 變革傳統的教育理念，促進多學科融合

在傳統的應試教育中，各個學科之間的聯系較少，較難培養學生的綜合思維，也不能很好地培養學生的問題解決能力、創新精神及批判性思維[6]。而3D打印課程可以將多學科有效融合，學習者可以邊學邊做，學習者通過3D打印可將抽象虛擬的想法轉變成可以看得見摸得著的實物，這樣有助于他們更好的理解概念，加強各個學科的聯系，使各學科的知識得到合理銜接，提高知識遷移能力，提高學生的認知水平。

2.3? 變革傳統學習方式，鍛煉學習者的協作探究能力

3D打印教育，這種方式強調的是以學習者為中心以及小組合作學習，要求學習者對現實生活中的真實性問題進行探究，通過3D打印作品來回答對問題的探究結果，真正體現了“做中學”的理念及“教”“學”“做”三者的統一[7]。

3? ?3D打印技術在未來教育中的發展趨勢及遇到的問題

調查發現，目前3D打印技術在教育中的應用主要有以下四類：校內開設選修課程;3D打印在創客空間的應用;圖書館、科技館開設3D打印體驗室;社會培訓機構開展體驗課程。大部分3D打印項目是結合現有學科教學，把3D打印作品作為教具提高教學效果，激發學生的學習積極性。

目前3D打印在教育領域中的應用還存在一些問題：①3D打印技術目前處于發展階段，雖然有些學校配備了3D打印設備，但缺乏相應的技術支持，教育領域相關人才較少，因此造成該課程的師資力量緊張;②目前國內針對中小學的教材不夠完善，而且教育方案不夠系統化，配套設備及耗材比較昂貴，導致不能被廣泛使用;③3D打印技術在建模等軟件操作方面有一定的技術壁壘，對任教老師的技術要求比較高，并且對中小學學習者的學習有一定的難度。

4? ?結語

綜上所述，將3D打印技術引入教育領域的核心工作還是培養人才，可以說3D打印對學習者來說是一座連接虛擬與現實的橋梁。尋找3D打印技術和基礎教育的契合點，首先應找到3D打印技術在學校教育過程中的定位，進而利用智慧教育技術促進教育變革和創新，最終實現學生的全面發展。

【參考文獻】

[1]胡迪·利普森，梅爾芭·庫曼，HodLipson，等.3D打印：從想象到現實[J].中國對外貿易，2013（10）.

[2]王夢潔.英國小學課堂引進3D打印技術項目[J].世界教育信息，2013（22）.

[3]蘭兵德.淺析3D打印技術在汽車制造業中的應用前景[J].

2017（8）.

[4]楊高云.小學“3D打印”教育課堂教學設計應用研究[D].上海師范大學，2014.

[5]王萍.3D打印及其教育應用初探[J].中國遠程教育，2013（8）.

[6]邱望潔，李昊陽.3D打印技術在教育行業的應用發展前景研究[J].中國教育信息化，2017（5）.

[7]張晶.用3D打印手段培養創造性思維的教學設計研究[D].沈陽師范大學，2016.

【作者簡介】

王芮，女，漢族，山東省棗莊人，學歷：碩士研究生，研究方向：教育信息化、信息技術與課程整合、教學設計。