3D打印技術在中學創客教育中的應用研究

王玲梅

目前在我國基礎教育階段中可以觀察到“兒童年齡越小想象力就越豐富，兒童年齡越大思想也就越封閉，更家缺乏想象力和創造力。”在許多腦科學研究證明中，對學生進行“創新思維”與“創新能力”訓練，將會對人的創新發展將會產生一個質的飛躍。3D打印教學課程就是一門已經被實踐證明的，對中小學生創新能力培養非常重要的手段。

1 3D打印技術和創客教育的基本含義概述

3D打印技術作為一種快速成型技術，“設計思維” 扮演著個性化創造工具的角色，有利于激發學生學習的積極性和創造性。目前比較前沿的3D打印教育創新應用的課題和項目，主要由創新實驗室、創客教育空間以及STEAM課程組成。

1.1 3D打印技術的概念

3D打印是一種快速成型的技術，對其進行立體構造的物理對象通常以三維數字方式存在。這個技術的原理主要是將實物模型分層為幾個薄片，每當新的打印材料產生時，就會通過像粉末狀一樣的金屬或塑料粘貼合成一種新型材料，最后以數字模型文檔并加以疊加的方式進行構造，這種技術就是3D打印技術。

1.2 創客教育的含義

“創客”是指具有創新思想、獨立創業的人。主要指特別熱愛科學技術，不以盈利為目的，卻努力把自身創意轉化為現實的自然人，熱衷于創意設計和制造，并樂于相互分享的群體。創新教育是指：“依據社會主義現代化發展對人的要求，有目的地培養青少年的創新精神、創新能力和創新人格的教育。”創客教育正是創新教育的重要體現。中學的創客教育本質上時對青少年創造性的開發和提升，培養青少年自主學習、自主探究、自主發掘的創造過程，從而激發青少年的創新潛能。

1.3 3D打印教育的發展概述

2015年，國務院發文《國家增材制造產業發展推進計劃（2015—2016年）》，文中特別指出3D打印的重要性，并將3D打印技術列入國家戰略發展高度，大力推廣和普及3D打印教學，高度重視技術型人才的培養。

2017年9月，國家教育部印發了《中小學綜合實踐活動課程指導綱要》，其中“3D設計與打印技術的初步應用”作為推薦主題，亮相勞動技術課課程大綱。

2018年1月，教育部印發了《普通高中課程方案和語文等學科課程標準（2017年版）》，其中3D打印被納入《17-1834普通高中通用技術課程標準》和《17-1847普通高中信息技術課程標準》兩大文件中。

3D打印在教育領域的應用有助于激發學生的學習興趣，培養學生的創新實踐能力，3D打印走進學校已是必然趨勢。

2 3D打印技術在創客教育中的實踐和優勢

2.1 培養中學生的自主意識和創新思維

3D打印技術的創新點不僅可以激發學生主動參與學習的積極性，提升想象力和創造力，又能讓孩子們真正享受到學習帶來的快樂和成就感，從而激發學生的自主意識。其核心是創造力，重點是鼓勵學生主動學習，積極思考。在以往的應試教育中，學生因理論課程的壓力很難完全投入到科學探索中。3D打印技術的出現從以學科為中心成功向以學生為中心轉變，因此實現了學生在課堂的主體地位。3D打印技術引入教學后，學生的學習體驗進一步升級，更加重視培養學生的實踐能力，體現出其優越性。

2.2 有助于學生對各學科的深入掌握

3D打印技術把數字化的設計以及虛擬模型在短時間內轉化為實物，比如化學模型制作、物理模式制作、地理圖形等等，從而實現了3D打印的與中學各學科的結合，使青少年能夠在真實的三維環境中學習和思考，近距離得接觸計算機建模技術，更深入得了解各學科之間的聯系與特點。3D打印技術新奇好玩的特點吸引了更多的青少年參與到這項教學活動中來。學生不僅可以充分展示自己的奇思妙想和設計理念，又可以通過3D打印技術將這種想法實實在在得表達出來，不僅是對自己積極思考、發揮創造性的肯定，又可以使學生獲得一種自豪感。

3 中學3D打印課程的開展情況和存在問題

3D打印所帶來的創客式教育將學生無形的創意變成 “看得見的創意”，使學生提高了學習積極性，培養了創新能力，但目前各小學3D打印課程的開展還存在著一些問題。

3.1 3D打印教材和師資隊伍難以滿足需求

開展3D打印課程的學校多以體驗課、社團活動課的形式開展，由指導老師帶領一部分的學生開展非系統化的學習，缺乏體系化的學習教材，存在有很大的復制及普及的問題。目前已有3D打印教材的課本內容不夠詳盡，課程用書比較缺乏。3D打印作為一門跨學科課程，需要多學科知識來支撐，教師不僅要熟知3D打印的工作原理、發展歷史、應用現狀等基礎理論知識，還要熟練掌握使用三維建模軟件創建三維立體模型以及修復、打印等工作，同時還需具備創客精神，為學生提供有效指導。但現在負責中小學3D打印教育的大多是信息技術教師，且都沒有受過專業培訓，缺乏經驗，難以滿足學校3D打印課程開展的需求。

3.2 3D 打印課程的開展與實踐缺乏一定深度

3D打印技術已經走進了各中小學，但大多數學校只把3D打印機這一輸出的工具作為教學中心，忽視了學生創新能力的培養。比如對“學”的比重，大于“創”的比重，尚未形成創新機制;其次學生作品多以靜態作品為主，缺少同動態構建的整合，造成了學與用的脫軌;再者校園中的3D打印作品，多來源于生活，但再融入生活難度很大。3D打印課程的開展應技術作為為輸出載體和創新型教育工具，以解決實際問題為目標進行創意設計，培養學生的全方位素質。

4 3D打印技術在創新教育中的展望與建議

3D打印改變了傳統的教學規則。教師可以將3D打印引入教學實踐，提升課堂教學的趣味性和互動感，以達到更好的教學效果;學生通過3D打印項目的完成，可以培養他們的創新意識和動手能力，更有助于其團隊合作能力和問題解決能力的提升。3D打印技術對中學生創新教育的影響主要表現在以下幾點：

4.1 3D打印教學激發學生學習科學的熱情

3D打印可以徹底改變科學項目的學習方式。生物老師可以借助3D打印制作器官橫截面使學生更好地了解人體;化學和物理老師可以打印出復雜的分子、原子結構幫助學生理解;而復雜地貌特征的展現則可以幫助學生直觀學習地理課程;代表地形、人口或人口統計學的3D打印區域模型將幫助學生解決現實問題，使原本枯燥乏味的科學原理變成有趣好玩的知識探索。3D打印還可用于更具創造性的教育領域，如食品制作中的3D模型、3D打印模具以及刀具模板。學生在吸收和運用知識的過程中，可以有效得提升學習的自主性，培養學生的創造性，提高發現問題并解決問題的能力。

4.2 3D打印在未來會提供更多創業機會

對于在校學生而言，3D打印不失為一個良好的創業項目。3D打印所具備的無限潛力為學生提供了多種類型的業務方向，三維掃描、創新設計、教育培訓、個性化定制等等。學生可以借助該項目培養獨立思考的能力，并熟悉企業的運作模式，這些都是創業的重要技能。在他們職業生涯的下一階段，已經在學校熟悉3D打印的人將會看到在設計和生產過程中使用該技術的潛力，憑借各種材料和3D打印方法，企業家可以利用他們在學校獲得的知識生產出功能齊全的零件。

4.3 對培養學生創新能力和空間感官的建議

很多研究表明中學生的空間能力和其他學科領域的學習成效聯系緊密，常被用于解決問題的評價標準，也是評估學習效率、訓練、工作的重要技術。由于電腦具備彩色、移動與旋轉、動畫及重復顯現等功能，能夠快速顯現各種可能在現實環境中無法復制的二度或三度空間物體或狀況，建議使用計算機立體模擬即3D打印技術提升學生的空間能力。我們應當不斷完善3D打印教育的創新平臺，開發出以創新為基礎的個性化學習空間，制造出具備社會價值的創意產品，實現通過創意生活的方式來體驗人性化的學習和研究。

5 結語

先進技術和具體學科之間的融合，更有利于對學生創新能力的培養，也是激發青少年自主創新的有效途徑。在培育和發展中學生創新能力的教學實踐中，提倡通過3D打印技術巧妙得把現代教育技術與創客基礎課程相整合，研究并開發出一套結合地方課程的特色中學3D打印創客課程，提升學生的素質教育和創新能力，促進學生的全面發展和健康成長。3D打印教育的創新應用體系應當不斷優化技術支撐，完善服務體系支持，拓展學習方式方法，使3D打印技術從學術研究中轉化成實踐應用，成為科技支撐教育創新和演變的必備要素。

本文系課題名稱：創客背景下中學生利用3D one重現中國古典家具的研究與實踐，課題編號：GS{2018}GHB0524的結題論文。

（作者單位：白銀市平川區第二中學）