3D打印融合學科教學實踐研究

陳海濤　陳繼培

【摘 要】隨著科學技術與教育領域的緊密融合，新的技術不斷顛覆傳統的教育方式，3D打印技術前景廣闊，將引領一個革命性時代的到來。由于3D打印技術的探究性和趣味性，它與學科教學深度融合具有明顯優勢，可以在多學段多學科廣泛應用，可以改善課堂環境，豐富教學手段和方法，個性化定制教具學具，培養學生的創新能力。3D打印技術融合學科教學中也出現了一些新的問題，需要我們進一步思考和解決。

【關鍵詞】3D打印;融合;學科教學;個性化定制

【中圖分類號】G632? 【文獻標識碼】A? 【文章編號】1671-8437（2019）22-0195-03

1? ?3D打印

3D打印是快速成型技術的一種，又稱“增材制造”技術，是“一種與傳統的材料去除加工方法相反的，以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可固化材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。3D打印技術是當前最為熱門的新興技術之一，它在很多領域都有很好的應用前景。在教育領域，特別是中小學基礎教育領域，3D打印技術的推廣和應用還是一個嶄新的領域。

2? ?3D打印的原理

3D打印制作過程主要分為四個環節，即建模、切片、打印和后期加工。其中最重要就是建模，建模就是利用三維制圖軟件設計作品圖紙。目前國內常用建模軟件有很多，如Autodesk，123D Design，3D 0ne，Sketchup等，其中3D 0ne是國內第一款面向基礎教育的3D建模軟件，它界面簡潔、功能強大，特別適合零基礎中小學師生快速上手。如果有實物對象，也可以使用3D掃描儀建模。切片就是將模型切分成一層層的薄片，需要利用切片軟件把模型（STL格式）轉換成打印機能識別的語言（Gcode格式），目前比較主流且免費好用的切片軟件有Cura。打印就是利用3D打印機把建模設計好的圖紙最終變為實物。3D打印機可分為桌面級打印機和工業級打印機。桌面級打印機價格較便宜，但打印精度和打印尺寸有限，主要針對初學者和要求不高的用戶;工業級打印機價格較昂貴，但在精度和打印尺寸上體現出較高的水準。后期加工就是在實物模型打印完成后一般都會有毛刺等，需要對模型進行打磨、拋光、上色、固化等，最終形成比較完善的作品。

3? ?3D打印融合學科教學的理論基礎

3.1? “從做中學”理論

杜威認為，“所有的學習都是行動的副產品，所以教師要通過‘做，促使學生思考，從而學得知識。”3D打印融合學科教學的學習活動系統中，師生以3D建模軟件和3D打印機作為新型的學習工具，教師充分發揮引導者和組織者的作用。學生通過觀察、體驗等方式，獲得研究物體的三維數據，再通過3D打印機創作出模型實物，體現出DIY的本質屬性。因此，3D打印將“教”“學”“做”三者合一，真正實現了杜威的“從做中學”理論[1]。

3.2? “經驗之塔”理論

美國視聽教育專家戴爾認為，人的學習經驗分為三類，即做的層次、觀察的經驗和抽象的經驗。3D打印技術本身就是一個融合做、觀察、抽象的過程，從建模、切片、打印到后期加工，都在學習、積累和利用經驗。不管是基于項目的設計還是個性化定制的教具學具，都讓學生獲得了豐富經驗和學科知識，大大改善了傳統的教學手段和方法，也為學生的想象力插上了創新的翅膀[1]。

4? ?3D打印融合學科教學的優勢

4.1? 適用學段多，適合學科范圍廣

3D打印作為一種通用的技術，由于在教學方面的探索性和趣味性都很強，它可以應用到基礎教育各學段，包括中小學、高中教育。中小學生是對立體實物認識的關鍵階段，可以通過課堂將3D打印的實物立體展示，也可以讓學生參與設計生活中的小物品，比如小掛件、個性杯子、積木塔等，增加學生學習的興趣。還可以布置項目實踐，讓學生以項目為引領，自主去探究項目相關信息和設計圖紙，最終通過3D打印機制作模型。高中階段可以開設3D打印校本課程，教會學生3D打印的整個流程，并要求學生把3D打印融合到學科學習中，嘗試設計教學中的一些教具學具或創新創意作品。

3D打印作為一種通用的技術，它可以融合到大部分的學科教學中去（表1），涵蓋了正式學習、非正式學習，大大豐富了各學科的教學手段和方法，不僅可以讓學生享受到這種最新技術輔助教學的便利以及各種創新用法，還可以培養學生的創新思維，提高學生的技術素養。比如：物理學科可以試著制作各種簡單機械、齒輪、連桿等模型;化學學科可以制作分子、原子結構等模型;生物學科可以打印出人體骨骼、器官、關節等模型;數學學科可以打印勾股定律演示器、數學方程等模型;地理學科可以制作立體的地形、地貌、板塊圖等模型;歷史學科可以打印一些易碎工藝品、古文物等模型[2]。

4.2? 豐富教學手段和方法

3D打印作為通用技術，它本身并不是教學的重點，它只是教學輔助手段。它的使用將抽象的概念變成可視化的模型，進而幫助教師和學生理解抽象概念。如在物理校本課程中要求設計一個新能源車的項目，將物理學、工程學的一些抽象概念和動手制作巧妙地融合起來。傳統的教學無法展示實物，最多展示圖片或視頻講解風力發電機結構和原理，學生更多只能從網上查找資料設計實物模型，費時費力且制作出的模型可靠性差。借助3D打印技術，打印實物組件，讓學生觀察、觸摸和組裝這些組件，再結合視頻資料，多維度的增強學生對設計項目的理解。如果學生先期有3D打印建模基礎，更是可以發揮學生的想像力，讓學生大膽創新設計，并及時通過設計圖紙反復修改模型的可靠性、科學性等，達到最優設計后才打印模型，教學效果自然比傳統方法好得多。

4.3? 個性化定制教具、學具

學校的教具學具等器材一般由專門的教學儀器廠制作，教育行政部門統籌配發，批量大，規格統一，但更新慢，缺少個性化定制，不夠實用，容易老舊廢棄。教學中經常會遇到抽象的概念和陌生的事物，特別是理科教學，由于缺少直觀的教具學具，教師往往只能用語言、圖片或者課件視頻描述教學內容，教學效果較差，3D打印提供了更多的創造空間，教師可以個性化設計制作某些教具學具，如初中數學勾股定律演示器（圖1），初中物理輪軸演示器（圖2），初中化學分子模型（圖3），通過3D打印把教科書中蒼白二維信息轉換成生動的三維格式展示，顯著提高了教學效率和教學效果。由于多數教師都缺乏制作教具或設計教具的能力，但互聯網中有大量免費的3D模型素材分享，如3Done社區（http：//www.i3done.com）、3D虎（http：//www.3dhoo.com），教師可以在這些網頁中找到大量實用的教學模型圖紙，直接打印出來，充分發揮它們的作用。

利用3D打印技術還可以改進實驗器材不足的問題，提高實驗的成功率。如初中物理第六章《質量與密度》實驗過程中經常要用到鑷子夾砝碼，但學校配置的鑷子存在明顯不足（圖4）。鑷子表面光滑，容易打滑，且鎖定口設計太小太淺，非常不合理，導致夾重的砝碼很容易滑掉或夾到半程掉落。針對傳統鑷子的不合理設計，利用3D打印技術進行個性化改進：一是使用PLA材質，不容易打滑;二是把鎖定口變大，并設計成上下兩層半圓形（圖5）;三是增大著力面積，手拿著更舒適（圖6）。

4.4? 培養學生創新能力

3D打印作為一種輔助學科教學的新興手段，它的使用大大改善了傳統課堂的學習環境，對學習者的信息素養也提出了更高的要求，這促使他們不斷研究學習，激發他們學習的積極性和創造力，進入到不斷升級的創新活動空間，為他們日后發展打下堅實基礎。

5? ?3D打印融合學科教學的問題與建議

5.1? 3D打印的普及與推廣

首先，3D打印軟硬件環境配備價格高昂。一般入門級3D打印機要3000-6000元，如極光爾沃的603Z，威布三維的Idea;工業級3D打印機要15000元以上，如極光爾沃的A8S，威布三維的Company pro300。其次專業的三維建模軟件版權價格高昂，如3Done，50個節點三年使用費就要30000元。另外3D掃描儀、三維模型的素材庫、展示柜等配套軟硬件也需要購買。如果要滿足一個40人左右的普通教學班開展3D打印校本課程或社團活動，建立3D打印創新實驗室，投入至少需要10萬以上，這就需要教育行政部門、企業和學校大力支持、共同努力才可能實施。

5.2? 對教師的要求

3D打印融合學科教學的實踐過程中，教師起到非常重要的作用。教師是3D打印的使用者，既需要根據教學需要設計個性化的教學模型，同時還要引導有能力有興趣的同學開展3D打印相關課程學習，幫助和引導學生進行簡單設計和創新活動。因此，這就需要教師積極參加各種3D打印的教師培訓，樹立創客理念，改變傳統的教學思想，提高自身的創新能力和信息素養，做學生學習道路上真正的引路人[3]。

5.3? 3D打印與學科教育的融合形式

目前3D打印技術與學科教學的融合形式多以豐富課堂教學手段方法或者校本課程的方式出現，基于項目的3D打印技術與教育的融合非常少。學校可以開發多種形式，如開設3D打印的選修課，組織校內3D打印社團，開展競賽、夏令營等活動，有條件的學校可以建立3D打印創新實驗室，供學生學習和研究3D打印技術、創客活動等，培養學生的創新精神和工匠精神。

【參考文獻】

[1]徐平.3D打印在中小學課堂中的應用[J].世界教育信息，2017（8）.

[2]熊金泉.3D打印在教育領域的應用研究[J].南昌師范學院學報，2017（6）.

[3]牛一帆.3D打印在教學中的應用研究[J].塑料包裝，2015（1）.

Research on the Combination of 3D Printing and Subject Teaching Practice

Haitao Chen 1; Jipei? Chen 2

（1. Jindao Middle School， Guangzhou， Guangdong， 510370;

2. Guangzhou University， Guangzhou，Guangdong， 510006）

Abstract：With the close integration of science technology and education， Traditional education methods are continuously to be overturned by new technologies ， 3D printing technology has broad prospects and will lead to a revolutionary era.? Because of the characteristic of 3D printing technology- inquiry and interesting， it has obvious advantages in deep combination with subject teaching. It can be widely used in multi-section and multi-discipline： improving classroom atmosphere，enriching teaching means and methods， customizing teaching aids and tools individually， and cultivating students'innovative ability. There are also some new problems in the the combination of 3D printing and subject teaching， which need us to think about and solve ulteriorly.

Key words：3D printing; combination; subject teaching; personalized customization