基于國內外現狀分析的小學3D打印課程研究

（上海市徐匯區康健外國語實驗小學 上海 200030）

1 研究的背景和意義

1.1 研究的背景

3D打印技術發展的源頭可以追溯到30年前，但之前的很長一段時間內，我國對這項技術似乎都無人問津，這幾年隨著3D打印技術在我國的推廣，越來越多的人了解到了這項技術，并在各個領域中都嘗試運用這項新興技術。3D打印目前廣泛運用的領域包括：工業制造、航空航天、生物醫療、建筑工程、個人定制、教育等方面。

3D打印，又稱三維打印，是一種快速成型技術，為用戶提供了新的設計、創作和制作方法。由于物體通過材料一層層地累積打印出來，3D打印技術也被稱為增材制造或加式制造。3D打印支持高性能復合材料、光敏樹脂材料、ABS樹脂、尼龍等多種材料。正是3D打印這種快速成型的特點，3D打印技術的應用延伸到了教育方面。學生可以通過建模，自己動手打印，快速的把自己的想象轉化為實體，讓學生在教學中感到樂趣，使得學生對3D打印充滿了濃厚的興趣。在整個過程中，學生的創造力得到了充分的發揮，3D空間的思維能力也得到了鍛煉，同時更激發了他們對于未來技術的濃厚興趣。

美國幾乎所有的大中小學都開設了3D打印課程，培養青少年的創新意識和應用技能。在香港，因為被學校的“迷你版”3D打印機所吸引，陳南昌紀念中學師生利用網上軟件繪圖、構思及設計各種“得意”立體圖形，整個制作過程為他們帶來無窮樂趣。學生季銘謙直言：“如果無3D打印機(制作產品)，我們不會開軟件繪圖。”

國內很多中小學都認識到這是一門培養學生綜合能力的課程，紛紛開設了3D打印課程。圍繞如何更好的激發3D打印技術在教學方面的潛能，對于3D打印技術的研究也在國內進行了開展。

1.2 研究意義

中國的傳統應試教育中，并沒有過類似3D打印這種能夠讓學生的想象力和創造力得到充分鍛煉的課程。隨著現在教育的改革，越來越多的學校和教育專家意識到傳統應試教育只會將學生思維禁錮，這也是為什么越是高年級的學生想象力越不如低年級學生的原因。3D打印技術的出現，讓很多教育專家和學校看到了曙光。3D打印機可以讓枯燥的課程變得生動起來，它是一種同時擁有視覺和觸覺的學習方式，具有很強的誘惑力，在觸覺學習中，學生不是在黑板或顯示器上簡單地看文字或圖形，而是通過他們的觸覺抓住核心概念的三維模型，這樣能夠吸收和消化知識，使學生不再遺忘所學的課程。開發3D打印課程對我國的教育改革大有益處。

在美國，幾乎所有的大中小學已經開設了3D打印的課程，因此本文主要研究目的是基于對國外優秀3D打印課程的分析，探索適合我國小學生學習3D打印課程的教學設計和課程開發方式。

2 國內外研究現狀

2.1 國內研究現狀

隨著3D打印技術在國內的發展，關于這項新興技術在不同領域的發展前景也得到了越來越多的關注。付昱等針對3D打印技術，在分析3D打印技術原理與特點的基礎上，結合機械教學及生活中的實際，探討了3D打印在機械教學領域中的應用。3D打印技術應用于機械教學中對機械基礎課程和專業課程的學習有著巨大幫助，有助于提高學生的空間想象能力、學習積極性、創新性。當前計算機3D打印教學應用還屬于探討、研究階段，廣大開放大學教師應發揮探路者的角色，推動在創新技術支持下的開放大學教育教學發展。3D打印產業的發展自然也離不開政府的大力支持。國家領導人對于將3D打印設為國家重大科技項目建議作出重要批示。科技部也將3D打印編入《國家高技術研究發展計劃（863計劃）》、《國家科技支撐計劃制造領域2014年度備選項目征集指南》。

王萍在分析3D打印技術原理與特點的基礎上，探討3D打印在教育領域的應用。基于3D打印的教與學將建構Solid learning教學模式，幫助教師進行個性化教學模型制作，創新學生課程學習設計，推動STEM教育發展。3D打印基于學習將有助于提高學習者的動手能力、學習積極性和創新性。當前，3D打印教育應用的普及和推廣還有待深入開展，教師應發揮領路人的角色，推動教育教學改革。

在3D打印課程的教育實踐方面，上海市閘北區和田路小學的《虛擬創造》3D打印課程，作為學校的特色校本課程，由教師自主開發，上海師范大學黎加厚團隊指導，已經形成了比較完整的課程體系，包括：數字化教學材料、網絡學習平臺和TED創意活動，主要教學內容包括3D打印技術知識與使用操作、設計軟件的使用操作、創新設計、問題探究、實物打印、修改和使用。課程受到學生和家長的歡迎，并得到來訪教師的充分肯定。

2.2 國外研究現狀

從設備數量上看，美國目前各種3D打印設備的數量占全世界40%，并且隨著美國“再工業化、再制造化”的口號呼喊，3D打印所打造的少勞動力制造將給美國極大的動力去發展。目前，在歐美等發達國家，3D打印技術的應用已較為廣泛，大到飛行器、賽車，小到服裝、手機外殼、甚至是人體組織器官。尤其在一些交叉學科領域中，3D打印的應用更加明顯。美國的3D打印課程開發得較早，弗吉尼亞大學一直在通過一些項目來推廣3D打印機產品，該校在夏洛茨維爾市的幼兒園到12年級的各個年齡的學生中推廣該技術，并希望學生能夠具備未來制造業技術的相關知識。弗吉尼亞大學教授兼科技和教師教育中心主任的格蘭·布爾（GlenL.Bull）表示：“我們將3D打印機帶入課堂，比如我們教幼兒園的孩子們如何設計和打印彈弓，然后孩子們就會分析如何把彈弓設計得更有效率。我們認為，美國的每個學校都將在未來幾年里在課堂上配備3D打印機。”

美國和歐洲在3D打印技術的研發及推廣應用方面處于領先地位。美國是全球3D打印技術和應用的領導者，歐洲十分重視對3D打印技術的研發應用。3D打印技術在教育領域獨一無二的應用也是其他技術不可替代的。教師可以利用3D打印機打印出上課所需的模型。許多國外學校很好地將3D打印技術與其他課程做了結合。國外的3D打印課程整體理念以及教學內容和教學模式都比較超前，國內的相對來還有很大的進步空間。

3 3D打印課程設計研究

3.1 課程安排

本課程在小學教學階段屬于拓展性課程，旨在提高學生的軟件操作能力、培養學生的創造力、開發學生的想象力，同時也能鍛煉學生的合作溝通能力。建議和中小學的其他興趣課一樣，每周開展一次。另鑒于軟件操作課程的特殊性，小學生直接操作3D建模軟件有一定的難度，在教學過程中的前期，教師需要大量的運用演示法讓學生充分掌握軟件的操作方式，然后學生再上機進行操作自行發揮創意建模。因此建議每次課程設置至少在2個課時以上，以保證大部分學生設計出一個完整的作品。

考慮到上課效率及教師管班的難易程度，建議一個班由20-30名學生組成，進行小班化教學。

3.2 教學方法

由于3D打印課程的綜合性，教師在教學方法方面也有多種選擇，并且可靈活運用多種教學方法。主要如下：

講授法。講授法是教師通過口頭并借助形體姿態，向學生傳遞知識的一種方式。利用這種方法，教師可以把課程中的一些理論性較強，要求學生知道、了解或理解的知識系統地傳授給他們。例如講解3D打印的發展史、常見的3D打印機的優劣對比。這一方法能讓學生在短時間內獲得3D打印機的一些背景知識，激發學生的學習興趣。

演示法。演示法主要是指教師在上課時，利用教學設備（如幻燈機、投影儀、電視等）或利用某個軟件來鏈接教師和學生的計算機，這樣教師可以展示所要傳授的知識。在前期進行軟件教學時主要采取這一方式讓學生盡快熟悉建模軟件的菜單和各項功能操作，教師可展示3D打印機以及打印成品，讓學生對3D打印這項技術有直觀的認識。演示法即包含教師的演示，也包含學生的演示。適當采取學生的演示能充分調動學生的積極性。

小組討論法。小組討論法就是在教師的指導下，小組成員圍繞某個問題發表自己的看法，通過互相討論、辯論，對問題獲得新的理解和認識。小組學習在項目制作環節是一種主要的學習形式，教師給定一個項目，然后由小組討論提出方案，分工實施。例如在設計標志這一項目的過程中，學生們進行討論，由一位同學手繪出草圖，一位同學負責運用建模軟件設計出模型，一位同學負責3D打印機的操作，最后由一位同學負責向全班交流闡述設計思路和設計過程。小組討論的教學中，學生的個性能夠得到充分的體現，同時學生的交流合作能力也得到了鍛煉。

實驗法。實驗法是在教師的指導下，學生通過儀器設備，通過操作、觀察、研究獲得知識或形成技能的教學法。3D打印課中的實驗法主要用于設計階段。例如在讓學生設計最小風阻的汽車模型時，可通過讓學生仔細觀察兩種不同車型的汽車模型在同樣條件下的抗風能力，為后面的設計找到靈感。在實驗法的過程中，教師的指導作用非常重要，教師要通過不同的教學話術技巧循序漸進地引導學生去思考。

3.3 教學目標

通過3D打印技術的教學，主要是為了提高學生在以下方面的能力：

知識與技能：了解3D打印機的工作原理，掌握建模軟件的操作方法，掌握3D打印機的操作方法。

過程與方法：培養學生的三維空間想象能力，創新能力，動手操作能力，交流能力以及團隊合作意識。

情感與態度：激發學生對于新興未來科技的濃厚興趣。

3.4 教學內容

3.4.1 建模軟件操作教學

通過對常用幾款3D建模軟件的簡單研究后，推薦使用Autodesk123DDesign這款軟件。123DDesign設計理念簡單易懂，用最原始的方式將建模和編輯功能合二為一，具備零學習成本的優勢，用戶不需要任何時間就可以把這款應用程序玩轉。同時，相對那些大型的應用軟件，123D Design具備的另外一個優勢即免費向用戶提供，并且支持包括iOS、Windows和Mac OS X等多個操作平臺。使用平板電腦進行教學的學校也可以使用這款軟件。

3.4.2 3D打印機使用教學

3D打印機的使用教學，主要由教師演示和學生自己操作構成。在介紹3D打印知識時，教師可演示給學生如何使用3D打印機進行打印的一個完整過程：建模—轉換格式—進行打印—后期打磨。在平時的案例學習中，教師則可選取幾組設計較好的同學，進行3D打印機的使用。3D打印機的噴頭在工作時會產生高溫，有一定的危險性，因此在學生的使用過程中，教師全程在一邊進行觀看，如有操作不當，給予及時指正。在整個過程中，加強學生的安全意識。

4 研究結論

作為在國內的新興技術，3D打印技術在教育方面擁有巨大潛力，3D打印課程的開展將會給我國的教育改革事業起到推進作用。然而我國對于3D打印的課程開發還有很大的空間，國內的3D打印課程還未形成一個完整的體系，3D打印教材更是少之又少。筆者有幸接觸到了3D打印課程并對此產生了濃厚的興趣，因此對3D打印的課程開發進行了初步研究。本文僅僅對于小學教育中3D打印課堂教學的設計做了初步探索和嘗試，還需要不斷實踐的基礎上進行完善。

本文結合對國外現狀的分析，根據國內學生的特點，制定了相應的教學目標，課程的內容安排遵循了由易到難的規律。先讓學生對3D打印這門技術有一個初步的概念，再通過各種案例的學習逐步掌握建模軟件的使用，直至能夠熟練建模。最后設計的項目學習是學生之前做學知識的綜合運用，并且給了學生發揮想象的空間，讓學生將自己的設想一步步轉變為實物的平臺。

3D技術將來還會有更大的突破和發展，因此本文的研究結果具有一定是適用時限。對于3D打印課程的開發設計，需要越來越多人的努力和付出。

本文對3D打印課程的設計和開發的見解還不夠成熟，還希望能有熱衷于此事業的相關人士或者教師多多指教。