淺談3D打印技術在教育教學中的應用

孫向峰

摘要：近年來，一項新興技術獲得了越來越多的關注，即3D打印技術。這項技術不僅可以應用在生物醫療、航空航天、建筑設計等多個領域，而且由于其可以增加學習趣味性，提高學生動手操作能力，所以在教育教學領域也得到了廣泛應用。同時通過研發的具體實例，讓學生切身體會一個項目的調查，構思，設計，實際操作等步驟，完全模擬項目研發的全過程，為以后參加工作奠定了堅實的基礎，本文從幾方面，詳細探討了3D打印技術在教育教學中的重要應用。

關鍵詞：3D打印技術;教育教學;動手能力;學習興趣

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）12-0147-03

3D打印技術因其具備生動，鮮明、直觀等特點，所以在計算機教學中，可以有效地激發學生的學習興趣，大大提高學生學習的積極性。同時在3D打印這門學科的學習中，可以大大提高學生們的空間感，這是中職學生比較欠缺的能力，而這種能力恰恰是學好計算機的必備條件。所以3D打印技術有利于培養學生的空間感，強化學生對圖形圖像等知識的理解，使學生能夠更加高效地學習計算機知識。

1 明確3D打印技術原理增強學生好奇心

3D打印技術是一種增材制造技術。它基于數字模型。3D打印技術所使用的主要材料為具有黏合性的塑料或者粉末金屬，其構造物體的主要方式為逐層印刷。在醫療工業、建設設計、航空航天等領域，3D打印技術應用十分廣泛。除了上述領域外，3D打印技術還可以應用于教育教學實踐中，從而幫助學生更好地建立起空間思維。

正確選擇應用3D打印技術的方法，可以短時間內增強學生的空間感。在實踐中，若要合理運用3D打印技術，第一步要調查分析學生是否了解并且接受該新興技術，為3D打印技術使用做好鋪墊;第二步了解明確學生在學習空間與圖形相關知識內容時存在的困惑和難點，以通過3D打印技術等教學措施有針對性的解決這些問題。

3D打印技術教學中最關鍵的一項是空間與數字模型，但遺憾的是，由于種種原因，這種教學方法未能取得理想的效果，學生未能順利建立起空間感。一方面是因為教師在教學中所用的方法比較單一，傳統的教具很難將3D立體圖形準確地描繪出來;另一方面則是因為學生動手操作少，對三維立體空間圖形缺乏體驗，學生無法直觀地表達三維立體空間思維。把3D打印技術的基本原理跟學生交代清楚后，學生們就會產生好奇心，從而為后續的學習打下堅實的基礎。

2 由簡單實例入手，增強學生學習的自信心

《趣味積木》和《驚喜兔子》兩套玩教具，是我在我校 “興遼英才計劃”的《3D打印技術在教育教學與模具設計中的研發與應用項目》中，基于學校內嵌式幼兒園，利用3D打印技術主持研發的幼兒教學模具。

在研發第一套玩教具的過程中，我也主動讓學生們進行了參與，發現學生對此很有興趣，同時，也想親手操作，大大提高了同學們的學習積極性。同時在研發過程中，我也把3D打印技術運用在教育教學的課堂中，讓同學們有了很大的啟發。

《趣味積木》玩教具是由六個面組成的立方體，每一個面都是一種圖形分別為：形狀、數字、動物形象、植物形象、長方形以及顏色構成。如下圖所示：

利用上面的手繪稿，我讓同學們在3D max中重新建模，當學生看到了自己繪制的圖形從二維圖形轉變成了三維立體模型產生一種驚喜的感覺，獲取了從未有的成功喜悅，玩具拿到手自己愛不釋手。從而激發他們對3D作品的創新與設計興趣。同時也帶動了他們學習3D max軟件的勁頭。

3 開展社會調查，提高學生社會實踐能力

近年來，智能制造作為最具發展潛力的技術產業，信息、控制、材料等技術不斷取得新進展，實現在制造領域的普遍應用，也將3D打印技術淬煉得更加成熟。隨著3D打印技術的精密性、通用性不斷提升，其在越來越多的領域實現廣泛應用并發揮積極作用。教育是社會發展中的重要環節，在這一領域，3D打印技術應用的新聞也屢見不鮮。特別是3D打印已成為教育行業的一種常態。在開發產品之前，讓同學們去幼兒園調查走訪，就幼兒玩教具做各項了解，從而提高他們的社會實踐能力。通過調查，他們會發現，就幼兒園而言，教師自制玩具占幼兒園玩具的比重越來越大。因為許多教師認為，大多數商品化的兒童玩具在幼兒園教育實踐中是不合適的，而我們此次研發的驚喜兔子玩教具，基于本學校內嵌式幼兒園的優勢，能夠隨時考察幼兒及幼兒園教師實際所需，個性化、有針對地設計教具，同時利用3D打印技術能夠簡化教具的生產流程，分層加工、疊加成型的工藝方式也不會產生原材料浪費，PLA原材料具有良好的生物可降解性，高利用效率更不會產生毒氣、噪聲和化學物質等污染，對于兒童來說更加安全環保。

4 開發有實用價值的產品，提高學生們的動手能力

在上一個實例的基礎上，在同學們調查研究的基礎上，又帶著同學們開發研制了《驚喜兔子》玩教具，它利用簡單的運動原理，進行組合使其產生動態機械效果，幫助幼兒感知科學領域、學習簡單的數字概念，同時認識簡單的機械運動，提高他們對外在環境敏銳的思考力、觀察力、想象力。

《驚喜兔子》玩教具以可愛的兔子形象吸引幼兒的注意力，小兔子抱著一個禮物盒子坐在蘑菇上。每次打開禮物盒，里面的數字都會發生變化，像一只會變魔法的兔子在為小朋友表演魔法，刺激幼兒的手眼及大腦，更科學的幫助幼兒學習知識。

《驚喜兔子》玩教具外觀部分的頭部與身體外部是利用UG繪制的草圖，使用拉伸命令直接生成模，并打印完成;蘑菇則是利用草圖的旋轉拉伸命令生成的模型，并打印完成，造型是曲面的。

身體內部為機械運動部分，主要由前部的連桿運動機構和后部的間歇運動機構組成。

《驚喜兔子》玩教具不管在設計和制造過程中都應用了3D建模和3D打印技術。而學生看到了這個作品的時候都在感嘆原來3D打印技術也可以這樣用呀，從而激發了他們的學習UG的熱情，也開拓了他們的思維方式，知道了3D打印技術正在朝著一體化打印的方向發展。

5 3D打印技術促進了教學模式的改革

事實證明，一些學生在傳統教育中不善于學習技能和知識，主要是因為所學的課程過于理論化，對自己沒有興趣，死記硬背讓學生可以通過考試，但考試后，我很快忘記了3D打印機可以使枯燥的課程生動起來。3D打印教學方法，可以同時兼顧三維視覺和三維觸覺，趣味性和感染力很強。一方面，學生可以通過視覺學習黑板上陳列的文字、圖形或模型設計;另一方面，學生可以通過觸覺碰觸到三維實物，更加直觀地掌握核心概念。通過這種方式，學生可以充分學習掌握知識，并且增強知識理解深入性和記憶持久性。正如英國著名教師David White所說，要像抓住學生們的注意力，首先要抓住他們的想象力。教育想要不斷進取，不斷突破，必須緊跟時代，與時俱進。為此，在最近幾年內，更多的學校乃至國家機關開始探索在教育領域應用3D打印等新興技術。

近年來，諸多教育機構通過融合新興3D打印技術與傳統教學系統，不斷改進創新教育教學模式。3D打印機的應用，不僅可以提高學生掌握技術的速度和能力，而且其打印出的立體模型，可以有效提升學生的創新創造能力。目前，教學中最常見的應用是SLA和FDM 3D打印技術。

當前，全球教育教學領域正在發生大變革，各項改革項目不斷推進。其中極為重要的一項即是3D打印技術的融合應用。在現今的國際環境下，我國想要在競爭中保持核心競爭力和先進地位，必須更加重視教育，參與到最新的教育改革當中，注重運用3D打印技術實現創新人才的培養。

3D打印應用于教學領域的優勢之一是學生可以獲得更加真實、更加直觀的學習體驗。學生可以親身參與教學的環節中，作為問題提出者的同時，也能成為問題的解決者。在這個過程中，老師則從引導者轉變為合作者，與學生共同參與研究探索，獲得成長。這樣的教育形式，無疑可以很大程度上提升學生的創新意識和實踐能力。也正是因此，3D打印技術在教育教學領域的應用成為當前教育改革的大趨勢。

在今后的一段時間里， 教育領域將繼續成為3D打印技術施展的平臺。為不斷提升學生的創新思維和能力，很多學校將設計與3D打印想融合，開設“學與做”課程，先由學生自主設計三維電路，再通過3D打印技術打印出模型組件，將學習與動手相結合，從而增強課堂的趣味性。這樣的課程對于學生具有很強的吸引力，并能激勵他們在數學、科學、設計等領域不斷深耕，為國家培養優秀的設計師、工程師。相信在未來，會有越來越多的學校關注到3D打印在教育中的促進作用，逐步引入3D打印機和3D打印技術，豐富學生課堂，提升學生學習設計和創新的積極性、主動性。

3D打印技術的引入，也對教師提出了更高的要求。應該看到，教師是3D打印教育中極為重要的一環，他們不僅是3D打印的直接設計者和使用者，運用這一技術制作特定的教學用具，優化課程，而且還需要對于3D打印課程進行教學設計，引導學生自主應用3D打印技術開展學習活動。教師需要從3D打印技術和教學設計等方面學習和提高自己的技能，做好帶頭人的工作。

6 拓寬3D知識，提高課堂效率

3D打印機在教育教學中究竟有無作用，有怎樣的作用，這是許多教育機構和教學工作者一直在評估分析的。3D打印通常被稱為STEM工具或可以幫助教學人員的東西。教育3D打印機的應用還處于早期發展階段。我們可以利用各種可能來提高課堂效率。

1）讓STEM變得有趣

科學技術工程和數學（STEM）往往與抽象和枯燥聯系在一起，很多孩子在學習相關概念時無法真正理解，只能死記硬背，這是因為這些概念對他們而言過于抽象和無趣。將3D打印技術融入教學，可以增加STEM學習的直觀性、趣味性和參與性。孩子們可以打印東西，并使用它們使stem教育成為一個愉快和有趣的活動。

2）使抽象變具體

目前主流的機器設備大多是封閉性的，除了專業人士外，其他人很難透過外觀了解它們究竟是如何工作的。而3D打印則可以將對象逐層拆解、構建，將設備抽象的內部構成變的具象而直觀。大人們可以通過3D打印配件，向孩子們展示3D切片軟件如何配合工作，甚至讓他們了解背后的代碼，掌握3D打印的核心。通過運用3D打印機，向孩子們直觀展示技術系統如何構成，了解技術協同工作的原理。我們的世界是一個復雜的世界，理解與硬件和軟件的交互將使他們受益。

3）讓孩子們參與制作

3D打印技術可以讓孩子們自己動手，學習電路板、固件、電子產品等是怎樣做出來的，怎樣組裝起來的，獲得更強的教育知識。如果您要求他們構建3D打印機，他們將了解如何組裝他們作為團隊不了解的復雜事物。這種學習更符合他們以后在生活中遇到的情況。在成長過程中，人們會逐漸懂得合作、堅持、自主學習的意義，但在兒童階段，卻因為無法理解這些而不得不通過死記硬背的方式學習新知。作為一個團隊，試圖承擔某些事情是真正的學習。讓他們一起工作來制作和探索新技術并完成某些事情既有趣又充滿挑戰。

7 結論

綜上所述，3D打印技術運用到教育領域中，大大提高了我們的教學效率，但如何充分發揮新技術的特點和優勢，如何通過技術在教育中的應用體現和提升其價值，還是有很多問題要解決的。同時存在著很多問題的。比如， 3D打印在推廣和普及等方面還存在一些障礙。目前國內已經出現了不少優秀項目，對于3D打印在教學中的應用起到良好的推動作用。但總體而言，與其他國家尤其是一些發達國家相比，我國在3D打印技術推廣方面還有著不容忽視的差距。讓3D打印技術在教學機構普及，還任重道遠，需要教育行政部門、教育機構以及社會各界的共同努力，推動該技術的深入、持續發展和不斷推廣、普及。

參考文獻：

[1] 呂鑒濤.3D打印原理技術與應用[M].北京：人民郵電出版社，2017.

【通聯編輯：朱寶貴】