3D打印技術(shù)支持下的創(chuàng)新教學(xué)生態(tài)與教學(xué)范式研究

陳勇

（浙江工業(yè)大學(xué) 教育科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 310023）

一、起源與進(jìn)程：3D打印技術(shù)向教育滲透

自2005 年桌面級3D 打印機(jī)誕生以來[1]，3D 打印技術(shù)開始向通用化、日常化、精密化、智能化、多樣化和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，并在教育領(lǐng)域中發(fā)揮著越來越大的影響力。米歇爾·艾森伯格（Michael Eisenberg）提出3D 打印技術(shù)的歷史增長模式在許多方面都與20 世紀(jì)70 年代末的家用計算機(jī)相似，并預(yù)測3D 打印技術(shù)會像計算機(jī)一樣在教育領(lǐng)域中得到普及，繼而重新定義“教與學(xué)”的內(nèi)涵，引發(fā)一場全新的教育革命[2]。

物化設(shè)備是技術(shù)最明顯的表征，并最先進(jìn)入到人們的視野中[3]。3D 打印機(jī)（尤其是桌面級3D 打印機(jī)）作為3D 打印技術(shù)的物質(zhì)載體，憑借低價格、多功能、易操作等特點已經(jīng)在小學(xué)[4]、初中[5]、高中[6]、大學(xué)[7]的課堂中得到了廣泛的應(yīng)用。然而正如海德格爾所強調(diào)的那樣：技術(shù)并非是純粹的手段與工具，而應(yīng)該被視作一種解蔽的方式。因此，3D 打印技術(shù)發(fā)揮其工具屬性并向教育領(lǐng)域滲透的過程中，其技術(shù)要素與教學(xué)要素之間展開了深刻的互動[8]。這種互動的結(jié)果表現(xiàn)為：一方面，3D 打印技術(shù)推動了教學(xué)生態(tài)的重塑，重新定義了教與學(xué)的內(nèi)涵。另一方面，教育應(yīng)用對3D 打印技術(shù)提出了新的要求，促進(jìn)3D 打印技術(shù)的教育化發(fā)展。因此，在開展“3D打印+教學(xué)”實踐與研究的過程中，不能將3D 打印技術(shù)簡單地等同于3D 打印機(jī)，而應(yīng)該從技術(shù)特征、教學(xué)方式、教學(xué)目的、學(xué)習(xí)內(nèi)容等多個維度，系統(tǒng)地對3D 打印技術(shù)支持下的教學(xué)生態(tài)進(jìn)行剖析與掌握，構(gòu)建全新的教學(xué)范式，推動“3D 打印+教學(xué)”的發(fā)展。

二、開拓與超越：3D 打印技術(shù)支持下的創(chuàng)新教學(xué)生態(tài)

教學(xué)生態(tài)主要研究教學(xué)活動的主體與教學(xué)環(huán)境之間的互動關(guān)系。其基本特征表現(xiàn)為整體性、和諧性與平衡性。3D 打印技術(shù)支持下的教學(xué)生態(tài)具有打印抽象概念，制造個性化的可觸資源；突破學(xué)科壁壘，構(gòu)建模塊化的教學(xué)內(nèi)容；根植真實項目，實現(xiàn)“做中學(xué)”的教學(xué)方式；改善師生交互，達(dá)到個性化的學(xué)習(xí)目的等特征。

（一）打印抽象概念，制造個性化的可觸資源

3D 打印技術(shù)具有快速原型和個性化生產(chǎn)的潛力。利用3D 打印技術(shù)將抽象概念或二維圖像轉(zhuǎn)化為實體教具，能夠充分調(diào)動學(xué)生的視覺、觸覺，并幫助學(xué)生直觀地感受概念（如比率、分?jǐn)?shù)[9]與體積[10]），原理（如能量與轉(zhuǎn)速[11]）和結(jié)構(gòu)，以此加深對知識的理解。利用3D 打印技術(shù)開發(fā)教學(xué)工具具有普遍適用性，尤其體現(xiàn)在解剖學(xué)的教學(xué)過程中。教師常常借助3D 打印技術(shù)向?qū)W生展示一些不容易在尸體上看到的，并且難以想象的人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)[12]，以此提高醫(yī)學(xué)生理解復(fù)雜結(jié)構(gòu)的可能。現(xiàn)如今，3D 打印技術(shù)已經(jīng)成為醫(yī)學(xué)生理解病理和臨床問題的基本工具[13]。

具身認(rèn)知理論認(rèn)為：思維與判斷不僅僅是對于抽象表征的加工與操作，更是根植于承載概念、理論實體的活動之上。教師傳授知識內(nèi)容之前，應(yīng)該先讓學(xué)習(xí)者直接體驗?zāi)骋滑F(xiàn)象[14]。教具在溝通概念與實體、抽象與具象之間發(fā)揮了重要的作用。3D 打印技術(shù)能夠制造個性化的可觸資源，其優(yōu)勢在于：首先，3D 打印技術(shù)豐富了教具的類型。隨著3D 打印技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)3D 模型資源日益繁榮，并易為教師獲取。邁克爾（Michael Groenendyk）對當(dāng)前世界范圍內(nèi)最常用33 個3D 模型資源網(wǎng)站進(jìn)行了統(tǒng)計，包括Thingiverse、3DModel Free 等，發(fā)現(xiàn)在這些網(wǎng)站中，有約75%的3D 模型是免費提供的，并且多數(shù)可用于教育教學(xué)[15]。其次，3D 打印技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)高復(fù)雜度、高精度的教具制造。傳統(tǒng)自制教具多用板材和塊材，以手工鋸割或激光切割方式制作。這樣制作的作品造型單一，多為面塊結(jié)構(gòu)，對于空間造型較復(fù)雜的曲面和重細(xì)節(jié)的教具則無法呈現(xiàn)。使用3D 打印技術(shù)能夠消除傳統(tǒng)制造工藝的幾何約束，實現(xiàn)復(fù)雜、精密的產(chǎn)品制作。再次，3D 打印技術(shù)能夠滿足教學(xué)資源的個性化需求。教師可以根據(jù)教學(xué)內(nèi)容以及學(xué)生的反饋進(jìn)行教具的制造，使用3D 打印技術(shù)能夠以最低的成本滿足個性化教具生產(chǎn)的實現(xiàn)。利用3D 打印進(jìn)行教具制造已經(jīng)在眾多學(xué)科中變?yōu)榭赡堋?/p>

（二）突破學(xué)科壁壘，構(gòu)建模塊化的教學(xué)內(nèi)容

3D 打印技術(shù)融數(shù)字技術(shù)、制造技術(shù)、信息技術(shù)等于一體，在教學(xué)應(yīng)用中能夠嫁接不同學(xué)科的知識與技能，包括新興學(xué)科如無人機(jī)、機(jī)器人等；傳統(tǒng)學(xué)科如汽車工程、機(jī)械工程等，實現(xiàn)跨學(xué)科的創(chuàng)新人才培養(yǎng)。切爾西·舍利（Chelsea Schelly）認(rèn)為，STEM 教學(xué)的成本高于傳統(tǒng)教學(xué)成本，使用3D 打印能夠減輕由于教具的更新需要所帶來的經(jīng)濟(jì)壓力，以此支持跨學(xué)科的教學(xué)實踐[16]。格倫·布爾（Glen Bull）在實踐經(jīng)驗的基礎(chǔ)上提出3D 打印技術(shù)有助于實現(xiàn)不同學(xué)科之間的溝通與聯(lián)動，并基于3D 打印技術(shù)開發(fā)了集合物理、技術(shù)、工程、歷史的跨學(xué)科課程，讓學(xué)生在工程課上使用3D 打印技術(shù)發(fā)明和設(shè)計的工具能夠在科學(xué)實驗課上進(jìn)行應(yīng)用，以此實現(xiàn)更加廣泛概念上的跨學(xué)科教學(xué)[17]。在日本文部科學(xué)省進(jìn)行的一項3D 打印教學(xué)實踐中（如圖1 所示）也充分發(fā)揮了3D打印技術(shù)的這項優(yōu)勢。學(xué)生可以使用CAD（計算機(jī)輔助軟件）和3D 打印機(jī)自主設(shè)計、制造不同尺寸的警笛，并通過測量警笛的頻率，以及建立警笛尺寸、頻率與音調(diào)三者之間的函數(shù)關(guān)系了解警笛發(fā)聲的科學(xué)原理。最后教師組織學(xué)生吹響不同頻率的警笛，共同演奏，以此將藝術(shù)教育納入到整個項目中。這項教學(xué)實踐的特點在于：1.利用開源3D 模型，彌補學(xué)生的軟件技能障礙。學(xué)生只需要通過幾個簡單的操作就能夠?qū)涯Ｐ瓦M(jìn)行修改，打印。2.趣味性強，教師并不直接向?qū)W生傳授知識。相反，教師鼓勵學(xué)生自主探索，掌握警笛的發(fā)聲原理。學(xué)生在課程中逐漸掌握利用3D 打印技術(shù)解決問題的思維與方法。3.多學(xué)科融合。將科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)、藝術(shù)巧妙地融合到一個小小的警笛之上，以此培養(yǎng)學(xué)生的辯證思維以及綜合素質(zhì)。當(dāng)前，簡易的數(shù)字建模軟件已經(jīng)成為中小學(xué)“3D 打印+教學(xué)”過程中的必備工具，包括Open SCAD、Google 的SketchUp 以及AutoCAD的123D Design。學(xué)生在使用這些簡易的數(shù)字建模軟件之前無須掌握完整的3D 建模知識，便可以通過操縱整個零件的參數(shù)變量對模型進(jìn)行簡單的修改。以此完成模型的修改與定制。

（三）根植真實項目，實現(xiàn)“做中學(xué)”的教學(xué)方式

“3D 打印+教學(xué)”多以項目的形式展開。基于項目的學(xué)習(xí)是以學(xué)科的概念和原理為中心，以制作作品、將作品推銷給客戶為目的，在真實世界中借助多種資源開展探究活動，并在一定時間內(nèi)解決一系列相關(guān)聯(lián)著的問題的一種新型的探究性學(xué)習(xí)模式[18]。項目式學(xué)習(xí)的核心理念是，學(xué)生在項目活動中學(xué)習(xí)、應(yīng)用知識。現(xiàn)實世界中一系列的問題會激發(fā)學(xué)生的興趣，并促進(jìn)他們認(rèn)真思考。教師在其中扮演著促進(jìn)者的角色，與學(xué)生共同構(gòu)建有價值的問題、組織有意義的活動，指導(dǎo)知識的獲取與應(yīng)用，促進(jìn)社交技能的發(fā)展，并仔細(xì)評估學(xué)生在經(jīng)驗中的收獲。項目式學(xué)習(xí)更加注重對學(xué)生情感、態(tài)度、社會等非認(rèn)知因素的開發(fā)，強調(diào)學(xué)生解決問題、團(tuán)隊合作、創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。包括激發(fā)學(xué)生的興趣與求知欲、驅(qū)動性問題、支持性資源、合作與溝通、批判性思維、反饋與修改等基本特征[19]。“3D 打印+教學(xué)”常常以項目的形式展開。通過嫁接多元學(xué)科，創(chuàng)設(shè)真實的問題情境，讓學(xué)生親歷需求的產(chǎn)生、模型的設(shè)動計、實物打印、評估與改進(jìn)等一系列活過程，在自主探究或合作學(xué)習(xí)中，重新構(gòu)建知識，并掌握運用3D 打印技術(shù)解決實際問題的方法[20]。因此“3D 打印+教學(xué)”被視為開展項目式學(xué)習(xí)的有效載體。臺灣師范大學(xué)向高中生提供的3D 打印課程以CO2賽車制造為具體項目。課程內(nèi)容主要包括：CO2賽車的動力原理（如質(zhì)量、力、加速度、空氣力學(xué)、牛頓第三定律等）；CO2賽車的內(nèi)部單元及組裝；3D 打印技術(shù)的了解及操作；CO2賽車模型的建立、修改、完善及評估；CO2賽車的制造及比賽。在該項教學(xué)實踐中，學(xué)生依托3D 打印技術(shù)，將加速度與空氣力學(xué)等知識應(yīng)用到賽車的設(shè)計及制造的過程中，借助賽車比賽、小組討論以及優(yōu)秀賽車共性總結(jié)等方式，學(xué)生對相關(guān)概念有了更深刻的理解，并迭代到新一輪的設(shè)計中。以螺旋上升的方式實現(xiàn)CO2賽車性能的最優(yōu)化（如圖2 所示）。

（四）改善師生交互，達(dá)到個性化的學(xué)習(xí)目的

相較于客觀主義，建構(gòu)主義認(rèn)為學(xué)習(xí)的過程是一個清楚明確學(xué)習(xí)目的、不斷反思，吐故納新的過程，要求學(xué)習(xí)者能清晰地闡述他們的學(xué)習(xí)行為，所做的決定、使用的策略以及他們所發(fā)現(xiàn)的答案，并由此獲得更多的理解，促進(jìn)將所建構(gòu)的知識運用到新的情境中去。3D 打印技術(shù)最初應(yīng)用于設(shè)計師和建筑師的設(shè)計迭代中，他們借助3D 打印技術(shù)將自己的創(chuàng)意轉(zhuǎn)變?yōu)閷嶓w，以此檢驗設(shè)計在美學(xué)或是功能上的不足。其強大的原型制造的功能，能夠?qū)⒌^程中的設(shè)計與創(chuàng)意轉(zhuǎn)化為物理實體，以此支持和完善設(shè)計[21]。3D 打印的這項優(yōu)勢同樣能夠應(yīng)用于教學(xué)當(dāng)中。并改變“教與學(xué)”兩個主體的關(guān)系[22]，真正將學(xué)生置于“教與學(xué)”的中心。3D打印技術(shù)與其他顛覆性技術(shù)共同突破了一直以來的教育模式困境，是實施“項目式學(xué)習(xí)”“個性化學(xué)習(xí)”“跨學(xué)科學(xué)習(xí)”“協(xié)作式學(xué)習(xí)”“體驗式學(xué)習(xí)”的良好載體。“3D打印+教學(xué)”基于虛實結(jié)合的教育創(chuàng)新應(yīng)用平臺，改變了傳統(tǒng)的師生交互方式，實現(xiàn)了個性化學(xué)習(xí)。在希臘約阿尼納兩所高中[23]展開3D 打印教學(xué)實驗中（如圖3所示），3D 打印技術(shù)成為自主學(xué)習(xí)的有效手段。教學(xué)框架大致可分為四步。第一步，通過講座與視頻向?qū)W生介紹3D 打印技術(shù)，并且利用小組實驗、分享交流等方式讓學(xué)生明白團(tuán)隊的重要性。第二步，讓學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)的方式來使用計算機(jī)輔助軟件完成設(shè)計，包括學(xué)習(xí)軟件、成立小組、形成產(chǎn)品概念這三個階段。第三步，讓學(xué)生在“打印—發(fā)現(xiàn)缺陷—調(diào)整”這個循環(huán)中不斷嘗試，從而實現(xiàn)產(chǎn)品的優(yōu)化。在此過程中學(xué)生可以獲得操作3D 打印機(jī)的實際經(jīng)驗。最后一步是產(chǎn)品的展示與報告，報告內(nèi)容涵蓋產(chǎn)品的設(shè)計理念以及經(jīng)濟(jì)性能等。該教學(xué)項目基于建構(gòu)主義的學(xué)習(xí)理論，學(xué)生在探索的過程中學(xué)習(xí)。教師向?qū)W生提供自主學(xué)習(xí)的條件：簡易化的三維建模軟件（基于瀏覽器的軟件）以及教學(xué)視頻。在此過程中，80%的學(xué)生都是按照試誤的方式而非通過觀看教學(xué)視頻的方式進(jìn)行學(xué)習(xí)。因此，“3D 打印+教學(xué)”作為一種全新的數(shù)字化教育，改變了學(xué)生與教師之間的關(guān)系，突破了傳統(tǒng)教學(xué)中教師灌輸，學(xué)生接受的課堂交互，促進(jìn)了以學(xué)生為中心的教學(xué)方法。

三、探索與協(xié)調(diào)：3D打印技術(shù)支持下的教學(xué)范式

基于3D 打印技術(shù)支持下的創(chuàng)新教學(xué)生態(tài)，借鑒國內(nèi)外諸多“3D 打印+教學(xué)”經(jīng)驗，構(gòu)建以3D 打印技術(shù)為基礎(chǔ)的“四步法”教學(xué)范式。

（一）接觸3D打印：觀察學(xué)習(xí)

教師向?qū)W生示范如何將創(chuàng)意、概念通過3D 打印技術(shù)轉(zhuǎn)化為可視實體。主要內(nèi)容包括數(shù)字建模、切片軟件對模型進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)化、設(shè)置數(shù)字模型的參數(shù)以及3D 打印機(jī)的操作過程。在此階段中，打印項目應(yīng)以強調(diào)趣味性，以此提高學(xué)生的興趣，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)動機(jī)。為了克服3D 打印機(jī)吞吐較慢的缺陷，在打印過程中，教師對項目所包含的知識點進(jìn)行講解。如選擇風(fēng)車打印作為具體項目，教師可以在打印的過程中向?qū)W生解釋風(fēng)車的發(fā)電原理，包括轉(zhuǎn)速、傳動、電機(jī)等知識點。

（二）嘗試3D打印：打印初探

學(xué)生通過一系列的實操嘗試，掌握了3D 打印機(jī)的基本操作流程。利用小組合作的學(xué)習(xí)方式使同學(xué)之間能夠互相幫助完成任務(wù)。教師應(yīng)該選擇簡單的項目——如水杯、戒指等，保證學(xué)生在初次成功打印的可行性。教師也可以邀請高年級的學(xué)生作為導(dǎo)師，從旁協(xié)助。在這一階段的學(xué)習(xí)之后，學(xué)生能夠?qū)?D 打印機(jī)作為概念實體化的工具，并應(yīng)用在以后的學(xué)習(xí)中。

（三）探索3D打印：打印測試

通過“打印測試—發(fā)現(xiàn)缺陷—解決問題—完善產(chǎn)品”的學(xué)習(xí)步驟，學(xué)生以一種螺旋上升的方式逐漸完善3D 打印技術(shù)的應(yīng)用以及對打印產(chǎn)品的優(yōu)化。在此階段，教師應(yīng)該選擇具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的挑戰(zhàn)性項目，如動物、地球模型等。對于這些項目的打印需要學(xué)生能夠協(xié)調(diào)不同參數(shù)、以此實現(xiàn)產(chǎn)品精確度、分辨率、表面光潔度、打印速度之間的平衡。使用3D 打印技術(shù)是一項繁雜的任務(wù)，有許多可能會導(dǎo)致失敗的陷阱。因此將打印測試作為一種常規(guī)的過程，可以幫助學(xué)生接受打印過程中的失敗，樹立信心，并且突破對硬件使用的障礙。

（四）應(yīng)用3D打印：自主設(shè)計

學(xué)生在掌握了3D 打印技術(shù)之后，能夠通過小組協(xié)作的方式完成從創(chuàng)意、設(shè)計，到產(chǎn)品的所有工作。教師選擇的項目應(yīng)該具體，如賽車、無人機(jī)、機(jī)器人等。通過模塊化的方式指導(dǎo)學(xué)生打印，在項目介紹中向?qū)W生明確其中的科學(xué)概念與原理。教師需要對學(xué)生的設(shè)計方案進(jìn)行評價，并且要求學(xué)生在模型設(shè)計的時候同時考慮產(chǎn)品的性能以及3D 打印技術(shù)的局限，否則很有可能會導(dǎo)致打印失敗。如：對于孔的公差考慮。

上述教學(xué)設(shè)計以一種螺旋上升的方式幫助學(xué)生接觸、嘗試、探索、應(yīng)用3D 打印技術(shù)，能夠在一定程度上彌補學(xué)生3D 建模能力薄弱、能力水平參差、3D 打印機(jī)吞吐緩慢、新興技術(shù)教學(xué)困難、傳統(tǒng)教授式課程乏味等問題，真正做到以學(xué)生為中心的教學(xué)互動。同時將其他學(xué)科的內(nèi)容根植于此范式中，并以小組合作、同伴互助、體驗學(xué)習(xí)、教師引導(dǎo)的方式，促進(jìn)學(xué)生對學(xué)科知識的理解，對技術(shù)內(nèi)涵的把握，提升解決復(fù)雜問題的能力。

四、總結(jié)與展望

在近30 年的發(fā)展中，“3D 打印+教學(xué)”的實踐在不同國家和地區(qū)、不同階段、不同學(xué)科中展開。這些實踐基于不同的角度，如STEM 教育、創(chuàng)客教育、項目式教育、啟發(fā)式教育、模塊化教育、定制化教育等，證實了3D 打印技術(shù)在教育領(lǐng)域的時代價值。然而，3D 打印技術(shù)向教育領(lǐng)域的滲透還是一個“正在進(jìn)行時”。依然有不少教育工作者在3D 打印技術(shù)與3D 打印機(jī)之間畫上了等號，并將3D 打印技術(shù)視為簡單的“教具制造機(jī)器”。

本文從3D 打印技術(shù)本身出發(fā)，通過研究世界范圍內(nèi)成功的“3D 打印+教學(xué)”實踐，以技術(shù)要素與教學(xué)要素互動的視角，發(fā)現(xiàn)在3D 打印技術(shù)支持下的創(chuàng)新教學(xué)生態(tài)具有打印抽象概念，制造個性化的可觸資源；突破學(xué)科壁壘，構(gòu)建模塊化的教學(xué)內(nèi)容；根植真實項目，實現(xiàn)“做中學(xué)”的教學(xué)方式；改善師生交互，達(dá)到個性化的學(xué)習(xí)目的等特征。并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建以3D 打印技術(shù)為基礎(chǔ)的“四步法”教學(xué)范式。本文拋磚引玉，望能引起其他教育工作者對3D 打印技術(shù)的興趣，并展開相關(guān)的理論與實踐研究，豐富3D 打印技術(shù)支持下的教育內(nèi)涵，完善以3D 打印技術(shù)為平臺的教學(xué)范式，充分發(fā)揮3D 打印技術(shù)的教育價值。