摘 要：在教育創(chuàng)新的浪潮中，3D打印技術(shù)作為一門新興科技，因其特有的優(yōu)勢，已成為高中創(chuàng)客教育的重要組成部分。利用3D打印技術(shù)，學(xué)生可以設(shè)計和打印自己的創(chuàng)意作品，把創(chuàng)新思維轉(zhuǎn)變成一個立體模型，這樣的學(xué)習(xí)方法可以大大增強學(xué)生對科學(xué)、數(shù)學(xué)等學(xué)科的興趣。高中創(chuàng)客教育以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力與動手能力為主要目的，通過對3D打印技術(shù)的應(yīng)用路徑進(jìn)行研究，可以加深師生對該技術(shù)與學(xué)校整體課程融合的認(rèn)識，從而提升高中整體教學(xué)水平。

關(guān)鍵詞：高中創(chuàng)客教育；3D打印技術(shù)；應(yīng)用路徑

" 3D打印技術(shù)在高中教育中的運用，是傳統(tǒng)教學(xué)模式的一個重要變革，也是其進(jìn)行現(xiàn)代化和個性化教學(xué)的一次創(chuàng)新。本文通過對3D打印技術(shù)在高中創(chuàng)客教育中的運用進(jìn)行研究，為廣大師生搭建了一個嶄新的教學(xué)環(huán)境，讓學(xué)生親身經(jīng)歷從設(shè)計到制造的全過程，在實踐中提高了學(xué)生的實際操作技能，同時也鍛煉了他們的創(chuàng)意與團隊精神。因此，利用3D打印技術(shù)，可以幫助學(xué)生在解決問題的同時，加深對跨學(xué)科的認(rèn)識，從而使他們達(dá)到多方面的學(xué)習(xí)與提升。

一、3D打印技術(shù)概述

（一）3D打印技術(shù)的定義及原理

3D打印技術(shù)又稱增材制造技術(shù)，是以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)進(jìn)行的一項新工藝。該技術(shù)的核心原理是通過CAD將一個復(fù)雜的3D結(jié)構(gòu)分割成多個不同的平面部分，再由3D打印設(shè)備進(jìn)行分層疊加，最終形成一個整體的三維物體。該技術(shù)與常規(guī)的2D打印相似，不同之處在于，它是在縱向上疊加多個不同的材質(zhì)，從而得到三維目標(biāo)。3D打印技術(shù)可以利用塑料、金屬、陶瓷等各種材質(zhì)，依據(jù)熔融沉積成型（FDM）、光固化立體成型（SLA/DLP）、選擇性激光燒結(jié)（SLS）等方法，篩選出最優(yōu)的材料及制造方法［1］。

（二）3D打印技術(shù)的發(fā)展歷程及現(xiàn)狀

3D打印技術(shù)從初期的科學(xué)研究逐步走向產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化。首先，3D打印技術(shù)在工業(yè)設(shè)計與制造業(yè)中得到了廣泛的運用，實現(xiàn)了產(chǎn)品的快速成型與定制。在航空航天、汽車制造、生物醫(yī)學(xué)、建筑等眾多行業(yè)中，該技術(shù)已經(jīng)得到了越來越多的應(yīng)用。例如，在航空航天方面，3D打印技術(shù)可以實現(xiàn)構(gòu)件的輕質(zhì)化、復(fù)雜構(gòu)件的制備，從而提升其綜合效能與燃料利用率。其次，在醫(yī)學(xué)方面，3D打印技術(shù)可以為病人量身定做仿生義肢、骨科器械、牙科矯正器械等。

二、高中創(chuàng)客教育的實施現(xiàn)狀

（一）創(chuàng)客空間的建立與運營

目前，在我國高中開展創(chuàng)客教育活動時，創(chuàng)客空間建立與運營是其中的重要環(huán)節(jié)。現(xiàn)在很多高中都設(shè)立了創(chuàng)客空間，里面有高級的3D打印機、激光切割機、電子元器件等設(shè)備，不僅為學(xué)生創(chuàng)造了一個實踐創(chuàng)新和動手操作的環(huán)境，還將吸引校外的師生及專業(yè)人士參加，為學(xué)生提供一個互相溝通、合作的平臺。創(chuàng)客空間的運作多采用項目式教學(xué)法，讓學(xué)生在其中進(jìn)行一些特定的作業(yè)，如制造機器人、科學(xué)探究等。這樣，學(xué)生在動手學(xué)習(xí)的過程中，養(yǎng)成了自己的思考習(xí)慣，從而提高他們的創(chuàng)新意識和問題解決能力。

（二）創(chuàng)客課程的開發(fā)與實施

從創(chuàng)客課程的開發(fā)與實施來看，高中創(chuàng)客教育正在逐步成型。創(chuàng)客課程一般是以項目化學(xué)習(xí)為中心，在通用技術(shù)、信息技術(shù)等綜合性實踐類課程基礎(chǔ)上，融合科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學(xué)（STEAM）等跨學(xué)科要素，通過“做中學(xué)”的方式，挖掘?qū)W科脈絡(luò)，整合知識，培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)，提升他們的跨學(xué)科思維與應(yīng)用能力。比如，有些高中已經(jīng)推出了以“綠色成長+”為主要內(nèi)容的創(chuàng)客課程，利用項目式學(xué)習(xí)法，使學(xué)生可以對智能花架進(jìn)行設(shè)計和制造。這種課程既與多個專業(yè)相結(jié)合，又在教學(xué)理念、教學(xué)團隊和師生角色上進(jìn)行了系統(tǒng)性的重新構(gòu)建。

（三）創(chuàng)客教育的師資與學(xué)生情況

當(dāng)前，創(chuàng)客教育師資面臨著一些挑戰(zhàn)。我國部分高中紛紛成立了跨領(lǐng)域的創(chuàng)客研究小組，但還存在著一些較為突出的問題，如缺少高素質(zhì)的師資團隊。因此，對3D打印技術(shù)相關(guān)課程的教師進(jìn)行經(jīng)常性培養(yǎng)，對于提高其職業(yè)素質(zhì)與教育水平具有十分重要的意義。在此基礎(chǔ)上，引導(dǎo)廣大師生積極參與教育科研與改革，創(chuàng)造出一系列優(yōu)秀的、能起到示范帶動的教育案例與結(jié)果。在學(xué)生層面，推行創(chuàng)客教育，大大提高了學(xué)生的參與度及創(chuàng)造力。通過實踐與小組合作，學(xué)生在創(chuàng)客空間內(nèi)既可以提高專業(yè)水平，又加強了團隊合作意識和項目管理水平。

三、高中創(chuàng)客教育中3D打印技術(shù)的應(yīng)用路徑

（一）基礎(chǔ)技能培訓(xùn)與課程整合

在高中創(chuàng)客教育中，3D打印技術(shù)的應(yīng)用路徑主要是基礎(chǔ)技能培訓(xùn)與課程整合，這一步非常重要。在創(chuàng)客教育中，將3D打印技術(shù)的基本操作與技能培訓(xùn)融入教學(xué)中，使學(xué)生能夠熟練使用3D建模軟件，并加強3D打印機使用以及后期加工等方面的知識。比如，“3D打印技術(shù)基礎(chǔ)及實踐”這門課，就是為了使學(xué)生能夠快速學(xué)習(xí)到3D打印技術(shù)相關(guān)的理論與技能。同時，將數(shù)學(xué)、物理、信息技術(shù)等學(xué)科相結(jié)合，通過跨學(xué)科的教學(xué)活動，學(xué)生在解決實際問題的同時，學(xué)會并運用3D打印技術(shù)，既可以達(dá)到對所學(xué)知識的了解與運用，又可以加強創(chuàng)造性思維和提高問題解決能力。另外，在國際上，3D打印技術(shù)在課堂上的運用也有了一些成果［2］。比如，美國從2013年起就啟動了“MENTOR”項目，把3D打印技術(shù)引入高中課堂，極大地提高了學(xué)生對于工程設(shè)計類學(xué)科的學(xué)習(xí)熱情。這種跨學(xué)科的項目設(shè)計，既可以使學(xué)生直觀理解抽象的知識，又推動STEM教學(xué)的開展。再比如，賓夕法尼亞州立大學(xué)創(chuàng)新研究中心的學(xué)生利用3D打印技術(shù)，幫助本地公司降低了小批量制造工具的費用問題。因此，3D打印技術(shù)在高中創(chuàng)客教育中的運用，通過基礎(chǔ)技能培訓(xùn)與課程整合，既可以提高學(xué)生的3D打印技術(shù)水平，又能通過跨學(xué)科的項目設(shè)計，提高學(xué)生的實際問題處理水平，為其創(chuàng)新思考和技術(shù)運用能力奠定良好的基礎(chǔ)。

（二）創(chuàng)意設(shè)計與原型制作

在高中創(chuàng)客教育中，創(chuàng)意設(shè)計與原型制作是3D打印技術(shù)運用的一種有效途徑，重點是利用3D打印技術(shù)，把思想轉(zhuǎn)換成特定的三維模型，再利用3D打印技術(shù)完成原型。在此過程中，學(xué)生不但可以學(xué)會如何運用3D建模軟件，而且可以熟練運用3D打印技術(shù)及后期加工技術(shù)，這也是實現(xiàn)快速原型制作的重要環(huán)節(jié)。例如，學(xué)生可以利用計算機協(xié)助設(shè)計軟件來建立模型，再利用3D打印技術(shù)將模型轉(zhuǎn)變成實體。另外，多舉辦一些創(chuàng)造性的作品競賽和展示活動，也是提高學(xué)生創(chuàng)造力的一種方式。通過競賽，學(xué)生可以參與作品的創(chuàng)作，提高自身的美感與創(chuàng)意。這樣的競賽與展覽，不僅為學(xué)生搭建了一個舞臺，更讓他們互相溝通，互相學(xué)習(xí)，提高自己的創(chuàng)造力。在實際操作中，利用3D打印技術(shù)可以提高學(xué)生的實際操作能力，讓學(xué)生在無風(fēng)險的環(huán)境中完成作品設(shè)計與制造，并獲得實際操作經(jīng)驗。這樣，學(xué)生在動手操作中學(xué)會知識的同時，還可以養(yǎng)成思考的習(xí)慣，從而提高創(chuàng)新意識和實際應(yīng)用水平。

（三）實驗與科研輔助

在高中創(chuàng)客教育過程中，利用3D打印技術(shù)進(jìn)行實驗與科研輔助，是一條可行的途徑。3D打印技術(shù)可以按照所提供的三維模型，迅速制造出各種實驗設(shè)備和科研設(shè)備，這既有助于學(xué)生加深對實驗的認(rèn)識，也有助于提高他們對科學(xué)研究的熱情和參與程度［3］。利用3D打印技術(shù)，可以實現(xiàn)對各種復(fù)雜實驗設(shè)備、實驗?zāi)Ｐ偷臏?zhǔn)確制造，使學(xué)生在實驗過程中進(jìn)行可視化的觀測與控制，進(jìn)而深化對所學(xué)知識的認(rèn)識。同時，3D打印技術(shù)也為學(xué)生進(jìn)行科研課題研究提供了有力的輔助工具，學(xué)生可將創(chuàng)意形象化，并制造及優(yōu)化各種復(fù)雜的實驗設(shè)備。實踐教學(xué)既培養(yǎng)了學(xué)生的動手能力，又激發(fā)了學(xué)生的科研熱情。比如，在機械橋的結(jié)構(gòu)解析中，學(xué)生可以使用3D打印技術(shù)制造一些特殊的設(shè)備，并對其進(jìn)行真實的受力實驗與分析。另外，3D打印技術(shù)也為學(xué)生提供了一個實踐創(chuàng)新的平臺，在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生可以自行設(shè)計、打印自己的科研項目部件。這種實際的方式，既提高了學(xué)生的實際操作技能，又可以培養(yǎng)他們的創(chuàng)造性思維和團隊合作意識。

（四）STEM教育融合

當(dāng)前，將3D打印技術(shù)與STEM教育融合，對于高中創(chuàng)客教育具有十分重要的意義。STEM是一門集科學(xué)、科技、工程與數(shù)學(xué)于一體的教育，以發(fā)展學(xué)生的全面素養(yǎng)與創(chuàng)造力為目標(biāo)。3D打印技術(shù)是一項新型的生產(chǎn)工藝，將其引入教育領(lǐng)域，對推動STEM教育的發(fā)展具有重要意義。通過項目式學(xué)習(xí)和探究式學(xué)習(xí)，既提高了學(xué)生的STEM素質(zhì)，又加強其整體素養(yǎng)。因此，將3D打印技術(shù)與STEM教育有機地融合在一起，能使學(xué)生在實踐中對科學(xué)原理和數(shù)學(xué)概念進(jìn)行更直接的了解。例如，在物理課堂上，學(xué)生可以自己動手制作和打印齒輪和杠桿模型，動手去了解力和運動的基本原理。在工程與數(shù)學(xué)等學(xué)科，學(xué)生通過3D打印技術(shù)制作復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)，能更深入地了解空間幾何和結(jié)構(gòu)工程。另外，在3D打印技術(shù)的運用中，教師也可以指導(dǎo)學(xué)生將其運用到STEM研究中去。在機器人俱樂部或科學(xué)競賽中，學(xué)生可以自行進(jìn)行零件的設(shè)計與打印，并對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)與性能優(yōu)化。在生物學(xué)中，學(xué)生可以利用3D打印技術(shù)制造出如細(xì)胞構(gòu)造、DNA等的生物模型，加深對生物學(xué)的認(rèn)識。這樣，3D打印技術(shù)就不再是一種簡單的教學(xué)手段，而是一座溝通學(xué)生學(xué)習(xí)知識和激發(fā)創(chuàng)造性思維的橋梁。通過這種方法，學(xué)生可以把所學(xué)到的理論和實際應(yīng)用有機融合在一起，成為既有創(chuàng)造性又有動手能力的新一代人才［4］。

（五）社會實踐活動與社區(qū)服務(wù)

當(dāng)前，將3D打印技術(shù)運用于高中創(chuàng)客教育，可以將其與社會實踐活動和社區(qū)服務(wù)有機融合起來。在此過程中，學(xué)生能夠?qū)⑺鶎W(xué)到的理論與技巧運用于社會實踐當(dāng)中，例如，使用3D打印技術(shù)為居民提供公共設(shè)施模型，為弱勢群體提供幫助。這樣的實踐活動既提高了學(xué)生的社會責(zé)任感、公民精神，又加強了他們的3D打印技能。比如，學(xué)生可能會為某一地區(qū)的活動場所進(jìn)行設(shè)計和打印，也可能會為老人打印如把手放大器、輪椅附件之類的附屬裝置。這種形式的學(xué)習(xí)既讓學(xué)生了解3D打印技術(shù)的實用價值，又讓他們認(rèn)識到科技對社會的作用，并提高社會參與感和責(zé)任心。同時，通過實踐，學(xué)生了解到3D打印技術(shù)的設(shè)計、造型、打印及后加工的全過程，也得到了寶貴的實踐經(jīng)歷，這對他們將來升學(xué)或工作都會有所幫助。

（六）建立3D打印創(chuàng)新實驗室

建立3D打印創(chuàng)新實驗室，是推進(jìn)高中創(chuàng)客教育推廣的一條有效途徑。這樣的實驗室配備先進(jìn)的3D打印設(shè)備和軟件，為學(xué)生提供了一個良好的學(xué)習(xí)和實踐環(huán)境，實現(xiàn)從產(chǎn)品設(shè)計到打印的全流程，既培養(yǎng)了學(xué)生動手操作的技能，又加強了他們的創(chuàng)造性思考和問題解決能力。實驗室的建立將為學(xué)生提供一系列的創(chuàng)意活動，如機器人零件的設(shè)計與打印，以及科學(xué)實驗的制作。這樣既提高了學(xué)生的專業(yè)水平，又加強了他們的團隊合作與項目管理技巧。開放式的實驗環(huán)境，讓3D打印技術(shù)的學(xué)習(xí)空間不再只限于校園學(xué)生，同時也能讓校外學(xué)生、教師及專業(yè)人士加入。通過這種溝通與合作，可以建立一個充滿活力的創(chuàng)客社群，讓他們更好地分享知識與經(jīng)歷。同時，3D打印創(chuàng)新實驗室也將為學(xué)生提供更多的社會服務(wù)及實踐機會。學(xué)生可以通過所提供的實驗資料，為社會上的公用設(shè)施做一些設(shè)計及打印，或是為有需要的團體提供一些幫助。這樣的社會實踐既可以提高學(xué)生的社會責(zé)任意識，又能讓他們更好地理解3D打印技術(shù)在社會中的作用。

（七）持續(xù)師資培訓(xùn)與專業(yè)發(fā)展

在高中創(chuàng)客教育中，持續(xù)師資培訓(xùn)與專業(yè)發(fā)展是3D打印技術(shù)應(yīng)用的一條重要途徑。充分發(fā)揮3D打印技術(shù)的優(yōu)勢、開展面向師資的3D打印技能訓(xùn)練，既可以提高師資隊伍的綜合素質(zhì)，又可以促進(jìn)他們引導(dǎo)學(xué)生完成更高層次的創(chuàng)新項目［5］。在此過程中，教師能了解3D打印技術(shù)、教學(xué)方法及教學(xué)內(nèi)容，使3D打印技術(shù)與教學(xué)相結(jié)合。同時，通過對3D打印技術(shù)的研究與創(chuàng)新，產(chǎn)生一系列能起到示范和帶動效應(yīng)的教學(xué)案例與結(jié)果。通過開展項目研究，探討3D打印技術(shù)在數(shù)學(xué)、物理、藝術(shù)等多個領(lǐng)域的具體運用，并通過項目式學(xué)習(xí)、探究式學(xué)習(xí)等方法提高學(xué)生的STEM素質(zhì)和綜合素質(zhì)。這樣既可提升教師的教育科研水平、提高自身的素質(zhì)，又可加強師生間的溝通與合作，在教學(xué)中起到引導(dǎo)、推動的作用，實現(xiàn)教育教學(xué)的整體提升。因此，教師的專業(yè)發(fā)展和持續(xù)培訓(xùn)是保證3D打印技術(shù)在高中創(chuàng)客教育中高效運用的前提，既可以提升教師的授課質(zhì)量，又可以充分發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造力，為其今后學(xué)習(xí)與就業(yè)奠定良好的根基。

結(jié)語

總之，3D打印技術(shù)在高中創(chuàng)客教育中的運用對培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力與動手能力具有十分重大的意義。通過整合課程資源，提高教師專業(yè)素質(zhì)，建立創(chuàng)新實驗室，強化企業(yè)與學(xué)校之間的合作等，3D打印技術(shù)在高中課堂上得到了良好的應(yīng)用。同時，學(xué)生通過3D打印技術(shù)的實踐活動，加深了對3D設(shè)計與制作技巧的認(rèn)識，并提高了其處理復(fù)雜問題的技巧。這些實踐表明，3D打印技術(shù)在高中創(chuàng)客教育中的應(yīng)用是切實可行的，它為學(xué)生的全面發(fā)展和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)提供了有力支持。

參考文獻(xiàn)：

［1］譚倩，譚大喜.基于3D打印技術(shù)下的創(chuàng)客教育實踐和研究［J］.經(jīng)營管理者，2016（34）：481.

［2］徐秋芳.3D打印技術(shù)在創(chuàng)客教育中的應(yīng)用與實踐［J］.小學(xué)生（教學(xué)實踐），2017（06）：92.

［3］雷蔓，羅佐云，李永湘，等.3D打印技術(shù)在中學(xué)創(chuàng)客教育中的運用［J］.中阿科技論壇：中英阿文，2020（07）：161163.

［4］王健潼.中學(xué)3D打印創(chuàng)客課程開發(fā)及實踐研究［D］.沈陽：沈陽大學(xué)，2018.

［5］陳月新.當(dāng)3D打印技術(shù)遇上創(chuàng)客教育［J］.中小學(xué)信息技術(shù)教育，2016（09）：6061.

作者簡介：楊希昌（1986— ），男，漢族，山東聊城人，本科，一級教師，工程師，研究方向：信息技術(shù)、3D打印、創(chuàng)客教育。