3D打印技術(shù)在創(chuàng)新實驗教學(xué)中的學(xué)習(xí)活動設(shè)計框架研究

白偉偉+方海光+楊志亞+焦寶聰

摘要：3D打印技術(shù)的普及和應(yīng)用，為創(chuàng)新教育提供了新資源、新工具。創(chuàng)新實驗教學(xué)作為創(chuàng)新教育的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，引入3D打印技術(shù)，構(gòu)造出虛擬實驗室和實體實驗室相結(jié)合的教學(xué)平臺，能夠促進學(xué)生的設(shè)計思維和創(chuàng)新能力。本研究首先闡述了創(chuàng)新實驗教學(xué)的概念，然后，基于學(xué)習(xí)理論、“做中學(xué)”理論及活動理論，構(gòu)建出3D打印技術(shù)應(yīng)用在創(chuàng)新實驗教學(xué)中學(xué)習(xí)活動設(shè)計的框架。最后，設(shè)計并展示了數(shù)學(xué)實驗正多面體學(xué)習(xí)活動的教學(xué)案例，以驗證其有效性。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù)；設(shè)計思維；創(chuàng)新能力；創(chuàng)新實驗教學(xué)；學(xué)習(xí)活動

中圖分類號：G434 文獻標(biāo)識碼：A 論文編號：1674-2117（2016）23-0066-05

引言

在創(chuàng)客運動的大浪潮下，以信息技術(shù)為基礎(chǔ)的創(chuàng)新教育，融合了項目學(xué)習(xí)活動、體驗式教育及DIY理念的思想。3D打印作為創(chuàng)客運動中的重要的一部分，近年在建筑、材料、醫(yī)學(xué)和教學(xué)科研等領(lǐng)域，逐漸引起廣泛關(guān)注與研究。尤其是中小學(xué)基礎(chǔ)教育領(lǐng)域，3D打印技術(shù)為創(chuàng)新實驗教學(xué)提供技術(shù)支持，優(yōu)化實驗教學(xué)過程。

創(chuàng)新教育是指設(shè)計并實施創(chuàng)新的教學(xué)活動來提高學(xué)生的創(chuàng)新思維，進而實現(xiàn)新的思想和理念、新的發(fā)明、新的方式以及新的學(xué)說與技術(shù)等新事物的教育，是以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和動手實踐能力為價值導(dǎo)向的教育模式。培養(yǎng)創(chuàng)新型高級人才，關(guān)鍵在于創(chuàng)新教學(xué)，其重要環(huán)節(jié)就是實驗教學(xué)創(chuàng)新。

創(chuàng)新實驗教學(xué)

實驗教學(xué)是指在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生根據(jù)課題規(guī)定的任務(wù)，使用專門的設(shè)備和儀器對研究對象進行操作、控制和模擬，在最有利的條件下對其進行觀察，將抽象思維和具象思維、接受知識與訓(xùn)練技能相結(jié)合，從而獲得經(jīng)驗事實的一種教學(xué)形式。根據(jù)文獻調(diào)查法得出的結(jié)論，本研究將創(chuàng)新實驗教學(xué)類型主要分為基本理論類實驗、問題解決類實驗和創(chuàng)新綜合類實驗。本研究從多個維度對創(chuàng)新實驗教學(xué)與傳統(tǒng)實驗教學(xué)進行比較，其異同點如表1所示。

3D打印技術(shù)與設(shè)計思維

3D打印技術(shù)以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，通過“積層造型法”逐層打印材料層創(chuàng)建實體模型，主要用于原型設(shè)計及產(chǎn)品制造。常用的3D設(shè)計軟件有SketchUp、AutoCAD、Blender等，亦可通過Kinect、goSCAN等專業(yè)的3D掃描設(shè)備，獲得物體的三維數(shù)據(jù)。3D打印常用的材料有：尼龍玻纖、石膏材料、橡膠類，甚至是食物材料等，采用粘合劑為物體上色。

在二維的設(shè)計思維模式下，經(jīng)常出現(xiàn)平面、立面、剖面數(shù)據(jù)差錯的現(xiàn)象，這實質(zhì)上是二維的設(shè)計工具限制了設(shè)計者的思維所致。人腦接收到感官感覺到的直觀形態(tài)的信號，經(jīng)過三維到二維的思維轉(zhuǎn)化過程，極可能出現(xiàn)偏差。如圖1所示，大腦的思維初始狀態(tài)是簡單的、零散的，培養(yǎng)設(shè)計思維的最終狀態(tài)是達到系統(tǒng)、創(chuàng)新、全面綜合的水平。

教師在培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計思維的過程中，首先應(yīng)培養(yǎng)學(xué)生用立體思維方式進行思考的能力和空間想象能力。3D設(shè)計軟件是設(shè)計工具的進步，更是對固有思維模式進行重建，它能更好地幫助學(xué)生構(gòu)造空間思維。學(xué)生對所設(shè)計的物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行觀察、體驗、修改，從設(shè)計對象中抽取元素，其與之后進行重組的過程是設(shè)計思維的關(guān)鍵階段，此階段可以幫助學(xué)生在抽象與具象思維之間轉(zhuǎn)換。模型中的所有數(shù)據(jù)相互關(guān)聯(lián)，改變其中某一數(shù)據(jù)值，與其相關(guān)的數(shù)據(jù)會相應(yīng)變化，簡化了繁重的修改過程。

構(gòu)建3D打印技術(shù)在創(chuàng)新實驗教學(xué)中的學(xué)習(xí)活動設(shè)計框架

在3D打印技術(shù)支持下的學(xué)習(xí)活動中，對學(xué)生和教師的能力要求，以及活動對資源和工具的要求與傳統(tǒng)課堂均有異同。本研究設(shè)計和探索可操作性強的學(xué)習(xí)活動，為基于3D打印技術(shù)的創(chuàng)新實驗教學(xué)提供參考和指導(dǎo)。

1.理論基礎(chǔ)

（1）建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論。在基于3D打印技術(shù)的創(chuàng)新實驗教學(xué)中，3D打印機制作的教具使學(xué)習(xí)情境更接近于真實情境。學(xué)生利用3D設(shè)計軟件動手操作，自主構(gòu)建知識的意義，認知過程更完整。

（2）杜威的“做中學(xué)”理論。學(xué)生利用3D設(shè)計技術(shù)開展觀察、實驗、探究、設(shè)計、操作等學(xué)習(xí)活動，將抽象的知識打造成實體模型，獲得直接的學(xué)習(xí)經(jīng)驗。

（3）活動理論?；顒永碚摰年P(guān)注單元是一個超出學(xué)生個體的“活動系統(tǒng)”。上頁圖2為基于3D打印技術(shù)的學(xué)習(xí)活動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，如圖可知活動系統(tǒng)包括主體、客體、共同體、工具、勞動分工和規(guī)則6個要素。系統(tǒng)的核心成分為主體、客體和共同體，與另外3個要素共同組成交流子系統(tǒng)、生產(chǎn)子系統(tǒng)、消耗子系統(tǒng)和分配子系統(tǒng)。

2.3D打印技術(shù)在創(chuàng)新實驗教學(xué)中的學(xué)習(xí)活動設(shè)計的框架

本研究根據(jù)學(xué)習(xí)活動系統(tǒng)中六要素的關(guān)系，綜合教學(xué)設(shè)計的ADDIE模式，構(gòu)建了3D打印技術(shù)在創(chuàng)新實驗教學(xué)中的學(xué)習(xí)活動設(shè)計的框架，如圖3所示。在創(chuàng)新實驗教學(xué)中，每個階段都離不開結(jié)構(gòu)化、序列化的學(xué)習(xí)活動。

（1）學(xué)習(xí)目標(biāo)分析。教師要對學(xué)習(xí)目標(biāo)進行分析，確定特定的學(xué)習(xí)任務(wù)，充分利用3D設(shè)計和3D打印技術(shù)的優(yōu)勢，使用3D打印技術(shù)支持環(huán)境下的實驗教學(xué)滿足特定的教學(xué)需求。

（2）準備階段。將學(xué)習(xí)任務(wù)按照知識點設(shè)計為不同的學(xué)習(xí)子任務(wù)，如理論知識學(xué)習(xí)、實物考察、3D設(shè)計軟件的操作學(xué)習(xí)、測試題、課堂練習(xí)等。在學(xué)習(xí)共同體及任務(wù)分工設(shè)計階段，學(xué)生和教學(xué)組織者師共同組成學(xué)習(xí)共同體，在實體實驗環(huán)境中或虛擬平臺上，教學(xué)組織者師會制定制訂學(xué)習(xí)計劃，安排學(xué)習(xí)主體進行小組學(xué)習(xí)或個體學(xué)習(xí)。此時，教學(xué)組織者師會根據(jù)學(xué)習(xí)個體的興趣和特點對其進行學(xué)習(xí)分工，在學(xué)生原有的認知發(fā)展水平基礎(chǔ)上建立教學(xué)活動。

（3）實施階段。教師首先要對學(xué)習(xí)主體的初始技能和原有認知結(jié)構(gòu)進行測試，根據(jù)測試情況，設(shè)計有效的教學(xué)內(nèi)容，選擇合適的媒體工具，以及對媒體工具所具有的技術(shù)約束進行調(diào)試，確保技術(shù)因素不會影響教學(xué)效果。制定協(xié)作交流規(guī)則、使用3D打印技術(shù)的操作規(guī)范以及評價規(guī)則等，然后進行教學(xué)過程的設(shè)計。

（4）評價階段。教學(xué)組織者師對整個學(xué)習(xí)活動流程進行過程性評價，并依據(jù)反饋結(jié)果對各學(xué)習(xí)階段進行修改。

3.3D打印技術(shù)在創(chuàng)新實驗教學(xué)中的教學(xué)流程設(shè)計

如下頁圖4所示，教師首先要創(chuàng)設(shè)問題情境，將具體的活動任務(wù)融入到真實學(xué)習(xí)的生活情境中，從學(xué)生已有知識經(jīng)驗出發(fā)，激發(fā)學(xué)生探索解決方案的動機，使學(xué)生在掌握知識的同時提高設(shè)計思維能力。學(xué)生基于原有的認知結(jié)構(gòu)，查閱相關(guān)資料，進行猜想與假設(shè)，設(shè)計可行的實驗方案。學(xué)習(xí)共同體進行評價，并及時反饋與指導(dǎo)。當(dāng)設(shè)計方案可行時，教師在虛擬平臺上進行學(xué)習(xí)資源的呈現(xiàn)，給學(xué)生提供學(xué)習(xí)支架，對實驗原理進行3D動畫模擬演示，回顧先決性知識。學(xué)生按照可操作的實驗方案，利用3D軟件設(shè)計實驗的工具和材料。實驗教學(xué)的目的不只是讓學(xué)生掌握實驗結(jié)論，更注重學(xué)生探索和解決問題的過程中思維能力的提高。在虛擬平臺上設(shè)置了異步討論功能，學(xué)生要定期匯報設(shè)計的進度，教師也要及時答疑解惑。在討論中，學(xué)生要認識到自己設(shè)計中出現(xiàn)的錯誤，并加以改正。教學(xué)組織者師應(yīng)積極創(chuàng)設(shè)支持學(xué)生自主學(xué)習(xí)和協(xié)作學(xué)習(xí)的條件，這是培養(yǎng)設(shè)計思維的有力保證，讓學(xué)生進行自主的意義建構(gòu)。針對不同難易程度的實驗內(nèi)容，合理安排在虛擬平臺上自主學(xué)習(xí)的時間。

在實體實驗室進行合作學(xué)習(xí)時，對于設(shè)計階段學(xué)生存在的軟件操作功能問題，教師給予技術(shù)指導(dǎo)，并且對設(shè)計過程進行引導(dǎo)，使其更有利于知識的建構(gòu)，這對教師掌握3D設(shè)計的能力和扎實的學(xué)科知識有很高的要求。完成設(shè)計作品時，使用3D打印機打印出個性化的實驗工具和材料，3D打印作品的材料、大小不同，消耗的時間就不同。在實驗操作階段，教師在實驗前應(yīng)重點講解實驗?zāi)康募白⒁馐马棧o助學(xué)生理解問題。在實驗過程中，教師注重對學(xué)生進行點撥和啟迪，讓學(xué)生的思維向解決問題的方向思考。教師組織學(xué)生利用3D打印出的實驗工具和實驗材料進行實驗，若實驗結(jié)果錯誤，反思出現(xiàn)問題的環(huán)節(jié)，進行迭代設(shè)計。若實驗成功，組織小組討論，探索實驗結(jié)論。學(xué)習(xí)共同體圍繞有關(guān)的設(shè)計內(nèi)容及問題從不同角度進行點評，提出修改意見。學(xué)生在虛擬實驗室中自主學(xué)習(xí)，再次進行迭代設(shè)計，對作品進行完善，撰寫設(shè)計報告和實驗報告。教師整理優(yōu)秀作品，在虛擬平臺上分享教學(xué)案例，在實體空間中展示3D打印作品，組織參觀與展覽。

3D打印技術(shù)在創(chuàng)新實驗教學(xué)的案例應(yīng)用

本案例基于高中數(shù)學(xué)實驗課程，旨在利用3DOne軟件探究正多面體的種類及特征。3DOne軟件是一款適合于中小學(xué)生創(chuàng)意設(shè)計的3D建模設(shè)計軟件，操作簡單，功能豐富。在學(xué)生已掌握了正多面體概念（每個面都是有相同邊數(shù)的正多邊形，每個頂點為端點都有相同棱數(shù)的凸多面體。）的前提下順利開展了打印活動。歐拉多面體公式為：V（頂點數(shù)）+F（面數(shù)）-E（棱數(shù)）=2。根據(jù)以上學(xué)習(xí)活動設(shè)計框架，探究正多面體的種類及特征的學(xué)習(xí)活動設(shè)計過程，如上頁表2所示。學(xué)生在學(xué)習(xí)活動結(jié)束后，對立體幾何的內(nèi)部空間構(gòu)造以及立體圖形的頂點、棱、面等元素的關(guān)系認識更清晰，立體空間思維得到提升。

總結(jié)

本研究對3D打印技術(shù)在創(chuàng)新實驗教學(xué)中的學(xué)習(xí)活動進行設(shè)計，為創(chuàng)新實驗教學(xué)中使用3D打印技術(shù)的學(xué)習(xí)活動提供了參考模型，在一定程度上提高了學(xué)生的設(shè)計思維和動手操作能力。本研究的后續(xù)研究方向是探討如何建設(shè)特色課程內(nèi)容，需要精準了解學(xué)生在基于3D打印技術(shù)支持下的創(chuàng)新實驗中的學(xué)習(xí)需求，對3D打印技術(shù)應(yīng)用在創(chuàng)新實驗教學(xué)中設(shè)計模型的大數(shù)據(jù)的收集和分析，如學(xué)生個體及學(xué)生總體的3D設(shè)計模型、3D打印記錄，以及網(wǎng)上現(xiàn)存的3D模型，掌握學(xué)生設(shè)計思維學(xué)習(xí)過程中的特征。目的是為了定位困難學(xué)生群體、影響學(xué)生學(xué)習(xí)的因素，設(shè)計更好的創(chuàng)新實驗的教學(xué)方法，以期能夠為大數(shù)據(jù)背景下的信息技術(shù)與課程整合提供更多實踐性參考。