基于3D打印技術(shù)的中小學(xué)創(chuàng)新能力培養(yǎng)研究

冉龍旭　于國龍　聶小雙　余紅　張應(yīng)奎

摘要：隨著科技的飛速前進(jìn)，創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和提高在中小學(xué)教育中顯得越來越重要。3D打印作為當(dāng)今時(shí)代的一項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，雖然在許多不同領(lǐng)域里都得都到了廣泛的應(yīng)用，但它在教育方面的運(yùn)用還處于啟蒙階段。本研究將3D打印技術(shù)與創(chuàng)新能力培養(yǎng)相結(jié)合，從理論方面和實(shí)踐方面出發(fā)，闡述了怎樣在3D打印技術(shù)教學(xué)過程中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：3D打??；創(chuàng)新能力；3D打印教學(xué)

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）10-0147-02

Abstract： with the rapid advancement of science and technology， the cultivation and improvement of innovation ability is becoming more and more important in education. As an innovative technology of The Times， 3D printing has been widely used in many different fields， but its application in education is still in the enlightenment stage. This research combines 3D printing technology with innovation ability training， and explains how to cultivate students' innovation ability in 3D printing technology teaching process from theoretical aspects and practical aspects.

Key words： 3D printing；innovation capability；3D printing teaching

在現(xiàn)在這個(gè)科技飛速發(fā)展的時(shí)代，創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和提高在中小學(xué)教學(xué)中變得越來越重要。在學(xué)習(xí)過程中，要想提高同學(xué)的想象力，首先要激起同學(xué)的學(xué)習(xí)興趣，其次再引導(dǎo)他們建立起一個(gè)立體化思維體系?；?D打印技術(shù)的創(chuàng)新能力培養(yǎng)，不僅可以使一些在傳統(tǒng)教育中表現(xiàn)不好的學(xué)生也產(chǎn)生學(xué)習(xí)興趣，還能培養(yǎng)他們的創(chuàng)新能力，讓他們體驗(yàn)到新技術(shù)帶來的巨大能量，增強(qiáng)他們的自信心。將3D打印技術(shù)引入課堂，學(xué)生不但能夠?qū)W習(xí)到3D打印技術(shù)并在3D打印物品中更具體地學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)，而且還能見識(shí)到新技術(shù)、提高自我的操作能力和創(chuàng)新能力。

3D打印技術(shù)引入課堂教學(xué)后，將顛覆傳統(tǒng)的教育方式。在3D打印技術(shù)的教學(xué)過程中，同學(xué)在親眼看到3D實(shí)體模型的同時(shí)，在大腦中構(gòu)思并自己制造3D模型。在這種環(huán)境下，無聊的教學(xué)將會(huì)變得形象有趣，學(xué)生的創(chuàng)新能力和動(dòng)手能力將得到大大的提升。

1 3D打印技術(shù)在教學(xué)中的現(xiàn)狀及問題

3D打印技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)30多年，只是它始終游離在大眾視線以外，一直到最近幾年它的價(jià)格堡壘被打破才逐漸進(jìn)入了公眾的視線。在國外，很多學(xué)校都已經(jīng)把3D打印技術(shù)引入課堂教學(xué)。我國3D打印技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用還處在啟蒙階段，但是隨著3D打印機(jī)各方面費(fèi)用降低以及對(duì)技術(shù)方面要求的降低，它的應(yīng)用領(lǐng)域會(huì)逐步擴(kuò)大，政府和學(xué)校一定會(huì)越來越重視這項(xiàng)技術(shù)。

1.1 3D打印技術(shù)的教學(xué)現(xiàn)狀

上世紀(jì)90年代初以來，一些高校在3D打印設(shè)備制造、3D打印材料等范疇展開了深入的研究并獲得了一定的成就，有些技術(shù)已經(jīng)達(dá)到國際頂尖水平。在發(fā)達(dá)國家，3D打印技術(shù)幾乎已經(jīng)成為了中小學(xué)必不可少的課程，其中以英國政府最為重視，2012年，英國教育部與英國數(shù)學(xué)創(chuàng)優(yōu)中心、英國物理院聯(lián)合開展活動(dòng)，從四十多所一流的中小學(xué)中選出了二十一所學(xué)校當(dāng)做測試點(diǎn)，將3D技術(shù)應(yīng)用到數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)等科目中；到2013年，試點(diǎn)學(xué)校已經(jīng)增加到了六十所；從2014年起，英國計(jì)劃年滿5歲的兒童就必須學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)和3D打印技術(shù)；2016年，英國政府要求每一所學(xué)校都必須配備3D打印機(jī)。

1.2 3D打印技術(shù)在教學(xué)中產(chǎn)生的問題

目前，我國在教育領(lǐng)域的確逐步開始了將3D打印引入課堂教育的嘗試，可是基本都是剛剛起步，還有不少的困難需要克服。主要困難在四個(gè)方面：一是成本方面，由于3D打印機(jī)的使用成本較高，要把3D打印技術(shù)普及到課堂教學(xué)中還是有一定的困難；二是打印材料方面，不是全部材質(zhì)的材料都能制作成精細(xì)的糊狀，現(xiàn)在3D打印的制作材料多數(shù)是應(yīng)用化學(xué)聚合物，材料可選擇的范圍比較窄，制作成品的物理特性并不像想象中那么好；三是使用方面，就目前來看，我國3D打印技術(shù)的使用范圍并不是很廣泛，在中小學(xué)教學(xué)中也還未設(shè)有需要使用3D打印技術(shù)的相應(yīng)課程；四是使用性能方面，3D打印技術(shù)的使用性能還在不斷地完善中。

2 3D打印技術(shù)在教學(xué)中的優(yōu)勢分析

2.1 能夠幫助學(xué)生提高學(xué)習(xí)興趣

在過去的課堂教學(xué)中，老師和同學(xué)是缺乏交流的，老師總是一味的講課而不顧同學(xué)的思緒身處何方，這種情況下，老師的講課如同催眠或是聽望天書，沒有絲毫趣味可言。而基于3D打印技術(shù)的課堂教學(xué)，是一種在“做中學(xué)”的教學(xué)模式。在這種教學(xué)模式下，課堂氛圍不再是死氣沉沉的，學(xué)生會(huì)有充分的時(shí)間動(dòng)腦思考，有更多機(jī)會(huì)動(dòng)手操作，這樣的課堂會(huì)充滿歡聲笑語，同學(xué)之間愉快討論學(xué)習(xí)問題，老師和同學(xué)也會(huì)增加彼此間的溝通交流。當(dāng)老師在黑板上畫一個(gè)平面圖來解釋一個(gè)多維立體的東西，可以使用3D打印機(jī)來輔助教學(xué)，打印出對(duì)應(yīng)的實(shí)物結(jié)合適當(dāng)?shù)陌鍟虒W(xué)，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中參考實(shí)物理解，從而提高教學(xué)質(zhì)量。在實(shí)驗(yàn)課上，學(xué)生還可以分組設(shè)計(jì)不同的3D模型，每個(gè)學(xué)生都能積極參與討論與設(shè)計(jì)，說出自己想法并實(shí)施；實(shí)體模型還可進(jìn)行小組評(píng)比來提高他們的學(xué)習(xí)興趣，他們能通過觀察別人的優(yōu)勢彌補(bǔ)自己的不足。因此，可以說在“做中學(xué)”這種教學(xué)方式，對(duì)于提高中小學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣是非常有幫助的。

2.2 有助于學(xué)生建立立體化思維體系

將3D打印技術(shù)引入教學(xué)，有利于提高學(xué)生的空間想象力和動(dòng)手操作能力，可以促進(jìn)學(xué)生建立立體化的思維體系。3D模型設(shè)計(jì)是一個(gè)培養(yǎng)創(chuàng)新思維能力的過程，3D思維模式是對(duì)傳統(tǒng)思維模式進(jìn)行重建，3D打印則是對(duì)設(shè)計(jì)和思考的具體實(shí)現(xiàn)。3D打印技術(shù)可以幫助學(xué)生在大腦中建立立體化的思維體系。比如老師在教授難理解的概念知識(shí)的時(shí)候，學(xué)生絞盡腦汁也想象不出它的空間結(jié)構(gòu)，此時(shí)老師就可以引導(dǎo)學(xué)生想象出三維物體結(jié)構(gòu)，讓學(xué)生用設(shè)計(jì)軟件自己設(shè)計(jì)出3D模型。在設(shè)計(jì)和思考的過程已經(jīng)加深了對(duì)這個(gè)知識(shí)點(diǎn)的理解，再用3D打印機(jī)將這個(gè)3D模型打印出來，通過觀察實(shí)體模型來理解知識(shí)，可以更加一目了然。這個(gè)過程不僅能夠使學(xué)生手腦合一的學(xué)習(xí)，還可以使學(xué)生在大腦里慢慢建立起一個(gè)立體化的思維體系。

2.3有助于提高學(xué)生創(chuàng)新能力

中小學(xué)生想象力是最發(fā)散的，不像成年人會(huì)受已有知識(shí)的限制，所以在3D打印技術(shù)課堂教學(xué)過程中，可以先讓學(xué)生在自己的大腦中想象并設(shè)計(jì)出一個(gè)創(chuàng)意模型，然后再使用3D打印機(jī)打印出來。當(dāng)他們看到自己設(shè)計(jì)的作品時(shí)，心中會(huì)充滿成就感，并展開無限遐想。此時(shí)，在課堂中不斷地鼓勵(lì)學(xué)生設(shè)計(jì)不同的3D模型，能夠激發(fā)學(xué)生真正的潛能。在引導(dǎo)他們不斷地發(fā)問的同時(shí)，也要要求他們提高自己解決問題的能力，鼓勵(lì)他們自己翻開課本和上網(wǎng)查詢，解除他們的疑惑，因?yàn)槔蠋煵灰欢ㄓ凶銐虻臅r(shí)間能解答所有問題，所以要合理引導(dǎo)他們的創(chuàng)新思維并幫助學(xué)生團(tuán)隊(duì)填充短板思維，而這種教學(xué)法在3D打印技術(shù)課堂中是可以實(shí)現(xiàn)的。因此，基于3D打印技術(shù)的課堂教學(xué)，有助于提高學(xué)生創(chuàng)新能力。

3 3D打印技術(shù)在中小學(xué)生教學(xué)中的應(yīng)用

3.1 在理論方面的應(yīng)用

把3D打印技術(shù)應(yīng)用到教育中，能夠把課本上學(xué)生難以理解的知識(shí)點(diǎn)轉(zhuǎn)化成學(xué)生能夠看懂的實(shí)體模型，通過對(duì)實(shí)體模型的觀察來幫助學(xué)生學(xué)懂知識(shí)的難點(diǎn)，這種邊做邊學(xué)的教學(xué)模式能夠培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。3D打印技術(shù)應(yīng)用到教育，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)教學(xué)的弊端，將三維物體呈現(xiàn)在學(xué)生面前而不是傳統(tǒng)教學(xué)的跟著書本念，針對(duì)空間想象能力普遍較差的中小學(xué)生，在講解知識(shí)的時(shí)候拿出實(shí)體，讓學(xué)生更直觀，更清晰的學(xué)習(xí)。通過與傳統(tǒng)的教學(xué)模式相對(duì)比，3D打印技術(shù)教學(xué)在教育領(lǐng)域中具有明顯的優(yōu)勢。

3.2 在“數(shù)學(xué)”學(xué)科中的應(yīng)用

相對(duì)其他學(xué)科而言，數(shù)學(xué)是缺乏形象性的一門學(xué)科，以往的數(shù)學(xué)課堂教學(xué)都是通過不停地計(jì)算、推理來掌握知識(shí)點(diǎn)。而將3D打印技術(shù)與數(shù)學(xué)結(jié)合教學(xué)，可以把抽象難理解的定理形象地展現(xiàn)在學(xué)生面前。例如，對(duì)于空間想象力普遍較差的小學(xué)生，可以用3D打印機(jī)打印出實(shí)體模型來讓他們觀察學(xué)習(xí)，也可以讓他們自己設(shè)計(jì)簡單的數(shù)學(xué)模型打印出來，他們就能更容易地理解教師所講的知識(shí)難點(diǎn)。

3.3 在“科學(xué)”學(xué)科中的應(yīng)用

科學(xué)這門學(xué)科包含了多方面的知識(shí)，各個(gè)小學(xué)都有開設(shè)科學(xué)這門學(xué)科，主要是培養(yǎng)小學(xué)生探索奧秘的精神，以及尋求問題答案的執(zhí)著追求，通過各種科學(xué)實(shí)驗(yàn)幫助他們找到問題的答案。但是科學(xué)實(shí)驗(yàn)很多是不方便實(shí)施的，而當(dāng)3D打印技術(shù)與科學(xué)相結(jié)合時(shí)，就可以很好地解決這個(gè)難題。比如老師要講一個(gè)細(xì)胞模型，可以通過3D打印機(jī)打印出來，讓學(xué)生直觀地看到細(xì)胞結(jié)構(gòu)，印象更深刻，讓他們邊觀察實(shí)物模型教師邊講授相關(guān)知識(shí)，這能使學(xué)生理解知識(shí)的速度更快。在做物理中的各種實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以把學(xué)生分成幾個(gè)小組，讓他們自己設(shè)計(jì)模型并打印出來完成實(shí)驗(yàn)，這可以培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力和思維創(chuàng)新能力。

4總結(jié)

綜上所述，將3D打印技術(shù)引入到中小學(xué)的課堂教學(xué)中，能夠讓師生之間有更多的交流互動(dòng)時(shí)間，幫助學(xué)生找回學(xué)習(xí)興趣；能夠讓學(xué)生有自由想象的空間，幫助他們提高創(chuàng)新能力；有助于學(xué)生建立立體化的思維體系等。因此，3D打印技術(shù)普及到中小學(xué)教育中，必定會(huì)有諸多的益處和廣大的發(fā)展空間。

參考文獻(xiàn)：

[1]臧珊珊. 面向創(chuàng)客教育的小學(xué)3D打印立體化教材的設(shè)計(jì)與開發(fā)研究[D].深圳大學(xué)，2017.

[2]常偉.3D打印技術(shù)的教育創(chuàng)新初探[J].大眾文藝，2017（10）：245.

[3]張景龍，張劍波.3D打印技術(shù)在高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育中的應(yīng)用[J].張家口職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2016，29（4）：60-63.

[4]徐德亮.技術(shù)是驅(qū)動(dòng)教育創(chuàng)新的引擎——3D打印在中小學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用[J].中小學(xué)信息技術(shù)教育，2016（10）：65-66.

[5]王同聚.3D打印技術(shù)在創(chuàng)客教育中的應(yīng)用與實(shí)踐——以中小學(xué)創(chuàng)客教育為例[J].教育信息技術(shù)，2016（6）：11-14.

[6]潘愛瓊，周浩兵.基于3D打印技術(shù)的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)初探[J].時(shí)代教育，2016（3）：19+21.

[7]Lin Zhang. Customized Design and Production with 3D Printers in Cloud Manufacturing[A]. 武漢理工大學(xué).2015物聯(lián)網(wǎng)及其應(yīng)用國際論壇會(huì)議文集[C].武漢理工大學(xué)，2015：2.

[8]Li-hua XIN. Exploration and Application of 3D Printing Technology in Innovative Experimental Training[A]. Advanced Science and Industry Research Center.Proceedings of 2014 International Conference on Social，Education and Management Engineering（SEME 2014）[C].Advanced Science and Industry Research Center，2014：5.