3D打印技術在中小學教育的應用研究

韓奇 鐘紅 魏曉風

摘要：經(jīng)過30年的發(fā)展，3D打印技術獲得了長足的飛躍，3D打印技術來到了21世紀的舞臺上，推動了工業(yè)4.0的產(chǎn)生，標志著快速成型技術的誕生。3D打印技術在軍事、醫(yī)學等很多領域大放異彩，3D打印如今在中小學教育的應用逐漸顯示出其特色，已成為不可或缺的元素。文章概述了3D打印技術的概念、原理、類型及其在國內外的應用現(xiàn)狀，著重對3D打印技術在我國中小學教育領域的應用及其在應用過程中所面臨的挑戰(zhàn)進行闡述。

關鍵詞：3D打印技術；中小學教育；教育應用；創(chuàng)客教育

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）20-0141-02

Application Research of 3D Printing Technology in Primary and Secondary Education

HAN Qi， ZHONG Hong， WEI Xiao-feng

（Foshan University， Foshan 528000， China）

Abstract： After 30 years of development， 3D printing technology has made great progress. 3D printing technology has come to the stage of the 21st century， which has promoted the emergence of Industry 4.0 and marked the birth of rapid prototyping technology. 3D printing technology shines in many fields such as military and medicine. 3D printing has gradually shown its characteristics in the application of primary and secondary education and has become an indispensable element. The article outlines the concept， principles， types of 3D printing technology and its application status at home and abroad， and focuses on the application of 3D printing technology in China's primary and secondary education and the challenges it faces in the application process.

Key words：3D printing technology； Primary and secondary education；Educational applications；Maker education

1 3D打印技術概述

1.1什么是3D打印

3D打印是一種快速成型技術，是根據(jù)數(shù)字媒體文件為基礎，運用塑料等可粘合的材料，通過逐層堆積融合的方式來實現(xiàn)物體[1]。3D打印的基本原理是：數(shù)字分層-物理層積。通俗的話來說，就是3D打印機將計算機三維模型分成一層層的部分，打印機對獲得某一層的打印材料和加工方式的數(shù)據(jù)后進行打印，逐層打印并堆積后，最終將三維模型打印成實物。

1.2 3D打印技術類型

現(xiàn)如今，3D打印技術的分類還沒有形成一個統(tǒng)一的標準，根據(jù)3D打印在各領域內所用到的各種3D打印材料，從物理形態(tài)上主要包含液態(tài)光敏樹脂材料、薄材（ 紙張、塑料膜）、低熔點絲材和粉末材料四種[2]。此種分類方法從材料成分上包含了幾乎所有的打印材料，在中小學教育領域中3D打印機主要使用的是低熔點絲材。

2 3D打印技術國內外應用現(xiàn)狀

3D打印技術已在很多領域應用廣泛，如軍事、建筑、醫(yī)療、航空航天、工業(yè)、時裝、設計等許多不同的領域。例如在軍事領域，國外利用3D打印技術制造出手槍、飛機零部件、火箭發(fā)動機部件等，我國也相繼利用3D打印技術制造出飛機部件等[3]。

在教育領域，《新媒體聯(lián)盟地平線報告（2015基礎教育版）》中提到3D打印是未來2到3年內教育領域將會采納的技術[4]。在我國，國家教育部在2017年10月頒發(fā)的《中小學綜合實踐活動課程綱要》中提到：鼓勵學生了解3D打印技術，學習三維建模的方法和使用3D打印機的方法等3D打印的相關內容?，F(xiàn)在國內省市大中小學、教育機構等各教學空間都基本配備3D打印設備，許多中小學校中都已組建相應的3D打印社團，建設創(chuàng)客空間，開展相應的3D打印實踐活動和比賽。很多省市教育局與學校聯(lián)合成立相關的3D打印教育聯(lián)盟和創(chuàng)客聯(lián)盟，使3D打印更深入地滲透到中小學教育中。

3 3D打印技術在中小學教育的應用

3.1 3D打印作為學習的對象

3D打印作為一種快速成型的技術，在中小學教育中，可作為一種學習的對象，理解3D打印的概念，教會學生將自己的想法設計出來并建立模型，如何使用3D打印將其實現(xiàn)物體。2010年，美國弗吉尼亞大學在夏洛茲維爾市的幼兒園至12年級的學生推廣3D打印技術，讓學生了解未來的制造技術，他們將3D打印機帶入課堂，比如教幼兒園的孩子們怎么設計和打印彈弓[5]。在我國，隨著桌面型3D打印機的普及和應用領域擴大，3D打印機已經(jīng)被引入了很多的公司和高校，逐步在中小學教育上應用。2015年廣州海珠區(qū)小學四年級信息技術課程使用3Done打印軟件開展3D打印課程[6]。2012年秋季，上海和田路小學與高校合作開發(fā)面向小學四、五年級學生的3D打印校本課程--《虛實創(chuàng)造課程》[7]。

如今在中小學信息技術課程中逐步添加3D打印課程，3D打印作為課程的教學目標，讓學生學會3D打印課程的操作流程和使3D打印實現(xiàn)創(chuàng)意的工具。3D打印課程在中小學的設立為了適應現(xiàn)代教育方法的改革，改善傳統(tǒng)教學理念和教學過程，激發(fā)學生的學習興趣，豐富學生的想象力，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新創(chuàng)造能力，提高學生動手的能力，鍛煉學生“從做中學”的實踐學習性。

3.2 3D打印作為構建學習環(huán)境的條件

學習環(huán)境是建構主義學習理論中的重要概念，建構主義認為，學習者的知識是在一定的情境下，借助他人的幫助，如人與人的協(xié)作、交流、利用必要的信息等，通過意義的建構而獲得的[8]。學生進行發(fā)現(xiàn)性或探究性學習時，學生通過教師提供的知識或問題，經(jīng)過自己的思考，發(fā)現(xiàn)一定的原理和相關的概念。完成某一個模型或快速驗證時，3D打印作為構建學習環(huán)境的條件時，提供的是一種快速成型的作用，可使其快速完成結果并驗證。

3.3 3D打印融入課程教學

1）3D打印作為協(xié)助教學的工具

在中小學的一些學科，例如：數(shù)學、物理、化學、生物等學科，教師對書本上的一些事物和物體進行講解時，沒有實物的展示往往使學生理解起來很困難。例如在化學中分子、質子等微觀物體進行知識點講解時，如果使用3D打印將此類微觀物體打印出來在課堂上展示，學生對3D打印微觀物體的印象會很深，對于此課程知識點的理解也會很深。與此相似的課程知識點還有生物課程中細胞的構造、突觸的構造等等。3D打印技術在此時作為教學和學習的工具應用到抽象化的學科中，展現(xiàn)出在學科教學的功能優(yōu)勢，極大地擴大和豐富教學知識的理解，使學生不再只是概念化的學習，而是通過實物化的方式開闊自己的思路，提高了學習效率和知識容量[9]。

2）3D打印改變了以教為主的教學設計模式

3D打印改變了以教為主的教學設計模式。3D打印在中小學教育中的使用，使師生、生生之間的交流增加，學生之間的活動與交流使學生產(chǎn)生了思維碰撞，在探索與發(fā)現(xiàn)中獲得知識。教師可從傳統(tǒng)的“以教為主”的教學模式轉變?yōu)椤耙詫W為主”的教學模式。以3D打印為核心開展的“以學為主”教學活動注重學生之間的協(xié)作和交流，以教學目標為導向，以擬解決的問題或項目為起點，小組協(xié)作自主解決問題，3D打印技術充當學習活動中的條件和工具，升華學生之間的協(xié)作學習。教師在“以學為主”的教學模式中起引領者和輔導者，學生通過這種自由發(fā)展的活動，提高了學生探索新知識和新事物的興趣，激發(fā)了學生的創(chuàng)造力，增強了學生之間的合作協(xié)助的能力。

3.4 3D打印與創(chuàng)客教育

狹義上的創(chuàng)客是指那些酷愛科技、熱衷實踐、樂于分享，努力把各種創(chuàng)意轉變?yōu)楝F(xiàn)實的人。創(chuàng)客教育的主要理念是提高學生項目式學習、動手操作、協(xié)作分享的能力，培養(yǎng)學生創(chuàng)新的思維和創(chuàng)造的能力。3D打印與課程教學融合時，與創(chuàng)客教育的理念相符合。學生在創(chuàng)客空間完成“DIY”作品或者在課堂上完成某個知識點的驗證，從提出想法，到設計建模，再打印出物體，對打印的作品展示和評價，3D打印機在過程中充當了必要的物理條件。3D打印在教育的應用使學生之間的思維發(fā)生碰撞，激發(fā)了學生的空間想象能力，增強了學生創(chuàng)新設計能力，使學科知識之間融合，在做的過程中學習到知識，在探索和造物中體現(xiàn)協(xié)作分享，與創(chuàng)客教育結合了起來。3D打印技術在中小學教育上的應用，使創(chuàng)客教育在中小學教育的開展更為通暢。

4 3D打印技術在中小學教育領域的挑戰(zhàn)

4.1 3D打印在課堂上的可行性

如今，3D打印技術在各個領域都能大放異彩，但在我國中小學教育的使用和發(fā)展則有著很大的阻力。首先，3D打印機價格昂貴，現(xiàn)如今雖然很多中小學校和教育機構都具備了3D打印機，但遠遠沒到普及的時候。在教學中，如果要打印一個地理地勢高低的模型，使用小型3D打印機則會浪費很多的打印時間，尤其在模型很大很復雜和打印次數(shù)很多的情況下，一些3D打印機的精度不夠使其展示效果不佳，而采用虛擬模型通過計算機展示也可以達到同樣的效果。在打印一些使用材料過多的模型時，多次打印造成的材料經(jīng)費使經(jīng)費不夠的學校得不償失。

3D打印技術在各學科上的應用只是作為輔助和演示工具，在所有學科上使用3D打印，不僅需要大量的物力財力，而且還要在3D打印教師培訓方面花費很多的時間，雖然3D打印技術在各學科之間的優(yōu)越性理想上是充滿前景的，但最后的教學效果能不能達到理想的效果也是一個未知數(shù)，需要技術的發(fā)展和時間的鑒定。

4.2 3D打印在中小學教育的推廣

如今我國正大力推廣創(chuàng)客教育，對于3D打印技術在教育的推廣有了水到渠成的作用。創(chuàng)客教育的目標與3D打印的方向大相徑庭，3D打印在創(chuàng)客教育中扮演著重要的角色。但是創(chuàng)客活動的開展不僅只有3D打印課程，還包括其他創(chuàng)意編程、創(chuàng)意機器人、電子類創(chuàng)客課程等，創(chuàng)客活動的開展需要足夠的設備和資源，如何更好地推廣和使用3D打印課程在創(chuàng)客活動中，是創(chuàng)客活動順利開展的重要因素。中小學應試教育的局限性使素質教育的推廣難度加大，由此3D打印課程的推廣也受到了一定的阻礙，學校和學生對3D打印課程的不重視，專業(yè)性課程教師的缺乏也是推廣受阻的重要原因。3D打印課程中，3D建模和打印技術的推廣需要更多經(jīng)過專業(yè)培訓的教師，3D打印課程培訓的體系如今并沒有全國統(tǒng)一的標準，部分城市和地區(qū)在當?shù)亟逃值拈_展下逐步完善其培訓的方案和課程。如今國家對于創(chuàng)客教育和3D打印的重視，相信未來幾年，會逐步有規(guī)范的專業(yè)教師培訓課程和方案。

4.3 中小學3D打印課程教材

3D打印課程如今在我國部分地區(qū)已經(jīng)開展，由于各省市地區(qū)中小學教育方面中3D打印課程發(fā)展的不平衡，各省市并沒有給出統(tǒng)一的教學目標和內容，也沒有相應的統(tǒng)一教材，只有一些學校根據(jù)自己的本身的情況編寫的校本教材。3D打印課程的推廣需要相應的教學目標，教學內容和教學標準，有了統(tǒng)一的標準，結合地區(qū)發(fā)展的不同，各地區(qū)可根據(jù)本地區(qū)教學情況和發(fā)展情況編寫相應的教材或再次詳細教學目標，學校也可根據(jù)自己學校的發(fā)展編寫相應的教材，3D打印教材的制定沿著未來教育的走向而發(fā)展。

5 結論

3D打印技術被認為是第三次工業(yè)革命的重要標志之一，其廣闊的前景和發(fā)展對整個工業(yè)革命有著重大的影響。3D打印的即時性、創(chuàng)新性、創(chuàng)造性使其能在教育領域的應用前景越來越開闊，其特性決定了迎合了我國中小學教育發(fā)展的方向，同時也帶來了新的教學和學習模式，3D打印與各學科的融合并推動學科教學的發(fā)展，將受到越來越多的關注和期待。

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