淺談3D打印技術(shù)在教育教學(xué)中的應(yīng)用

孫向峰

摘要：近年來，一項(xiàng)新興技術(shù)獲得了越來越多的關(guān)注，即3D打印技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)不僅可以應(yīng)用在生物醫(yī)療、航空航天、建筑設(shè)計(jì)等多個(gè)領(lǐng)域，而且由于其可以增加學(xué)習(xí)趣味性，提高學(xué)生動(dòng)手操作能力，所以在教育教學(xué)領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用。同時(shí)通過研發(fā)的具體實(shí)例，讓學(xué)生切身體會(huì)一個(gè)項(xiàng)目的調(diào)查，構(gòu)思，設(shè)計(jì)，實(shí)際操作等步驟，完全模擬項(xiàng)目研發(fā)的全過程，為以后參加工作奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，本文從幾方面，詳細(xì)探討了3D打印技術(shù)在教育教學(xué)中的重要應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù);教育教學(xué);動(dòng)手能力;學(xué)習(xí)興趣

中圖分類號(hào)：G642? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）12-0147-03

3D打印技術(shù)因其具備生動(dòng)，鮮明、直觀等特點(diǎn)，所以在計(jì)算機(jī)教學(xué)中，可以有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，大大提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。同時(shí)在3D打印這門學(xué)科的學(xué)習(xí)中，可以大大提高學(xué)生們的空間感，這是中職學(xué)生比較欠缺的能力，而這種能力恰恰是學(xué)好計(jì)算機(jī)的必備條件。所以3D打印技術(shù)有利于培養(yǎng)學(xué)生的空間感，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)圖形圖像等知識(shí)的理解，使學(xué)生能夠更加高效地學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)知識(shí)。

1 明確3D打印技術(shù)原理增強(qiáng)學(xué)生好奇心

3D打印技術(shù)是一種增材制造技術(shù)。它基于數(shù)字模型。3D打印技術(shù)所使用的主要材料為具有黏合性的塑料或者粉末金屬，其構(gòu)造物體的主要方式為逐層印刷。在醫(yī)療工業(yè)、建設(shè)設(shè)計(jì)、航空航天等領(lǐng)域，3D打印技術(shù)應(yīng)用十分廣泛。除了上述領(lǐng)域外，3D打印技術(shù)還可以應(yīng)用于教育教學(xué)實(shí)踐中，從而幫助學(xué)生更好地建立起空間思維。

正確選擇應(yīng)用3D打印技術(shù)的方法，可以短時(shí)間內(nèi)增強(qiáng)學(xué)生的空間感。在實(shí)踐中，若要合理運(yùn)用3D打印技術(shù)，第一步要調(diào)查分析學(xué)生是否了解并且接受該新興技術(shù)，為3D打印技術(shù)使用做好鋪墊;第二步了解明確學(xué)生在學(xué)習(xí)空間與圖形相關(guān)知識(shí)內(nèi)容時(shí)存在的困惑和難點(diǎn)，以通過3D打印技術(shù)等教學(xué)措施有針對(duì)性的解決這些問題。

3D打印技術(shù)教學(xué)中最關(guān)鍵的一項(xiàng)是空間與數(shù)字模型，但遺憾的是，由于種種原因，這種教學(xué)方法未能取得理想的效果，學(xué)生未能順利建立起空間感。一方面是因?yàn)榻處熢诮虒W(xué)中所用的方法比較單一，傳統(tǒng)的教具很難將3D立體圖形準(zhǔn)確地描繪出來;另一方面則是因?yàn)閷W(xué)生動(dòng)手操作少，對(duì)三維立體空間圖形缺乏體驗(yàn)，學(xué)生無法直觀地表達(dá)三維立體空間思維。把3D打印技術(shù)的基本原理跟學(xué)生交代清楚后，學(xué)生們就會(huì)產(chǎn)生好奇心，從而為后續(xù)的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2 由簡(jiǎn)單實(shí)例入手，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的自信心

《趣味積木》和《驚喜兔子》兩套玩教具，是我在我校 “興遼英才計(jì)劃”的《3D打印技術(shù)在教育教學(xué)與模具設(shè)計(jì)中的研發(fā)與應(yīng)用項(xiàng)目》中，基于學(xué)校內(nèi)嵌式幼兒園，利用3D打印技術(shù)主持研發(fā)的幼兒教學(xué)模具。

在研發(fā)第一套玩教具的過程中，我也主動(dòng)讓學(xué)生們進(jìn)行了參與，發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)此很有興趣，同時(shí)，也想親手操作，大大提高了同學(xué)們的學(xué)習(xí)積極性。同時(shí)在研發(fā)過程中，我也把3D打印技術(shù)運(yùn)用在教育教學(xué)的課堂中，讓同學(xué)們有了很大的啟發(fā)。

《趣味積木》玩教具是由六個(gè)面組成的立方體，每一個(gè)面都是一種圖形分別為：形狀、數(shù)字、動(dòng)物形象、植物形象、長(zhǎng)方形以及顏色構(gòu)成。如下圖所示：

利用上面的手繪稿，我讓同學(xué)們?cè)?D max中重新建模，當(dāng)學(xué)生看到了自己繪制的圖形從二維圖形轉(zhuǎn)變成了三維立體模型產(chǎn)生一種驚喜的感覺，獲取了從未有的成功喜悅，玩具拿到手自己愛不釋手。從而激發(fā)他們對(duì)3D作品的創(chuàng)新與設(shè)計(jì)興趣。同時(shí)也帶動(dòng)了他們學(xué)習(xí)3D max軟件的勁頭。

3 開展社會(huì)調(diào)查，提高學(xué)生社會(huì)實(shí)踐能力

近年來，智能制造作為最具發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)產(chǎn)業(yè)，信息、控制、材料等技術(shù)不斷取得新進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)在制造領(lǐng)域的普遍應(yīng)用，也將3D打印技術(shù)淬煉得更加成熟。隨著3D打印技術(shù)的精密性、通用性不斷提升，其在越來越多的領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)廣泛應(yīng)用并發(fā)揮積極作用。教育是社會(huì)發(fā)展中的重要環(huán)節(jié)，在這一領(lǐng)域，3D打印技術(shù)應(yīng)用的新聞也屢見不鮮。特別是3D打印已成為教育行業(yè)的一種常態(tài)。在開發(fā)產(chǎn)品之前，讓同學(xué)們?nèi)ビ變簣@調(diào)查走訪，就幼兒玩教具做各項(xiàng)了解，從而提高他們的社會(huì)實(shí)踐能力。通過調(diào)查，他們會(huì)發(fā)現(xiàn)，就幼兒園而言，教師自制玩具占幼兒園玩具的比重越來越大。因?yàn)樵S多教師認(rèn)為，大多數(shù)商品化的兒童玩具在幼兒園教育實(shí)踐中是不合適的，而我們此次研發(fā)的驚喜兔子玩教具，基于本學(xué)校內(nèi)嵌式幼兒園的優(yōu)勢(shì)，能夠隨時(shí)考察幼兒及幼兒園教師實(shí)際所需，個(gè)性化、有針對(duì)地設(shè)計(jì)教具，同時(shí)利用3D打印技術(shù)能夠簡(jiǎn)化教具的生產(chǎn)流程，分層加工、疊加成型的工藝方式也不會(huì)產(chǎn)生原材料浪費(fèi)，PLA原材料具有良好的生物可降解性，高利用效率更不會(huì)產(chǎn)生毒氣、噪聲和化學(xué)物質(zhì)等污染，對(duì)于兒童來說更加安全環(huán)保。

4 開發(fā)有實(shí)用價(jià)值的產(chǎn)品，提高學(xué)生們的動(dòng)手能力

在上一個(gè)實(shí)例的基礎(chǔ)上，在同學(xué)們調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，又帶著同學(xué)們開發(fā)研制了《驚喜兔子》玩教具，它利用簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)原理，進(jìn)行組合使其產(chǎn)生動(dòng)態(tài)機(jī)械效果，幫助幼兒感知科學(xué)領(lǐng)域、學(xué)習(xí)簡(jiǎn)單的數(shù)字概念，同時(shí)認(rèn)識(shí)簡(jiǎn)單的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，提高他們對(duì)外在環(huán)境敏銳的思考力、觀察力、想象力。

《驚喜兔子》玩教具以可愛的兔子形象吸引幼兒的注意力，小兔子抱著一個(gè)禮物盒子坐在蘑菇上。每次打開禮物盒，里面的數(shù)字都會(huì)發(fā)生變化，像一只會(huì)變魔法的兔子在為小朋友表演魔法，刺激幼兒的手眼及大腦，更科學(xué)的幫助幼兒學(xué)習(xí)知識(shí)。

《驚喜兔子》玩教具外觀部分的頭部與身體外部是利用UG繪制的草圖，使用拉伸命令直接生成模，并打印完成;蘑菇則是利用草圖的旋轉(zhuǎn)拉伸命令生成的模型，并打印完成，造型是曲面的。

身體內(nèi)部為機(jī)械運(yùn)動(dòng)部分，主要由前部的連桿運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和后部的間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。

《驚喜兔子》玩教具不管在設(shè)計(jì)和制造過程中都應(yīng)用了3D建模和3D打印技術(shù)。而學(xué)生看到了這個(gè)作品的時(shí)候都在感嘆原來3D打印技術(shù)也可以這樣用呀，從而激發(fā)了他們的學(xué)習(xí)UG的熱情，也開拓了他們的思維方式，知道了3D打印技術(shù)正在朝著一體化打印的方向發(fā)展。

5 3D打印技術(shù)促進(jìn)了教學(xué)模式的改革

事實(shí)證明，一些學(xué)生在傳統(tǒng)教育中不善于學(xué)習(xí)技能和知識(shí)，主要是因?yàn)樗鶎W(xué)的課程過于理論化，對(duì)自己沒有興趣，死記硬背讓學(xué)生可以通過考試，但考試后，我很快忘記了3D打印機(jī)可以使枯燥的課程生動(dòng)起來。3D打印教學(xué)方法，可以同時(shí)兼顧三維視覺和三維觸覺，趣味性和感染力很強(qiáng)。一方面，學(xué)生可以通過視覺學(xué)習(xí)黑板上陳列的文字、圖形或模型設(shè)計(jì);另一方面，學(xué)生可以通過觸覺碰觸到三維實(shí)物，更加直觀地掌握核心概念。通過這種方式，學(xué)生可以充分學(xué)習(xí)掌握知識(shí)，并且增強(qiáng)知識(shí)理解深入性和記憶持久性。正如英國著名教師David White所說，要像抓住學(xué)生們的注意力，首先要抓住他們的想象力。教育想要不斷進(jìn)取，不斷突破，必須緊跟時(shí)代，與時(shí)俱進(jìn)。為此，在最近幾年內(nèi)，更多的學(xué)校乃至國家機(jī)關(guān)開始探索在教育領(lǐng)域應(yīng)用3D打印等新興技術(shù)。

近年來，諸多教育機(jī)構(gòu)通過融合新興3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)教學(xué)系統(tǒng)，不斷改進(jìn)創(chuàng)新教育教學(xué)模式。3D打印機(jī)的應(yīng)用，不僅可以提高學(xué)生掌握技術(shù)的速度和能力，而且其打印出的立體模型，可以有效提升學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)造能力。目前，教學(xué)中最常見的應(yīng)用是SLA和FDM 3D打印技術(shù)。

當(dāng)前，全球教育教學(xué)領(lǐng)域正在發(fā)生大變革，各項(xiàng)改革項(xiàng)目不斷推進(jìn)。其中極為重要的一項(xiàng)即是3D打印技術(shù)的融合應(yīng)用。在現(xiàn)今的國際環(huán)境下，我國想要在競(jìng)爭(zhēng)中保持核心競(jìng)爭(zhēng)力和先進(jìn)地位，必須更加重視教育，參與到最新的教育改革當(dāng)中，注重運(yùn)用3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。

3D打印應(yīng)用于教學(xué)領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)之一是學(xué)生可以獲得更加真實(shí)、更加直觀的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。學(xué)生可以親身參與教學(xué)的環(huán)節(jié)中，作為問題提出者的同時(shí)，也能成為問題的解決者。在這個(gè)過程中，老師則從引導(dǎo)者轉(zhuǎn)變?yōu)楹献髡撸c學(xué)生共同參與研究探索，獲得成長(zhǎng)。這樣的教育形式，無疑可以很大程度上提升學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力。也正是因此，3D打印技術(shù)在教育教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用成為當(dāng)前教育改革的大趨勢(shì)。

在今后的一段時(shí)間里， 教育領(lǐng)域?qū)⒗^續(xù)成為3D打印技術(shù)施展的平臺(tái)。為不斷提升學(xué)生的創(chuàng)新思維和能力，很多學(xué)校將設(shè)計(jì)與3D打印想融合，開設(shè)“學(xué)與做”課程，先由學(xué)生自主設(shè)計(jì)三維電路，再通過3D打印技術(shù)打印出模型組件，將學(xué)習(xí)與動(dòng)手相結(jié)合，從而增強(qiáng)課堂的趣味性。這樣的課程對(duì)于學(xué)生具有很強(qiáng)的吸引力，并能激勵(lì)他們?cè)跀?shù)學(xué)、科學(xué)、設(shè)計(jì)等領(lǐng)域不斷深耕，為國家培養(yǎng)優(yōu)秀的設(shè)計(jì)師、工程師。相信在未來，會(huì)有越來越多的學(xué)校關(guān)注到3D打印在教育中的促進(jìn)作用，逐步引入3D打印機(jī)和3D打印技術(shù)，豐富學(xué)生課堂，提升學(xué)生學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)和創(chuàng)新的積極性、主動(dòng)性。

3D打印技術(shù)的引入，也對(duì)教師提出了更高的要求。應(yīng)該看到，教師是3D打印教育中極為重要的一環(huán)，他們不僅是3D打印的直接設(shè)計(jì)者和使用者，運(yùn)用這一技術(shù)制作特定的教學(xué)用具，優(yōu)化課程，而且還需要對(duì)于3D打印課程進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，引導(dǎo)學(xué)生自主應(yīng)用3D打印技術(shù)開展學(xué)習(xí)活動(dòng)。教師需要從3D打印技術(shù)和教學(xué)設(shè)計(jì)等方面學(xué)習(xí)和提高自己的技能，做好帶頭人的工作。

6 拓寬3D知識(shí)，提高課堂效率

3D打印機(jī)在教育教學(xué)中究竟有無作用，有怎樣的作用，這是許多教育機(jī)構(gòu)和教學(xué)工作者一直在評(píng)估分析的。3D打印通常被稱為STEM工具或可以幫助教學(xué)人員的東西。教育3D打印機(jī)的應(yīng)用還處于早期發(fā)展階段。我們可以利用各種可能來提高課堂效率。

1）讓STEM變得有趣

科學(xué)技術(shù)工程和數(shù)學(xué)（STEM）往往與抽象和枯燥聯(lián)系在一起，很多孩子在學(xué)習(xí)相關(guān)概念時(shí)無法真正理解，只能死記硬背，這是因?yàn)檫@些概念對(duì)他們而言過于抽象和無趣。將3D打印技術(shù)融入教學(xué)，可以增加STEM學(xué)習(xí)的直觀性、趣味性和參與性。孩子們可以打印東西，并使用它們使stem教育成為一個(gè)愉快和有趣的活動(dòng)。

2）使抽象變具體

目前主流的機(jī)器設(shè)備大多是封閉性的，除了專業(yè)人士外，其他人很難透過外觀了解它們究竟是如何工作的。而3D打印則可以將對(duì)象逐層拆解、構(gòu)建，將設(shè)備抽象的內(nèi)部構(gòu)成變的具象而直觀。大人們可以通過3D打印配件，向孩子們展示3D切片軟件如何配合工作，甚至讓他們了解背后的代碼，掌握3D打印的核心。通過運(yùn)用3D打印機(jī)，向孩子們直觀展示技術(shù)系統(tǒng)如何構(gòu)成，了解技術(shù)協(xié)同工作的原理。我們的世界是一個(gè)復(fù)雜的世界，理解與硬件和軟件的交互將使他們受益。

3）讓孩子們參與制作

3D打印技術(shù)可以讓孩子們自己動(dòng)手，學(xué)習(xí)電路板、固件、電子產(chǎn)品等是怎樣做出來的，怎樣組裝起來的，獲得更強(qiáng)的教育知識(shí)。如果您要求他們構(gòu)建3D打印機(jī)，他們將了解如何組裝他們作為團(tuán)隊(duì)不了解的復(fù)雜事物。這種學(xué)習(xí)更符合他們以后在生活中遇到的情況。在成長(zhǎng)過程中，人們會(huì)逐漸懂得合作、堅(jiān)持、自主學(xué)習(xí)的意義，但在兒童階段，卻因?yàn)闊o法理解這些而不得不通過死記硬背的方式學(xué)習(xí)新知。作為一個(gè)團(tuán)隊(duì)，試圖承擔(dān)某些事情是真正的學(xué)習(xí)。讓他們一起工作來制作和探索新技術(shù)并完成某些事情既有趣又充滿挑戰(zhàn)。

7 結(jié)論

綜上所述，3D打印技術(shù)運(yùn)用到教育領(lǐng)域中，大大提高了我們的教學(xué)效率，但如何充分發(fā)揮新技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，如何通過技術(shù)在教育中的應(yīng)用體現(xiàn)和提升其價(jià)值，還是有很多問題要解決的。同時(shí)存在著很多問題的。比如， 3D打印在推廣和普及等方面還存在一些障礙。目前國內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)了不少優(yōu)秀項(xiàng)目，對(duì)于3D打印在教學(xué)中的應(yīng)用起到良好的推動(dòng)作用。但總體而言，與其他國家尤其是一些發(fā)達(dá)國家相比，我國在3D打印技術(shù)推廣方面還有著不容忽視的差距。讓3D打印技術(shù)在教學(xué)機(jī)構(gòu)普及，還任重道遠(yuǎn)，需要教育行政部門、教育機(jī)構(gòu)以及社會(huì)各界的共同努力，推動(dòng)該技術(shù)的深入、持續(xù)發(fā)展和不斷推廣、普及。

參考文獻(xiàn)：

[1] 呂鑒濤.3D打印原理技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2017.

【通聯(lián)編輯：朱寶貴】