☆李媛媛　艾賢明

（西華師范大學(xué)教育學(xué)院，四川南充　637002）

3D 打印技術(shù)在高中通用技術(shù)課程中的應(yīng)用研究

☆李媛媛艾賢明

（西華師范大學(xué)教育學(xué)院，四川南充637002）

通過介紹3D打印技術(shù)及其在國內(nèi)教育中的應(yīng)用案例，分析3D打印技術(shù)與高中通用技術(shù)課程的結(jié)合點。將3D打印技術(shù)引入通用技術(shù)課程，有助于提高學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)積極性、動手設(shè)計能力和創(chuàng)新能力。當前由于3D打印技術(shù)及其打印材料的限制，使其在教育教學(xué)中的應(yīng)用還有待普及，但是隨著技術(shù)進步，3D打印技術(shù)走進通用技術(shù)課堂是時代發(fā)展和開展創(chuàng)新型教育的必然趨勢。

3D打印技術(shù)；通用技術(shù)；教學(xué)

引言

《地平線報告》是美國新媒體聯(lián)盟與美國高等教育信息化協(xié)會合作發(fā)布的可能在教育領(lǐng)域普及應(yīng)用的新技術(shù)報告。2013年《地平線報告》首次將3D打印的教育應(yīng)用列入“待普及”，預(yù)測未來4-5年內(nèi)會用于教育。2014年《地平線報告》再次提到3D打印，指出未來2-3年內(nèi)教學(xué)會采用該技術(shù)。目前，3D打印技術(shù)已經(jīng)在工業(yè)制造、建筑設(shè)計、生物醫(yī)療等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，將3D打印技術(shù)引入課程教學(xué)尤其是在高中通用技術(shù)課程中，能夠促進通用技術(shù)課程目標的實現(xiàn)。

一、3D打印技術(shù)簡介

3D打印技術(shù)起源于20世紀80年代，最早是美國德州大學(xué)奧斯汀分校開發(fā)出選擇性激光燒結(jié)技術(shù)，隨后3D打印在麻省理工大學(xué)得到進一步發(fā)展，畢業(yè)生們嘗試將非傳統(tǒng)的物質(zhì)應(yīng)用于噴墨打印機，由此創(chuàng)造出了當今的3D打印技術(shù)。［1］

3D打印技術(shù)，又稱“添加制造”技術(shù)，是“一種與傳統(tǒng)的材料去除加工方法相反的，基于三維數(shù)字模型的，通常采用逐層制造方式將材料結(jié)合起來的工藝。［2］3D打印技術(shù)打印三維物體的本質(zhì)是以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用粉末狀金屬或塑料等可固化材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。

3D打印機打印一個物品的流程主要分為四個階段，即建模、分層、打印和后期處理。［3］利用三維掃描儀或三維制圖軟件制作三維模型；根據(jù)3D打印機的精確度及標準，用相關(guān)軟件將虛擬模型分成若干層；然后，按照分層之后的數(shù)據(jù)，以添加制造的方法填充相應(yīng)的每一層；最后，需要對打印出來的物品進行修整、打磨及上色等后期處理。

二、國內(nèi)3D打印在教育中的應(yīng)用案例

3D打印技術(shù)主要應(yīng)用于工業(yè)制造、建筑設(shè)計、食品、生物醫(yī)療和教育等領(lǐng)域，并且有許多成功的3D打印案例。在生物醫(yī)療領(lǐng)域，英國牛津大學(xué)的黑根·貝利教授在《科學(xué)》雜志上發(fā)表，他們已經(jīng)利用特制3D打印機打印出類似生物組織的材料，打印出來的材料質(zhì)地與大腦和脂肪組織相似，可做出類似肌肉樣活動的折疊動作，且具備像神經(jīng)元那樣工作的通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可用于修復(fù)或增強衰竭的器官。［4］在工業(yè)領(lǐng)域，美國Autodesk公司軟件工程師埃文·阿瑟頓通過一臺ObjectConnex500 3D打印機，使用橡膠和塑料兩種材料混合打印出一款球形音箱的水晶外殼。2013年5月5日，25歲的德克薩斯大學(xué)法律系學(xué)生科迪·威爾森首次使用3D打印技術(shù)制造出一把手槍。在食品領(lǐng)域，康奈爾大學(xué)的研究人員已經(jīng)成功打印出了蛋糕。［5］隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，其價格有所下降，我國也開始嘗試將其應(yīng)用到教育，以期加速教育改革進程。

3D打印技術(shù)是一種新興技術(shù)，被稱為第三次工業(yè)革命的重要標志，在國外教育領(lǐng)域已廣泛應(yīng)用，并出現(xiàn)一些優(yōu)秀的應(yīng)用案例，在國內(nèi)教育領(lǐng)域的應(yīng)用較少。在我國，3D打印技術(shù)在教育中的應(yīng)用處于起步階段，各個學(xué)校嘗試開設(shè)3D打印技術(shù)相關(guān)的校本課程，也出現(xiàn)了一些應(yīng)用案例。

1.海寧市高級中學(xué)

海寧市高級中學(xué)，開發(fā)校本課程《走進3D打印技術(shù)》屬于職業(yè)技能類課程，由學(xué)校通用技術(shù)課程教師執(zhí)教。課程開設(shè)的目的是為滿足學(xué)生個性化發(fā)展需要，旨在通過學(xué)生對世界制造業(yè)領(lǐng)域正在迅速發(fā)展的“具有工業(yè)革命意義的3D打印技術(shù)”的學(xué)習(xí)和實踐；在發(fā)揮想象創(chuàng)新設(shè)計過程中，體驗創(chuàng)意的偉大，提高學(xué)生參與社會實踐活動的積極性與合作能力。［6］

2.泰河中學(xué)

泰河中學(xué)自2010學(xué)年起，信息技術(shù)組開始策劃、籌備職業(yè)技能類校本選修課程《設(shè)計大師》。依托通用技術(shù)學(xué)科和機房硬件設(shè)施，由通用技術(shù)課程教師講授計算機輔助設(shè)計相關(guān)內(nèi)容。為了進一步激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造發(fā)明的熱情，該校將3D打印技術(shù)運用于課程中，將其設(shè)計作品快速成型實物化。該課程的開設(shè)為學(xué)生今后步入高校學(xué)習(xí)工業(yè)設(shè)計做好鋪墊，目前已入選第三批寧波市普通高中精品選修課程。［7］

3.上海和田路小學(xué)

上海和田路小學(xué)開設(shè)《虛實創(chuàng)造課程》是上海師范大學(xué)教育技術(shù)黎加厚教授的團隊與上海市閘北區(qū)和田路小學(xué)共同合作，開發(fā)了面向小學(xué)生的3D打印校本課程。在2012年9月份對該校五年級學(xué)生開始授課。［8］開設(shè)課程的目的是讓小學(xué)生接觸3D打印技術(shù)，在學(xué)校教育中運用這一新技術(shù)促進學(xué)生的空間思維、計算思維、設(shè)計思維和創(chuàng)造思維的發(fā)展，促進學(xué)生虛擬世界、實體世界和內(nèi)心世界的聯(lián)通，激發(fā)學(xué)生的想象力。如表1所示，該課程是分階段、循序漸進實施的，學(xué)習(xí)過程分為五個階段，每一個階段訓(xùn)練學(xué)生不同的能力。第五階段是實體打印過程，根據(jù)教師和學(xué)生評價并投票，最后選出優(yōu)秀的虛擬模型并打印。

表1　課程實施五個階段［9］

傳統(tǒng)的教學(xué)都是間接經(jīng)驗的傳授，而3D打印將虛擬模型變?yōu)楝F(xiàn)實，拓展了學(xué)生的感知覺，增強了觸覺體驗，促進了人類思維和創(chuàng)新能力的發(fā)展，將其應(yīng)用到教育有一定的意義。隨著3D打印技術(shù)相關(guān)校本課程在我國部分學(xué)校的展開，一些研究者試圖將3D打印技術(shù)融入具體學(xué)科教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力，提高教學(xué)質(zhì)量。將3D打印技術(shù)與高中通用技術(shù)課程結(jié)合具有很重要的現(xiàn)實意義。

三、3D打印技術(shù)與高中通用技術(shù)的結(jié)合點

3D打印技術(shù)的特點符合通用技術(shù)課程目標，將3D打印技術(shù)應(yīng)用于通用技術(shù)課程教學(xué)中，能激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識，促進學(xué)生創(chuàng)新。3D打印技術(shù)是一種快速成型技術(shù)，能夠?qū)W(xué)生的設(shè)計轉(zhuǎn)換為實體并進行性能測試，幫助學(xué)生理解自己的設(shè)計思路，改進設(shè)計?！镀胀ǜ咧型ㄓ眉夹g(shù)課程標準》提出的課程目標是：“以基礎(chǔ)的、寬泛的、與學(xué)生日常生活聯(lián)系緊密的技術(shù)內(nèi)容為載體，以進一步提高學(xué)生的技術(shù)素養(yǎng)促進學(xué)生全面而富有個性的發(fā)展為目標?！保?0］《通用技術(shù)》是一門立足實踐、高度綜合、注重創(chuàng)造的學(xué)科，是一門科學(xué)與人文融合的課程，時代形勢和個人生產(chǎn)發(fā)展迫切要求當代學(xué)生學(xué)習(xí)通用技術(shù)，以提高個體實踐操作能力，促進創(chuàng)新思維發(fā)展。如下圖1所示，通用技術(shù)課程包含必修和選修課程，將3D打印技術(shù)引入到通用技術(shù)課程在必修課程中通過學(xué)習(xí)三維設(shè)計培養(yǎng)學(xué)生正確的技術(shù)觀和技術(shù)創(chuàng)新意識，在選修課程中打印所設(shè)計的建筑模型等可提高學(xué)生的動手實踐能力，促進創(chuàng)新思維的發(fā)展。

圖1　通用技術(shù)課程結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示是高中通用技術(shù)課程結(jié)構(gòu)，包括必修課和選修課。必修課是關(guān)于技術(shù)與設(shè)計的基本理論，選修課程以實踐為主，訓(xùn)練學(xué)生的實際操作能力，學(xué)校應(yīng)該設(shè)置通用技術(shù)專用實驗室。隨著技術(shù)的創(chuàng)新和經(jīng)濟的發(fā)展，部分發(fā)達地區(qū)的中學(xué)已經(jīng)擁有通用技術(shù)專用教室，包括汽車模擬駕駛教室、電子控制試驗室、機器人試驗室、服裝試驗室和機械電子一體室等各種支持開展通用技術(shù)課程的試驗室。由于通用技術(shù)試驗室配備了真實的縫紉機、銑床、鉆床及激光切割機等設(shè)備，而學(xué)生年齡較小，如果在實驗過程中操作不當，會造成人身傷害。3D打印技術(shù)能夠為開展通用技術(shù)課程創(chuàng)設(shè)逼真的環(huán)境，提供各種實物模型，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造設(shè)計熱情，還能避免學(xué)生直接接觸危險工業(yè)機器，防止意外事故的發(fā)生。

3D打印在通用技術(shù)課程中發(fā)揮著重要作用，主要體現(xiàn)在以下三點。

1.抽象具體化，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造發(fā)明熱情

學(xué)生利用三維制圖軟件將自己的想象物制作為可視化圖形，然后用3D打印機打印出來，即將個體抽象的想象物轉(zhuǎn)變?yōu)榭晒蚕砜捎|摸的具體物，這就是抽象具體化。3D打印技術(shù)支持下的通用技術(shù)課堂與傳統(tǒng)的完全不一樣，傳統(tǒng)的設(shè)計中，學(xué)生想象的物體無法轉(zhuǎn)變?yōu)閷嵨?，不能共享。比如：在簡易機器人的制作中，學(xué)生有許多新想法，但是基于設(shè)備及自身繪圖能力的限制而無法實現(xiàn)，而在3D打印技術(shù)的支持下學(xué)生可以直接將自己設(shè)計的機器人打印出來，共享并進行性能測試。在發(fā)揮想象創(chuàng)新設(shè)計過程中，體驗創(chuàng)意的偉大，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新熱情。

2.為每個學(xué)生參與實驗創(chuàng)設(shè)條件，提高學(xué)生創(chuàng)新動機

建構(gòu)主義者認為，學(xué)習(xí)活動應(yīng)該發(fā)生在情景中應(yīng)該和社會實踐活動結(jié)合起來。［11］3D打印技術(shù)的出現(xiàn)幫助學(xué)生營造真實的問題情景，完成模型制作，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。傳統(tǒng)的實驗課往往是教師演示學(xué)生觀看，學(xué)生自己動手操作的機會少，造成這種現(xiàn)象的原因有兩方面：一方面是實驗室設(shè)備欠缺，無法滿足人人實踐操作；另外一方面是因為實驗過程具有危險性，為避免學(xué)生操作不當造成人身傷害而不允許學(xué)生實踐操作。在通用技術(shù)教學(xué)中也存在這樣的現(xiàn)象，學(xué)生無法實踐，只能觀看教師演示，難以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新動機。3D打印機的出現(xiàn)變革了傳統(tǒng)的演示實驗，將教師演示變?yōu)閷W(xué)生操作，為學(xué)生參與實驗提供了同等的機會。3D打印技術(shù)為開展通用技術(shù)教學(xué)創(chuàng)設(shè)良好的學(xué)習(xí)環(huán)境，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣并提高創(chuàng)新動機。

3.快速成型的特點滿足學(xué)生個性化發(fā)展需求

通用技術(shù)課程的培養(yǎng)目標是提高學(xué)生的技術(shù)素養(yǎng)，促進學(xué)生全面而富有個性的發(fā)展。汽車駕駛及保養(yǎng)、建筑及設(shè)計、簡易機器人制作和服裝設(shè)計等實踐類課程，要求學(xué)生具有創(chuàng)造發(fā)明的意識，在實踐中創(chuàng)新。3D打印快速成型的獨特優(yōu)勢為學(xué)生個性化發(fā)展創(chuàng)設(shè)條件，滿足學(xué)生的發(fā)展需求。

4.避免實驗事故的發(fā)生

學(xué)校通用技術(shù)實驗室配備了真實的銑床、鉆床及激光切割機等設(shè)備，具有較高的危險性，在沒有教師監(jiān)督的情況下，學(xué)生是不能隨意操作。有些學(xué)校的通用技術(shù)專用教室配備非常好，但是使用率并不高，主要是為了避免實驗事故的發(fā)生，基本上所有的設(shè)備只有教師給學(xué)生演示，學(xué)生幾乎沒有機會操作，這樣既造成資源浪費又限制學(xué)生實踐能力的提高。3D打印機將三維模型打印為實體的過程中危險性較小，教師可以大膽地讓學(xué)生操作。

四、3D打印技術(shù)在通用技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用設(shè)計

3D打印技術(shù)在通用技術(shù)課程中的教學(xué)流程如圖2所示，其課程中主要由三個環(huán)節(jié)構(gòu)成，即學(xué)習(xí)3D打印技術(shù)、學(xué)習(xí)三維建模和打印三維模型。在整個教學(xué)環(huán)節(jié)中要充分發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用和學(xué)生的主體地位，對教學(xué)進行多元化評價才能達到理想的教學(xué)效果。

圖2　3D打印技術(shù)在通用技術(shù)課程中的教學(xué)流程圖

在教學(xué)前期，教師可以讓學(xué)生參觀3D打印機并介紹其工作原理，使學(xué)生認識3D打印技術(shù)。在通用技術(shù)必修課程中，為了給后期3D打印課程奠定基礎(chǔ)，可以讓學(xué)生學(xué)習(xí)三維建模其軟件，如：Sketchup、Blender、3DTin、TinkerCAD等，通過三維建模激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)作靈感促進創(chuàng)新思維的發(fā)展。在掌握三維設(shè)計以及3D打印技術(shù)的基礎(chǔ)上，教師可以引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計實際可打印的作品，如通用技術(shù)選修課程中的建筑及其設(shè)計。師生共同評選優(yōu)秀作品是教學(xué)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在該階段教師和學(xué)生共同對所有設(shè)計出的作品進行評價，評價作品優(yōu)劣可依據(jù)作品的外觀、創(chuàng)意、是否符合3D打印機的打印要求等；最后對優(yōu)秀作品打印收藏，由于打印材料以及打印機自身的局限性不能將學(xué)生的所有作品進行打印，只能對評選出來的優(yōu)秀作品進行打印，打印過程中，讓學(xué)生在教師的指導(dǎo)下進行操作，從而提高學(xué)生的實踐能力。

五、結(jié)束語

隨著材料技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，3D打印技術(shù)將普遍運用于各行各業(yè)，將3D打印技術(shù)引入通用技術(shù)課程，使學(xué)習(xí)過程由以往的記憶拷貝過程轉(zhuǎn)變?yōu)橹R的探究與創(chuàng)新過程。充分發(fā)揮技術(shù)和教學(xué)整合的優(yōu)勢是培養(yǎng)具有高設(shè)計能力和創(chuàng)新思維能力人才的重要途徑，也是我國教學(xué)改革的需要。

［1］3D打印教學(xué)應(yīng)用［EB/OL］. http：//bbs.tianya.cn/post-worldlook-875449-1.shtml.

［2］第三次工業(yè)革命與當代中國：3D打印重組世界［EB/OL］. http：//www.chinairn.com/news/20131121/17341895.html.

［3］李青.3D打印：一種新興的學(xué)習(xí)技術(shù)［J］.遠程教育雜志，2013，（04）：29-30.

［4］3D打印機介紹［EB/OL］.http：//dj.qzedu.net/Item/349.aspx.

［5］3D打印機的淺析［EB/OL］.http：//www.zjedu.org/html/detial/ info/201306/201306131742052384.html.

［6］走進3D打印技術(shù)課程綱要［EB/OL］. http：//www.zjhaigao.net/Item.aspx？id=1605.

［7］泰河中學(xué)校本課程試水3D打?。跡B/OL］.http：//www.bledu.net. cn/newsdetail119620-tai-he-zhong-xue-xiao-ben-ke.ashx.

［8］和田路小學(xué)進行時——3D打印課程［EB/OL］http：//blog.sina.com.cn/s/blog_64be4ff90101ay46.html.

［9］黎加厚，楊曉哲，楊高云.三維打印技術(shù)的發(fā)展對教育的啟迪［J］.中國醫(yī)學(xué)教育技術(shù)，2013，（01）：3-4.

［10］何妮妮.對高中通用技術(shù)課程目標的理解［J］.北京教育學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2008，（05）：39.

［11］莫雷.教育心理學(xué)［M］.北京：教育科學(xué)出版社，2007.

［編輯：昌曙平］

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1671-7503（2015）07-0019-04