鐘麗霞 胡欽太 胡小勇

(華南師范大學(xué) 教育信息技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510631)

3D打印技術(shù)的教學(xué)創(chuàng)新應(yīng)用研究：案例與趨勢

鐘麗霞 胡欽太 胡小勇

(華南師范大學(xué) 教育信息技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510631)

隨著3D打印技術(shù)在多個領(lǐng)域的逐漸普及，已有學(xué)者探究其在教育教學(xué)中的應(yīng)用，并取得一定成果。本研究采用文獻研究法，在梳理3D打印技術(shù)特點和國內(nèi)外3D打印教學(xué)創(chuàng)新應(yīng)用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，通過對3D打印教學(xué)創(chuàng)新的過程、創(chuàng)新點等進行案例分析，預(yù)測并歸納出3D打印創(chuàng)新教學(xué)應(yīng)用的新趨勢，以期為3D打印教學(xué)創(chuàng)新應(yīng)用提供參考。

3D打印技術(shù)；教學(xué)創(chuàng)新應(yīng)用案例；新趨勢

美國新媒體聯(lián)盟發(fā)布的《地平線報告》（The Horizon Report）從2013年起連續(xù)三年提到，3D打印（3D Printing）將成為教學(xué)的主要技術(shù)，并指出未來2—3年內(nèi)3D打印將走進教學(xué)[1]。隨著3D打印技術(shù)（以下簡稱3D打?。┑牟粩嗥占昂蛣?chuàng)新應(yīng)用，教師和研究人員對其關(guān)注日益增加。因此，本文基于3D打印的基本特征和國內(nèi)外教學(xué)應(yīng)用現(xiàn)狀，深入分析國外3D打印的教學(xué)案例，得出3D打印的教學(xué)創(chuàng)新應(yīng)用的新趨勢。

一、3D打印與特點

3D打印是利用塑料或樹脂等可粘連的原料進行層層打印形成物件的增材制造技術(shù)[2]。它的工作原理是將3D打印機與計算機連接，通過設(shè)計輔助軟件進行數(shù)字建模，再將數(shù)字信息傳輸給打印機，利用打印機中的絲狀、粉狀或是液體狀的材料以逐層堆疊的方式制作出產(chǎn)品。3D打印技術(shù)具有三個明顯的特點：第一，因為是通過將材料堆積疊加形成的，避免了材料的浪費[3]；第二，能夠在時間短、空間有限的情況下打印出物件，提高了加工制造的效率；第三，能夠?qū)⑷藗儎?chuàng)意的想法和設(shè)計快速呈現(xiàn)，實現(xiàn)了個性創(chuàng)新制作。

二、國內(nèi)外3D打印教學(xué)創(chuàng)新應(yīng)用現(xiàn)狀

3D打印作為一種新興的可視化的技術(shù)和工具，能夠更好地幫助學(xué)生將抽象事物形象化，因此已經(jīng)被引入到教育教學(xué)中。2013年，美國制定并且實施MENTOR項目，將3D打印推廣普及至高中教學(xué)中，在引起學(xué)生對工程設(shè)計類課程的興趣的同時提升其綜合知識與能力[4]。2014年，美國白宮舉辦第一次創(chuàng)客嘉年華，美國總統(tǒng)奧巴馬宣布全美引進3D打印產(chǎn)業(yè)，并強調(diào)利用3D打印推動中小學(xué)的教育變革[5]。這不僅全面推動3D打印在教育教學(xué)中的應(yīng)用，而且推動STEM教育的發(fā)展，同時也為美國的教育帶來一股新鮮力量。

英國教育部為在教育教學(xué)中推廣和普及3D打印并探索其創(chuàng)新教學(xué)方式，開展了一年的實驗探究[6]。想利用3D打印提升教學(xué)效果，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和能力，教師必須先掌握3D打印的相關(guān)技能，這樣才能更好地實現(xiàn)教學(xué)創(chuàng)新改革。于是，為上千名中小學(xué)教師提供3D打印的培訓(xùn)以便更好地幫助學(xué)生獲得知識且提高技能、素養(yǎng)等。隨后，將3D打印列為國家課程，促使中小學(xué)開展相關(guān)活動，進而培養(yǎng)學(xué)生的自主動手設(shè)計能力和創(chuàng)新思維。

我國正在逐步開展3D打印的教學(xué)應(yīng)用工作。2014年，國務(wù)院推出“3D打印創(chuàng)新教育播種”計劃，意在為學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)造提供良好的氛圍，以培養(yǎng)其“創(chuàng)客”精神和提升其“創(chuàng)客”能力[7]。2014年，為了加快3D打印在教育領(lǐng)域的普及，成立“中國系統(tǒng)仿真學(xué)會3D教育與裝備專業(yè)委員會”[8]。2015年國家工業(yè)和信息化部出臺《國家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進計劃（2015—2016年）》，旨在促使3D打印深入教學(xué)實踐，進而引發(fā)創(chuàng)新教學(xué)方式的產(chǎn)生[9]。同時，許多省市也在積極開展3D打印的創(chuàng)新教學(xué)。如南京馬府街小學(xué)開展3D打印的創(chuàng)新教學(xué)的系統(tǒng)研究[10]；北京朝陽區(qū)實驗小學(xué)引入3D打印，助力課程整合和課程改革[11]。國內(nèi)3D打印的教學(xué)應(yīng)用的步伐正在加快，但不可否認(rèn)的是，雖然部分地區(qū)已經(jīng)應(yīng)用3D打印開展教學(xué)，可由于缺乏一定的理論指導(dǎo)和實踐經(jīng)驗，還未能實現(xiàn)利用3D打印進行的創(chuàng)新性教學(xué)。

三、3D打印教學(xué)創(chuàng)新應(yīng)用案例分析

目前很多發(fā)達國家在K-12、高等教育中已經(jīng)開展3D打印的教學(xué)實踐。本研究將以美國賓夕法尼亞州州立學(xué)院學(xué)區(qū)中小學(xué)的“走向綠色社區(qū)”學(xué)習(xí)活動項目和羅徹斯特理工學(xué)院應(yīng)用3D打印的力學(xué)橋梁課為例進一步分析3D打印的教學(xué)創(chuàng)新應(yīng)用情況。

（一）“走向綠色社區(qū)”學(xué)習(xí)活動項目

賓夕法尼亞州州立學(xué)院學(xué)區(qū)的中小學(xué)教師Ron（羅恩）和Michelle（米歇爾）頗具創(chuàng)新地將八年級的學(xué)生和一年級的學(xué)生劃分為同一小組，利用3D打印合作完成主題為“走向綠色社區(qū)”的學(xué)習(xí)活動[12]。

具體教學(xué)過程是這樣的（如圖1所示）：首先，一年級學(xué)生在八年級學(xué)生的指導(dǎo)和幫助下繪出家居草圖；然后，小組進行頭腦風(fēng)暴，評估并修改草圖，記錄問題，以便后期繼續(xù)修改；接著，教師組織學(xué)生分享設(shè)計圖，小組間進行交流，進而促進問題的解決。其次，小組成員根據(jù)交流結(jié)果修改草圖并在八年級學(xué)生的帶領(lǐng)下進行3D建模。再次，利用3D打印機得到相關(guān)物件，小組討論不斷修改進而完善設(shè)計。最后，小組間進行展示交流，學(xué)生和教師可以進行自評、互評、點評。

3D打印在“走進綠色社區(qū)”項目中發(fā)揮了很大的作用，具體表現(xiàn)在以下兩個方面：第一，快速生成模型，獲得直觀感受，節(jié)約時間和成本；第二，激發(fā)學(xué)生興趣，3D打印將學(xué)習(xí)者設(shè)計的想法轉(zhuǎn)變?yōu)閷嵨?，學(xué)習(xí)者通過實物學(xué)習(xí)能更快更好地發(fā)現(xiàn)不足，不斷修改和完善。

圖1 “走進綠色社區(qū)”項目流程

（二）力學(xué)橋梁結(jié)構(gòu)分析的案例

羅徹斯特理工學(xué)院（RIT）的教師Kyle Manchester（凱爾?曼徹斯特）在他所教授的力學(xué)課程中講授橋梁結(jié)構(gòu)受力時，利用3D打印機打印出實物[13]。他的教學(xué)過程是這樣的（如圖2所示）：首先，教師布置任務(wù)，小組合作建立一個具有桁架的非金屬材料的橋；接著，學(xué)生通過CAD設(shè)計軟件畫橋，再使用3D打印機打印出各個部分并進行組裝；然后，學(xué)生進行試驗，遇到問題利用互聯(lián)網(wǎng)或是通過和教師的交流尋求解決方法；最后，各小組分別進行交流展示和承重測試，大家分享經(jīng)驗并獲得橋梁結(jié)構(gòu)的分析和設(shè)計能力，同時可以進行學(xué)生互評和教師評價。

圖2 應(yīng)用3D打印的力學(xué)橋梁課流程

其教學(xué)創(chuàng)新之處在于：第一，3D打印為工程課程的教學(xué)提供了切入點，使學(xué)生的想象和創(chuàng)意得以實現(xiàn)。課程中利用模型試驗承重，來檢驗學(xué)生設(shè)計的橋梁結(jié)構(gòu)是否科學(xué)穩(wěn)定，將學(xué)生的設(shè)計與效果建立起聯(lián)系，促使學(xué)生增強對工程設(shè)計的興趣。第二，提高學(xué)習(xí)者的綜合能力，課程學(xué)習(xí)中，從橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計、打印、分析到修改等過程都要學(xué)生參與完成，學(xué)生的綜合知識和能力得到提高。

從上述案例中可以發(fā)現(xiàn)3D打印在創(chuàng)新教學(xué)中發(fā)揮著重要作用，不僅為學(xué)生營造真實的問題情境、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，而且為學(xué)生提供創(chuàng)造實踐的平臺和空間，使得學(xué)生創(chuàng)新、實踐能力得到培養(yǎng)。

四、3D打印教學(xué)創(chuàng)新應(yīng)用的新趨勢

隨著3D打印的不斷發(fā)展，其在教育教學(xué)中的應(yīng)用也不斷增加。從上述的案例中可以發(fā)現(xiàn)，3D打印教學(xué)創(chuàng)新應(yīng)用會有以下發(fā)展趨勢。

（一）從簡單的學(xué)習(xí)目標(biāo)，向培養(yǎng)“21世紀(jì)技能”轉(zhuǎn)變

“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的教育形態(tài)使得知識的獲取變得更加容易，更新的速度也不斷加快。為適應(yīng)21世紀(jì)的學(xué)習(xí)和生活，學(xué)校的教育教學(xué)不僅要促使學(xué)生掌握理論知識，還需要以培養(yǎng)學(xué)生的“21世紀(jì)技能”為目標(biāo)，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)與創(chuàng)新方面、數(shù)字素養(yǎng)方面、職業(yè)和生活技能方面[14]都有所提升，以便其能更好地運用這些技能去理解知識和解決真實世界的各種問題，以適應(yīng)信息化的社會。3D打印應(yīng)用教學(xué)中，以其獨特的優(yōu)勢，可以幫助學(xué)生將抽象觀點形象化、腦海的想法實物化、動手的技能高級化，進而幫助學(xué)生實現(xiàn)創(chuàng)新創(chuàng)造能力的提升。因為使用3D打印完成某一學(xué)習(xí)項目時，一般都是以小組合作的形式進行，通過項目完成的過程，學(xué)生的溝通意識、協(xié)作意識和能力也得以增強。同時，在合作探究時需要收集、加工和處理各種信息，以及應(yīng)用其他的媒體來輔助完成，在這個過程中，學(xué)生的信息素養(yǎng)、媒體素養(yǎng)等都會得以提高。

（二）從單科知識的學(xué)習(xí)，向跨學(xué)科知識融合轉(zhuǎn)變

沃爾特曾經(jīng)說過，“人們需要具備跨學(xué)科的知識和能力來創(chuàng)造性地將科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學(xué)結(jié)合在一起”，這與“21世紀(jì)技能”所提出要培養(yǎng)學(xué)生三個方面技能的觀念是一致的，即學(xué)生需要將多種知識和技能融合掌握。3D打印應(yīng)用于教學(xué)中，能夠?qū)崿F(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的豐富和跨學(xué)科知識的融合，比如上文中提到的羅徹斯特理工學(xué)院橋梁結(jié)構(gòu)的案例中，學(xué)習(xí)者不僅需要掌握工程技術(shù)方面的知識，還需要掌握數(shù)學(xué)、科學(xué)方面的知識，這就使得課堂的教學(xué)內(nèi)容更加豐富多樣，而3D打印在教學(xué)中的應(yīng)用作為一個平臺促使這些內(nèi)容進行融合。3D打印教學(xué)創(chuàng)新會使得學(xué)生的學(xué)習(xí)不再僅僅是單一的學(xué)科知識，而是將多門學(xué)科知識和技能通過相關(guān)的教學(xué)活動，與學(xué)生原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)形成連接，進而轉(zhuǎn)化為新的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)多方面知識的增加和技能的提高。

（三）從單一的教學(xué)方法，向創(chuàng)造多樣化方法轉(zhuǎn)變

一般的教學(xué)方式方法較為單一，導(dǎo)致學(xué)生知識和能力的提高有限。3D打印應(yīng)用于教學(xué)中，促使教育教學(xué)在方式和模式上朝著多元化和支持學(xué)生個性化的趨勢發(fā)展。依據(jù)國內(nèi)外3D打印的教學(xué)應(yīng)用案例，本研究總結(jié)歸納出三種應(yīng)用3D打印進行創(chuàng)新的教學(xué)方法，分別是基于3D打印的項目教學(xué)法、基于3D打印的任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法、基于3D打印的問題教學(xué)法。

基于3D打印的項目教學(xué)法是以項目為中心開展學(xué)習(xí)活動，利用3D打印幫助學(xué)生將抽象內(nèi)容具象化，進而幫助學(xué)生更好地理解知識、解決問題。如“走向綠色社區(qū)”案例就是采用項目式教學(xué)，在教學(xué)過程中3D打印為學(xué)生營造了一個真實的問題情境，學(xué)生通過形成小組，參與到模型的設(shè)計、打印、觀察、評價、改進等活動過程中建構(gòu)新知和技能。

基于3D打印的任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法是學(xué)習(xí)者在教師的指導(dǎo)和幫助下利用3D打印完成任務(wù)以獲得新知和技能。學(xué)習(xí)者在完成任務(wù)的過程中利用3D打印可以幫助將一些抽象的或是難以理解的內(nèi)容具象化，進而促進理解和完成任務(wù)，同時提高學(xué)生的知識和技能。

基于3D打印的問題教學(xué)法是讓學(xué)生帶著問題去思考、去分析、去學(xué)習(xí)，使得學(xué)生的學(xué)習(xí)從被動接受到主動創(chuàng)造，同時利用3D打印幫助學(xué)習(xí)者利用具體形象的物件來理解和分析問題，或是打印出一些難以得到的模型以輔助學(xué)習(xí)。如3D打印用在骨科教學(xué)中，根據(jù)課前掌握的教學(xué)知識，結(jié)合3D打印模型去推斷病患的起因、癥狀和體征，使得學(xué)生可以直觀地學(xué)習(xí)解剖結(jié)構(gòu)[15]。因此，在3D打印的教學(xué)創(chuàng)新應(yīng)用中，教學(xué)方式將變得更加多元化。

（四）從技術(shù)支撐的學(xué)習(xí)，向技術(shù)深度融合的創(chuàng)造性學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變

3D打印應(yīng)用于教學(xué)中，不僅可以為學(xué)生營造有趣的學(xué)習(xí)情境，而且為學(xué)生進行學(xué)習(xí)探究提供新興的技術(shù)工具，使得學(xué)生可以根據(jù)自身需求選擇合適的學(xué)習(xí)方式。首先，學(xué)生可以使用3D打印進行自主學(xué)習(xí)去解決對自身而言有難度的問題，以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和問題解決能力。其次，學(xué)習(xí)者可以以小組合作方式進行協(xié)商、討論，通過合作的方式既能提高學(xué)習(xí)者的合作探究和溝通表達能力，又能調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。最后，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中會不斷產(chǎn)生各種問題，讓學(xué)生基于這些問題去探究學(xué)習(xí)會比教師的解答效果更好。同時，3D打印也能幫助學(xué)生適當(dāng)?shù)亟鉀Q某些問題，在解決問題的過程中，學(xué)生的認(rèn)知水平、思維能力、探究能力都會得到提高。因此，3D打印的教學(xué)創(chuàng)新將會為學(xué)生提供多樣的學(xué)習(xí)形式，促使學(xué)生更好地成長。

（五）從單向的學(xué)習(xí)評價，向多維綜合評價轉(zhuǎn)變

3D打印的創(chuàng)新教學(xué)不僅改變了教學(xué)方法，創(chuàng)新了學(xué)習(xí)方式，而且形成多維綜合的評價機制。首先，基于3D打印的創(chuàng)新教學(xué)的評價不同于傳統(tǒng)課堂的評價機制，教學(xué)過程中增加了學(xué)生與教師互動、與同伴合作，評價主體更加多元化。其次，評價的內(nèi)容是多樣化的，傳統(tǒng)的教學(xué)評價只針對學(xué)生知識掌握的狀況進行評價，而忽視了知識和能力掌握過程的評價，以及學(xué)生如何處理和使用信息的數(shù)字素養(yǎng)或者學(xué)習(xí)的主動性等職業(yè)技能的評價?；?D打印創(chuàng)新教學(xué)技能既能促使學(xué)生進行自主學(xué)習(xí)，在自主學(xué)習(xí)過程中發(fā)揮其自主探究和學(xué)習(xí)的能力，而且會為學(xué)生提供合作學(xué)習(xí)的機會，讓學(xué)生在合作中提高溝通、表達、協(xié)作的能力。最后，不同于一般的教學(xué)過程，基于3D打印的創(chuàng)新教學(xué)的評價是貫穿于整個教與學(xué)的過程之中，不僅會對學(xué)生作品進行評價，而且會對學(xué)生在合作、打印過程中的表現(xiàn)給予及時的反饋和評價，更好地促進學(xué)生的學(xué)習(xí)，同時保證評價結(jié)果的合理性。

五、結(jié)束語

3D打印的教學(xué)應(yīng)用不僅是新興技術(shù)在教學(xué)中的運用，也是創(chuàng)新性教學(xué)的大膽探索[16]。3D打印的創(chuàng)新性應(yīng)用于教學(xué)之中，不僅提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，提高了學(xué)生的綜合知識和能力，而且為教師帶來了多元化的教學(xué)方式、多層次的評價方式等。3D打印與教育教學(xué)深度融合，其實就是技術(shù)與教育教學(xué)結(jié)合的方式，但是想將其深入應(yīng)用于教育教學(xué)中，就必須在學(xué)科教學(xué)的過程中尋求多樣化的教學(xué)方法和模式，同時在課程設(shè)置和教學(xué)設(shè)計上建構(gòu)創(chuàng)新性的模式。只有不斷提高3D打印的創(chuàng)新教學(xué)的內(nèi)容、方法、模式，才有可能更好地實現(xiàn)其創(chuàng)新教學(xué)的目標(biāo)，為學(xué)生的多層次、多方面、個性化發(fā)展和成長，更好地適應(yīng)社會的需求奠定更堅實的基礎(chǔ)。

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（責(zé)任編輯 杜丹丹）

Application Research on Teaching Innovation of 3D Printing Technology:Case Study and Trend

ZHONG Lixia,HU Qintai,HU Xiaoyong
(School of Information Technology in Education,South China Normal University,Guangzhou,Guangdong,China 510631)

With the increasing popularity of 3D printing technology,in many fields,now scholars have been exploring its application in education and teaching,and have achieved certain results. This study adopts literature research method,and,on the basis combing the technical characteristics of 3D printing and the current status of 3D printing teaching innovation application at home and abroad,forecasts and summarizes the new trend of innovative teaching application of 3D printing through the case study of the processes or innovative points of 3D printing teaching innovation,hoping to provide references for the application of 3D printing teaching innovation.

3D printing technology;case study of teaching innovation application;new trend

G434

A

2096-0069（2016）06-0041-05

2016-08-26

教育部—中移動科研基金（2012）“教育信息化理論研究”（MCM20121011）

鐘麗霞（1992— ），女，廣東梅州人，華南師范大學(xué)教育信息技術(shù)學(xué)院碩士研究生，研究方向為信息化教學(xué)；胡欽太（1964— ），男，廣東揭陽人，華南師范大學(xué)教育信息技術(shù)學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，研究方向為信息化教育與傳播研究；胡小勇（1978— ），男，江西奉新人，華南師范大學(xué)教育信息技術(shù)學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，教育技術(shù)系主任，研究方向為信息化教學(xué)。