劉亞娟

(長春師范大學教育學院，吉林長春 130032)

教育部印發(fā)的《基礎(chǔ)教育課程改革綱要》提出，要加強課程內(nèi)容與學生生活以及現(xiàn)代社會和科技發(fā)展的聯(lián)系，倡導學生主動參與、樂于探究、勤于動手，培養(yǎng)學生分析和解決問題的能力以及交流與合作的能力?！秶以霾闹圃飚a(chǎn)業(yè)發(fā)展推進計劃(2015—2016年)》指出，組織實施學校增材制造技術(shù)普及工程。在學校配置增材制造設(shè)備及教學軟件，開設(shè)增材制造知識的教育培訓課程，培養(yǎng)學生創(chuàng)新設(shè)計的興趣、愛好、意識，在具備條件的企業(yè)設(shè)立增材制造實習基地，鼓勵開展教學實踐[1]。3D打印對于教育領(lǐng)域的重要價值之一，在于它能夠創(chuàng)造對事物更真實可靠的探索機會，無論對于高等教育還是基礎(chǔ)教育，它都將是探索科學和藝術(shù)的絕妙入口。國家大力倡導培養(yǎng)學生的動手實踐能力，鼓勵學校和企業(yè)開展3D打印教育研究與培訓。在信息技術(shù)急速發(fā)展的時代，中小學越來越重視學生的編程設(shè)計能力，3D打印可以現(xiàn)場輸出學生的設(shè)計成果?，F(xiàn)在很多中小學校已經(jīng)引進3D打印設(shè)備，開展相關(guān)課程或社團活動。3D打印與教育的結(jié)合將有助于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力，為培養(yǎng)未來的人工智能人才的打下良好基礎(chǔ)。

1 創(chuàng)客教育與3D打印的內(nèi)在聯(lián)系

1.1 創(chuàng)客教育的內(nèi)涵

2017年《地平線報告》(基礎(chǔ)教育版)聚焦基礎(chǔ)教育應(yīng)用的六項重要技術(shù)進展，排在首位的就是“創(chuàng)客空間”。創(chuàng)客教育有別于傳統(tǒng)的以書本為主的教育方式，其立足創(chuàng)新、創(chuàng)造和教育三個維度，有效利用數(shù)字化工具，通過創(chuàng)造有形的作品，使學生成為“教育創(chuàng)客”。創(chuàng)客教育提倡體驗式學習，與科學、藝術(shù)等各基礎(chǔ)學科緊密融合，通過鮮活生動的實例培養(yǎng)學生的想象力和創(chuàng)造力，使其形成基于創(chuàng)造的學習。

1.2 3D打印與創(chuàng)客教育的有機融合

3D打印技術(shù)是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)[2]。3D打印包括兩個階段：第一步，設(shè)計建模階段。利用三維建模軟件如3Done等進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。如果是生活中已有的模型，如打印人物等，可以通過三維掃描設(shè)備掃描建模；第二步，逐層打印階段。根據(jù)已有模型，逐層打印，疊加后形成一個立體的模型。

3D打印實現(xiàn)了學生思維的形象化，通過設(shè)計作品、打印作品，使學生在實踐過程中的體驗經(jīng)歷更加豐富，成功的滿足感更強，促使學生更加熱愛學習，培養(yǎng)學生積極思考問題和探索世界的能力，使其成為有思想、有創(chuàng)意的實踐者，整個設(shè)計和實踐的過程對學生智力和美育的發(fā)展起到重要作用。

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+創(chuàng)客”時代的到來，3D打印技術(shù)已經(jīng)成為創(chuàng)客教育的典型代表之一。目前3D打印技術(shù)已被寫入新修訂的高中信息技術(shù)課中，3D打印成為中小學信息技術(shù)課內(nèi)容的重要組成部分。

2 3D打印應(yīng)用于教育的理論基礎(chǔ)

2.1 經(jīng)驗之塔理論

美國視聽教育家戴爾提出的“經(jīng)驗之塔”理論是研究教學過程中媒體使用效果的理論。該理論認為寶塔最底層的經(jīng)驗最具體，隨著寶塔上升逐步抽象。3D打印作為一種媒體手段參與教學，對教學中的某些抽象概念或科學過程進行可視化展現(xiàn)，使隱性知識顯性化。學生親自參與設(shè)計、打印，這個過程就是積累具體經(jīng)驗的過程，學生在打印之后進行小組內(nèi)的互相觀察、討論，理解具體事物的抽象表現(xiàn)形式，在實踐中獲得學習經(jīng)驗，體驗抽象和具體相互轉(zhuǎn)化的過程。

2.2 活動理論

活動理論認為，人類認識的起點和心理發(fā)展的過程基于人的主體活動，活動是作為主體的人與外界環(huán)境交互作用的過程。活動具有多種類型和多種層次，對人的存在和發(fā)展有多種影響，因此在教育過程中應(yīng)該對學生的學習活動予以關(guān)注[3]。

活動理論倡導教育關(guān)注學生的學習活動。3D打印以任務(wù)為驅(qū)動，以解決問題為目標，以學生為主體；在設(shè)計和打印過程中，與機器進行交互，與學生進行交流，通過這種活動的完成促進學生智能的發(fā)展。

3 3D打印技術(shù)在教育中應(yīng)用的作用

3.1 培養(yǎng)空間想象力，為后續(xù)立體知識學習奠定基礎(chǔ)

從最初的平面設(shè)計到三維空間設(shè)計，學生的立體感增強，空間想象力更豐富，為將來學習立體幾何等知識打下良好基礎(chǔ)。學生通過3D設(shè)計和打印,將自己獨特的想法轉(zhuǎn)換為現(xiàn)實的存在，獲得更大的學習參與感和成就感。

3.2 培養(yǎng)實踐能力和團隊協(xié)作能力

從最初設(shè)計到最終打印，學生需要全程參與。在一些小組合作學習項目上，學生通過組內(nèi)互相討論交流，形成設(shè)計初稿，經(jīng)過逐步商討修改，最終完成學習任務(wù)。這一過程將明顯提高學生的實踐操作能力和與同伴溝通交流的能力。

3.3 培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力

在實踐活動過程中，利用3D打印等先進信息技術(shù)，將學生具有創(chuàng)造性價值的個性化想法變?yōu)楝F(xiàn)實。這種學習體驗將大大地促進學生想象力的發(fā)展，使思維能力和創(chuàng)新能力逐步得到提升，對國家創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)具有積極的意義。

4 3D打印與中小學課程的有機結(jié)合

中小學校應(yīng)通過開設(shè)選修課或者社團活動來普及3D打印技術(shù)。在課堂上簡要介紹3D打印技術(shù)及軟件基本操作，選擇一些適合學生并且和其他課程息息相關(guān)的模型進行講解，在學生已有知識的基礎(chǔ)上進行設(shè)計創(chuàng)作，對知識進行重新梳理。

4.1 理科學科

理科主要包括數(shù)學、物理、化學和生物等學科。數(shù)學學科中涉及立體幾何部分，教師可以設(shè)計特殊的幾何型體并打印出來，幫助學生理解三維空間幾何結(jié)構(gòu)。數(shù)學函數(shù)部分可以讓學生利用軟件進行描述建模，將藝術(shù)的美感與數(shù)學充分結(jié)合，同時引發(fā)學生的創(chuàng)新思維。在物理課堂中可以打印不常見的實驗器材，這樣能夠避免沒有器材演示時的枯燥講解。生物知識課堂上，可以讓學生自己搭建DNA螺旋模型，深刻體會螺旋模型的結(jié)構(gòu)含義。講解到人體器官時，還可以通過3D打印還原身體各器官的組織結(jié)構(gòu)，幫助學生從細節(jié)上進行觀察和理解。科學學科主要包括物理、生物等學科的綜合內(nèi)容，涉及比較初級的各科基礎(chǔ)知識。比如科學實驗中可能會用到一些特殊形狀的容器，教師可以提前設(shè)計打印用作實驗器材。教師還可以帶領(lǐng)學生查找網(wǎng)絡(luò)已有的3D建模素材源文件，讓學生跟隨教師一同參與打印過程。學生通過觀摩與協(xié)助教師構(gòu)建打印模型，在科學課學習中營造體驗式的學習空間，獲得更加直接的學習體驗[4]。

4.2 文科學科

在英語學科教學中，可將涉及異國他鄉(xiāng)的代表性建筑物等打印出來，讓學生通過觀察比較建筑的不同風格來深刻理解異國文化。在歷史學科教學中，用3D打印機重現(xiàn)有考古意義的古代器物,幫助學生理解歷史真相。在地理學科教學中，重現(xiàn)被地震破壞的山形地貌，讓學生更直觀地分析地形及該區(qū)域的地理特點及人文知識。

4.3 美術(shù)、信息技術(shù)等學科

美術(shù)素描課中需要一些特殊形狀的幾何型體，教師自己設(shè)計打印，讓學生接觸更多類型的幾何模型，提高設(shè)計的創(chuàng)新性。信息技術(shù)學科教師安排學生根據(jù)想象設(shè)計搭建生活中不常見的模型，也可以對現(xiàn)實生活中的形象進行個性再創(chuàng)造。這一過程充分鍛煉了學生的動手設(shè)計能力，反復(fù)修改設(shè)計文件后進行作品打印，最后進行小組或班級展示，極大地提高學生的設(shè)計創(chuàng)造能力和自我滿足感。

5 3D打印應(yīng)用于教育的建議

未來幾年，國內(nèi)基礎(chǔ)教育甚至高等教育都會出現(xiàn)對3D打印技術(shù)的需求。3D打印應(yīng)用于教育需要加強以下幾方面的內(nèi)容。

5.1 高等學校有針對性地開設(shè)相關(guān)課程

3D打印剛剛起步，大學里設(shè)置該課程的專業(yè)還很少，從事中小學3D打印的教師基本上都是原來的信息技術(shù)教師或者通用技術(shù)教師。從3D目前的發(fā)展形勢看，急需各高校開設(shè)3D打印相關(guān)課程，以便逐步為中小學輸送更專業(yè)的人才。

5.2 開展師資進修培訓

建議初步開展3D打印的學校組織教師到3D打印技術(shù)發(fā)展較好的學校或企業(yè)去觀摩學習，借鑒其優(yōu)秀的發(fā)展成果和相關(guān)技術(shù)。聘請相關(guān)專家或有經(jīng)驗的教師開展集中培訓，使現(xiàn)有師資能力得到快速提升。

5.3 獲得管理層和企業(yè)的支持

3D打印機和打印材料比較昂貴，讓學校管理層認可這種教學方式需要一個過程。也可以關(guān)注與企業(yè)的聯(lián)合，吸引部分企業(yè)將資金投入教學中。

6 結(jié)語

隨著國家支持力度的不斷加大，3D打印技術(shù)和材料技術(shù)不斷進步，也更加精密化和便捷化。未來將會有更多的教育工作者投入到3D打印應(yīng)用于教育工作的研究中。在教育發(fā)展過程中，教師要及時把握新技術(shù)帶來的積極作用，使其與教育緊密結(jié)合，豐富課堂教學模式，不斷推動教育信息化。