韓奇 鐘紅 魏曉風(fēng)

摘要：經(jīng)過(guò)30年的發(fā)展，3D打印技術(shù)獲得了長(zhǎng)足的飛躍，3D打印技術(shù)來(lái)到了21世紀(jì)的舞臺(tái)上，推動(dòng)了工業(yè)4.0的產(chǎn)生，標(biāo)志著快速成型技術(shù)的誕生。3D打印技術(shù)在軍事、醫(yī)學(xué)等很多領(lǐng)域大放異彩，3D打印如今在中小學(xué)教育的應(yīng)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(shù)的概念、原理、類(lèi)型及其在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用現(xiàn)狀，著重對(duì)3D打印技術(shù)在我國(guó)中小學(xué)教育領(lǐng)域的應(yīng)用及其在應(yīng)用過(guò)程中所面臨的挑戰(zhàn)進(jìn)行闡述。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù)；中小學(xué)教育；教育應(yīng)用；創(chuàng)客教育

中圖分類(lèi)號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(shù)概述

1.1什么是3D打印

3D打印是一種快速成型技術(shù)，是根據(jù)數(shù)字媒體文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用塑料等可粘合的材料，通過(guò)逐層堆積融合的方式來(lái)實(shí)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(lái)說(shuō)，就是3D打印機(jī)將計(jì)算機(jī)三維模型分成一層層的部分，打印機(jī)對(duì)獲得某一層的打印材料和加工方式的數(shù)據(jù)后進(jìn)行打印，逐層打印并堆積后，最終將三維模型打印成實(shí)物。

1.2 3D打印技術(shù)類(lèi)型

現(xiàn)如今，3D打印技術(shù)的分類(lèi)還沒(méi)有形成一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)3D打印在各領(lǐng)域內(nèi)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(shù)脂材料、薄材（ 紙張、塑料膜）、低熔點(diǎn)絲材和粉末材料四種[2]。此種分類(lèi)方法從材料成分上包含了幾乎所有的打印材料，在中小學(xué)教育領(lǐng)域中3D打印機(jī)主要使用的是低熔點(diǎn)絲材。

2 3D打印技術(shù)國(guó)內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀

3D打印技術(shù)已在很多領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，如軍事、建筑、醫(yī)療、航空航天、工業(yè)、時(shí)裝、設(shè)計(jì)等許多不同的領(lǐng)域。例如在軍事領(lǐng)域，國(guó)外利用3D打印技術(shù)制造出手槍、飛機(jī)零部件、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)部件等，我國(guó)也相繼利用3D打印技術(shù)制造出飛機(jī)部件等[3]。

在教育領(lǐng)域，《新媒體聯(lián)盟地平線報(bào)告（2015基礎(chǔ)教育版）》中提到3D打印是未來(lái)2到3年內(nèi)教育領(lǐng)域?qū)?huì)采納的技術(shù)[4]。在我國(guó)，國(guó)家教育部在2017年10月頒發(fā)的《中小學(xué)綜合實(shí)踐活動(dòng)課程綱要》中提到：鼓勵(lì)學(xué)生了解3D打印技術(shù)，學(xué)習(xí)三維建模的方法和使用3D打印機(jī)的方法等3D打印的相關(guān)內(nèi)容?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)省市大中小學(xué)、教育機(jī)構(gòu)等各教學(xué)空間都基本配備3D打印設(shè)備，許多中小學(xué)校中都已組建相應(yīng)的3D打印社團(tuán)，建設(shè)創(chuàng)客空間，開(kāi)展相應(yīng)的3D打印實(shí)踐活動(dòng)和比賽。很多省市教育局與學(xué)校聯(lián)合成立相關(guān)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(xué)教育中。

3 3D打印技術(shù)在中小學(xué)教育的應(yīng)用

3.1 3D打印作為學(xué)習(xí)的對(duì)象

3D打印作為一種快速成型的技術(shù)，在中小學(xué)教育中，可作為一種學(xué)習(xí)的對(duì)象，理解3D打印的概念，教會(huì)學(xué)生將自己的想法設(shè)計(jì)出來(lái)并建立模型，如何使用3D打印將其實(shí)現(xiàn)物體。2010年，美國(guó)弗吉尼亞大學(xué)在夏洛茲維爾市的幼兒園至12年級(jí)的學(xué)生推廣3D打印技術(shù)，讓學(xué)生了解未來(lái)的制造技術(shù)，他們將3D打印機(jī)帶入課堂，比如教幼兒園的孩子們?cè)趺丛O(shè)計(jì)和打印彈弓[5]。在我國(guó)，隨著桌面型3D打印機(jī)的普及和應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)大，3D打印機(jī)已經(jīng)被引入了很多的公司和高校，逐步在中小學(xué)教育上應(yīng)用。2015年廣州海珠區(qū)小學(xué)四年級(jí)信息技術(shù)課程使用3Done打印軟件開(kāi)展3D打印課程[6]。2012年秋季，上海和田路小學(xué)與高校合作開(kāi)發(fā)面向小學(xué)四、五年級(jí)學(xué)生的3D打印校本課程--《虛實(shí)創(chuàng)造課程》[7]。

如今在中小學(xué)信息技術(shù)課程中逐步添加3D打印課程，3D打印作為課程的教學(xué)目標(biāo)，讓學(xué)生學(xué)會(huì)3D打印課程的操作流程和使3D打印實(shí)現(xiàn)創(chuàng)意的工具。3D打印課程在中小學(xué)的設(shè)立為了適應(yīng)現(xiàn)代教育方法的改革，改善傳統(tǒng)教學(xué)理念和教學(xué)過(guò)程，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，豐富學(xué)生的想象力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)造能力，提高學(xué)生動(dòng)手的能力，鍛煉學(xué)生“從做中學(xué)”的實(shí)踐學(xué)習(xí)性。

3.2 3D打印作為構(gòu)建學(xué)習(xí)環(huán)境的條件

學(xué)習(xí)環(huán)境是建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論中的重要概念，建構(gòu)主義認(rèn)為，學(xué)習(xí)者的知識(shí)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(guò)意義的建構(gòu)而獲得的[8]。學(xué)生進(jìn)行發(fā)現(xiàn)性或探究性學(xué)習(xí)時(shí)，學(xué)生通過(guò)教師提供的知識(shí)或問(wèn)題，經(jīng)過(guò)自己的思考，發(fā)現(xiàn)一定的原理和相關(guān)的概念。完成某一個(gè)模型或快速驗(yàn)證時(shí)，3D打印作為構(gòu)建學(xué)習(xí)環(huán)境的條件時(shí)，提供的是一種快速成型的作用，可使其快速完成結(jié)果并驗(yàn)證。

3.3 3D打印融入課程教學(xué)

1）3D打印作為協(xié)助教學(xué)的工具

在中小學(xué)的一些學(xué)科，例如：數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、生物等學(xué)科，教師對(duì)書(shū)本上的一些事物和物體進(jìn)行講解時(shí)，沒(méi)有實(shí)物的展示往往使學(xué)生理解起來(lái)很困難。例如在化學(xué)中分子、質(zhì)子等微觀物體進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)講解時(shí)，如果使用3D打印將此類(lèi)微觀物體打印出來(lái)在課堂上展示，學(xué)生對(duì)3D打印微觀物體的印象會(huì)很深，對(duì)于此課程知識(shí)點(diǎn)的理解也會(huì)很深。與此相似的課程知識(shí)點(diǎn)還有生物課程中細(xì)胞的構(gòu)造、突觸的構(gòu)造等等。3D打印技術(shù)在此時(shí)作為教學(xué)和學(xué)習(xí)的工具應(yīng)用到抽象化的學(xué)科中，展現(xiàn)出在學(xué)科教學(xué)的功能優(yōu)勢(shì)，極大地?cái)U(kuò)大和豐富教學(xué)知識(shí)的理解，使學(xué)生不再只是概念化的學(xué)習(xí)，而是通過(guò)實(shí)物化的方式開(kāi)闊自己的思路，提高了學(xué)習(xí)效率和知識(shí)容量[9]。

2）3D打印改變了以教為主的教學(xué)設(shè)計(jì)模式

3D打印改變了以教為主的教學(xué)設(shè)計(jì)模式。3D打印在中小學(xué)教育中的使用，使師生、生生之間的交流增加，學(xué)生之間的活動(dòng)與交流使學(xué)生產(chǎn)生了思維碰撞，在探索與發(fā)現(xiàn)中獲得知識(shí)。教師可從傳統(tǒng)的“以教為主”的教學(xué)模式轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙詫W(xué)為主”的教學(xué)模式。以3D打印為核心開(kāi)展的“以學(xué)為主”教學(xué)活動(dòng)注重學(xué)生之間的協(xié)作和交流，以教學(xué)目標(biāo)為導(dǎo)向，以擬解決的問(wèn)題或項(xiàng)目為起點(diǎn)，小組協(xié)作自主解決問(wèn)題，3D打印技術(shù)充當(dāng)學(xué)習(xí)活動(dòng)中的條件和工具，升華學(xué)生之間的協(xié)作學(xué)習(xí)。教師在“以學(xué)為主”的教學(xué)模式中起引領(lǐng)者和輔導(dǎo)者，學(xué)生通過(guò)這種自由發(fā)展的活動(dòng)，提高了學(xué)生探索新知識(shí)和新事物的興趣，激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)造力，增強(qiáng)了學(xué)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(ài)科技、熱衷實(shí)踐、樂(lè)于分享，努力把各種創(chuàng)意轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的人。創(chuàng)客教育的主要理念是提高學(xué)生項(xiàng)目式學(xué)習(xí)、動(dòng)手操作、協(xié)作分享的能力，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新的思維和創(chuàng)造的能力。3D打印與課程教學(xué)融合時(shí)，與創(chuàng)客教育的理念相符合。學(xué)生在創(chuàng)客空間完成“DIY”作品或者在課堂上完成某個(gè)知識(shí)點(diǎn)的驗(yàn)證，從提出想法，到設(shè)計(jì)建模，再打印出物體，對(duì)打印的作品展示和評(píng)價(jià)，3D打印機(jī)在過(guò)程中充當(dāng)了必要的物理?xiàng)l件。3D打印在教育的應(yīng)用使學(xué)生之間的思維發(fā)生碰撞，激發(fā)了學(xué)生的空間想象能力，增強(qiáng)了學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力，使學(xué)科知識(shí)之間融合，在做的過(guò)程中學(xué)習(xí)到知識(shí)，在探索和造物中體現(xiàn)協(xié)作分享，與創(chuàng)客教育結(jié)合了起來(lái)。3D打印技術(shù)在中小學(xué)教育上的應(yīng)用，使創(chuàng)客教育在中小學(xué)教育的開(kāi)展更為通暢。

4 3D打印技術(shù)在中小學(xué)教育領(lǐng)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(shù)在各個(gè)領(lǐng)域都能大放異彩，但在我國(guó)中小學(xué)教育的使用和發(fā)展則有著很大的阻力。首先，3D打印機(jī)價(jià)格昂貴，現(xiàn)如今雖然很多中小學(xué)校和教育機(jī)構(gòu)都具備了3D打印機(jī)，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)到普及的時(shí)候。在教學(xué)中，如果要打印一個(gè)地理地勢(shì)高低的模型，使用小型3D打印機(jī)則會(huì)浪費(fèi)很多的打印時(shí)間，尤其在模型很大很復(fù)雜和打印次數(shù)很多的情況下，一些3D打印機(jī)的精度不夠使其展示效果不佳，而采用虛擬模型通過(guò)計(jì)算機(jī)展示也可以達(dá)到同樣的效果。在打印一些使用材料過(guò)多的模型時(shí)，多次打印造成的材料經(jīng)費(fèi)使經(jīng)費(fèi)不夠的學(xué)校得不償失。

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

4.2 3D打印在中小學(xué)教育的推廣

如今我國(guó)正大力推廣創(chuàng)客教育，對(duì)于3D打印技術(shù)在教育的推廣有了水到渠成的作用。創(chuàng)客教育的目標(biāo)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(dòng)的開(kāi)展不僅只有3D打印課程，還包括其他創(chuàng)意編程、創(chuàng)意機(jī)器人、電子類(lèi)創(chuàng)客課程等，創(chuàng)客活動(dòng)的開(kāi)展需要足夠的設(shè)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(dòng)中，是創(chuàng)客活動(dòng)順利開(kāi)展的重要因素。中小學(xué)應(yīng)試教育的局限性使素質(zhì)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(xué)校和學(xué)生對(duì)3D打印課程的不重視，專(zhuān)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(shù)的推廣需要更多經(jīng)過(guò)專(zhuān)業(yè)培訓(xùn)的教師，3D打印課程培訓(xùn)的體系如今并沒(méi)有全國(guó)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，部分城市和地區(qū)在當(dāng)?shù)亟逃值拈_(kāi)展下逐步完善其培訓(xùn)的方案和課程。如今國(guó)家對(duì)于創(chuàng)客教育和3D打印的重視，相信未來(lái)幾年，會(huì)逐步有規(guī)范的專(zhuān)業(yè)教師培訓(xùn)課程和方案。

4.3 中小學(xué)3D打印課程教材

3D打印課程如今在我國(guó)部分地區(qū)已經(jīng)開(kāi)展，由于各省市地區(qū)中小學(xué)教育方面中3D打印課程發(fā)展的不平衡，各省市并沒(méi)有給出統(tǒng)一的教學(xué)目標(biāo)和內(nèi)容，也沒(méi)有相應(yīng)的統(tǒng)一教材，只有一些學(xué)校根據(jù)自己的本身的情況編寫(xiě)的校本教材。3D打印課程的推廣需要相應(yīng)的教學(xué)目標(biāo)，教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，有了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合地區(qū)發(fā)展的不同，各地區(qū)可根據(jù)本地區(qū)教學(xué)情況和發(fā)展情況編寫(xiě)相應(yīng)的教材或再次詳細(xì)教學(xué)目標(biāo)，學(xué)校也可根據(jù)自己學(xué)校的發(fā)展編寫(xiě)相應(yīng)的教材，3D打印教材的制定沿著未來(lái)教育的走向而發(fā)展。

5 結(jié)論

3D打印技術(shù)被認(rèn)為是第三次工業(yè)革命的重要標(biāo)志之一，其廣闊的前景和發(fā)展對(duì)整個(gè)工業(yè)革命有著重大的影響。3D打印的即時(shí)性、創(chuàng)新性、創(chuàng)造性使其能在教育領(lǐng)域的應(yīng)用前景越來(lái)越開(kāi)闊，其特性決定了迎合了我國(guó)中小學(xué)教育發(fā)展的方向，同時(shí)也帶來(lái)了新的教學(xué)和學(xué)習(xí)模式，3D打印與各學(xué)科的融合并推動(dòng)學(xué)科教學(xué)的發(fā)展，將受到越來(lái)越多的關(guān)注和期待。

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