賈艷梅

(西華師范大學網絡與信息化管理中心，四川南充637002)

美國新媒體聯盟(New Media Consortium，NMC)的地平線報告(2013基礎教育版)指出，3D打印技術將在4-5年內獲得廣泛應用。地平線報告連續(xù)3年提到3D打印，并預測3D打印將作為重要的技術走入教學。隨著研究人員的持續(xù)關注和不斷普及，3D打印被創(chuàng)造性地應用在國內外中學教學中，促進中學生創(chuàng)造能力、空間想象能力等高階思維的發(fā)展。

1 3D打印及其發(fā)展

3D打印(3D Printing，三維打印)是一種快速成形技術，它以數字化模型為基礎，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構造物體。由于其在制造工藝方面的創(chuàng)新，被認為是“第三次工業(yè)革命的重要生產工具”[1]。與傳統(tǒng)加工方式相比，3D 打印技術將三維實體加工變?yōu)橛牲c到線、由線到面、由面到體的離散堆積成形過程，極大地降低了制造復雜度。

2013年，美國制定并實施MENTOR項目，將3D打印推廣普及至高中教學中，在引起學生對工程設計類課程興趣的同時提升其綜合知識與能力。3D打印技術在我國有一個逐漸推廣與普及的過程。2015年2月，工業(yè)和信息化部、發(fā)展改革委、財政部關于印發(fā)《國家增材制造產業(yè)發(fā)展推進計劃(2015-2016年)》的通知指出：在學校配置增材制造設備及教學軟件，開設增材制造知識的教育培訓課程，培養(yǎng)學生創(chuàng)新設計的興趣、愛好、意識，在具備條件的企業(yè)設立增材制造實習基地，鼓勵開展教學實踐[2]。

隨著信息技術和“互聯網+”技術的快速發(fā)展，3D打印技術在各行各業(yè)的應用備受歡迎，促進了很多領域的蓬勃發(fā)展，解決了許多實際問題。例如，在教育領域，3D打印課程的開設，讓學生看到自己創(chuàng)造的作品變成實物，在學習實踐過程中，學生的動手能力、空間想象能力、思維能力、創(chuàng)新能力等得到全面發(fā)展與提高。

2 3D打印技術在中學生創(chuàng)新實踐教學中的應用

在美國賓夕法尼亞州的一所中學，教師將一年級和八年級的學生異質分組，利用3D打印技術共同完成了“走向綠色社區(qū)”的學習活動。自2013年起，南京市秦淮區(qū)率先在南京基礎教育系統(tǒng)中引入3D打印技術，馬府街小學成為實驗基地。3D打印技術應用在教育實踐學習活動中的步伐不斷加快，以某中學3D打印在教學中的應用為例，利用3D打印創(chuàng)設一個任務驅動的學習環(huán)境，讓學生體驗在做中學的快樂，培養(yǎng)中學生的“創(chuàng)客”精神。

教師為學生創(chuàng)設3D打印與創(chuàng)意的課程環(huán)境，將工程和設計的核心概念和準則教授給學生，在解決實際問題的過程中，加強對抽象概念的理解和應用，培養(yǎng)學生的設計思維。教師布置任務，學生分小組協作，利用3D打印設計有創(chuàng)意的實物作為最終考核的作品。小組展示打印的作品模型，各小組之間進行評價，教師做最終的評價和總結。例如，打印橋梁模型，首先要了解橋梁的構造、承重、立體圖形的設計等工程學知識。在設計建立三維模型環(huán)節(jié)，利用中小學常用的3D設計軟件例如3Done、123D等，將設計模型利用3D打印設備制作成實物，如圖1所示：

圖1 3D打印創(chuàng)意課程的教學流程

3D打印的模型具有快速生成的能力，設計好的模型可以直接快速生成實物，在真實的環(huán)境中激發(fā)學生的創(chuàng)造力。STEAM領域的相關研究認為，空間能力是學生創(chuàng)新能力表現的重要影響因素。3D設計的創(chuàng)造力表現需要具備相當的空間能力，空間能力高的學生在3DCAD設計中知道如何運用構成對象的不同組件間的空間關系，他們在產品創(chuàng)意設計與制作活動中的創(chuàng)造力表現更突出[3]。

3D打印技術將教師和學生的關系從教與學轉變?yōu)閳F結協作，為學生提供了更多的參與學習的機會。在實踐學習活動中，學生的動手能力、設計能力、空間想象能力和創(chuàng)新能力等得到全面發(fā)展和提高。3D打印創(chuàng)新實驗室以“創(chuàng)客精神”、“觸覺教育”為理念，由3D打印設備、教學平臺和專業(yè)指導人員構成，為教學的發(fā)展和學生的學習提供了一個創(chuàng)意的平臺和學習方式。

3 3D打印教學創(chuàng)新應用的特征

隨著信息技術和“互聯網+”技術的快速發(fā)展，3D打印被應用在各學科教學中，化工領域制作3D立體分子模型；生物和醫(yī)學領域制作分子、病毒等微觀世界的模型以及器官、人工關節(jié)、頭顱和心臟等復雜器官；在航空領域，打印飛機的零部件以及整個飛機模型進行試飛；在歷史和考古領域，對文物修復和還原起著重要作用。3D打印技術發(fā)展與普及很快，運用到基礎教育中的案例越來越多。

3.1 3D打印起到認知工具的作用

3D打印為正式學習和非正式學習提供創(chuàng)意的情景，為學生提供更多參與學習的機會，體驗“看得見的創(chuàng)意”。在中學的課堂上講立體幾何，為了幫助學生更好地建立立體感，可以將立體的圖形打印成實體，便于學生對立體概念的認知和理解。在小學的科學課程上，為了給學生講力學的概念，學生分小組協作設計橋梁的結構，并將設計好的三維橋梁圖形，用3D打印設備打印出實物，檢驗橋梁的承重能力，在整個過程中培養(yǎng)了學生的探究和小組協作能力。

3.2 3D打印豐富和創(chuàng)造多樣化的教學方法

傳統(tǒng)的教學方法比較單一，學生的知識和能力水平提高有限。而3D打印在教學中的創(chuàng)新應用，促使教學在方式和模式上朝著多融合、多樣化的方向發(fā)展。例如，3D打印技術將生物課上抽象的DNA鏈轉化成可觀察的、可觸摸的實體模型，為教師的教學提供更直觀的教具，有利于教師的教和學生的學。應用3D打印進行創(chuàng)新的教學方法，可以分成基于3D打印技術的創(chuàng)造性活動的教學法、基于3D打印形成技能技巧的教學法、基于3D打印技術的任務驅動教學法和基于3D打印技術的學生獨立自主學習法。

3.3 3D打印轉變了學習評價的方式

學習評價，是根據明確的目標，采用科學的方法，對測量數據按照一定的標準進行量化，對學生的學習狀況做出價值性判斷。3D打印技術在中學創(chuàng)新實踐教學中的應用，為學生提供了創(chuàng)意的學習環(huán)境，豐富了學生的學習內容，加強了課堂交互活動和協作學習。在教學過程中加強了教師和學生、學生和學生之間的互動與協作，使評價主體多元化。3D打印在教學中的應用，促使學生自主學習能力增強，學習評價貫穿整個教學過程，可以對學生設計模型、打印模型、后期處理、最終作品等過程進行多元化的評價，這是不同于傳統(tǒng)的結果評價方式，更有利于對學生進行合理客觀的價值評價。

4 結語

3D打印成功地運用到教學中，不僅提高了學生的學習能力，而且促進了學生動手能力、創(chuàng)新能力的提高，豐富和創(chuàng)造了多樣化的教學方法和評價方式。3D打印技術與教育的深度融合，需要不斷提高3D打印的教學內容、教學方法以及教學模式。3D打印技術的普及還面臨諸多困難，隨著網絡技術的發(fā)展，相信3D打印技術的普及指日可待。