3D打印在中小学课堂中的应用
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摘 要：互联网技术是人类社会第三次科技革命的主力军，传统打印技术正在经历前所未有的变化，3d打印技术逐渐盛行，这无疑会推动打印行业的进步。教育行业作为传统打印技术的主要服务对象之一，也在试图寻找合适的发展道路，将3D打印技术与教育深入结合，可以提高学生的动手能力、创新精神和匠人精神。
关键词：3D打印技术；中小学教育；创新教育
3D打印（3D printing）技术是一种快速成形技术，其基础是数字化模型，利用粉末状金属、塑料等逐层打印来构造真实物体[1]。纵观全球，对于技术应用的重视程度越来越高，数字技术已成为全球公民素养的基本要求。美国2015年颁布的《新媒体联盟地平线报告――（2015基础教育版）》中提到，美国将大力开展3D打印课程[2]。同时，英国也在积极推进3D打印技术进校园活动。在我国，总理在2015年政府工作报告当中提到要培养“工匠精神”，著名教育家聂圣哲先生提出一流工匠要从青少年培养。3D打印技术在教育当中的运用将创意转化成现实，能够将“教”“学”“做”合一，这对培养具备“工匠精神”的创客人才具有深远意义。
一、3D打印的原理和发展现状
（一）原理
从技术角度揭示3D打印技术，该技术主要是利用三维数字的方式构建出立体的物理对象，最终完成快速成像。3D打印的深层原理是通过电子文件将要打印的实体模型或者原型样品进行建模，再将其挤压处理，通过机器生成沉淀物，逐层构建物体。[3]
如果需要补充物体的活动部件、细节部分，则只需要混合不同的材料、颜色和黏合剂达到理想的效果，例如利用树脂、薄纸等材料，通过3D打印技术完美呈现物体的动态与细节。
总体而言，3D打印可以分为四个步骤：建模、分层、切割打印和成型。第一阶段，建模。扫描所要打印的物体，得到其三维数据。建模的软件主要有Autodesk 123D Design、MAYA、Sketchup、UG、ZBRUSH、MESHLAB、CURA等。Autodesk 123D Design和Sketchup因使用免费，操作简单方便，所以传播广、应用多。第二阶段，分层。在分层阶段，打印机对先前得到的三维数据进行描述和分析，然后分层。第三阶段，切割打印。根据之前获取的横截面信息进行切割打印。第四阶段，成型。以不同方式将各层的截面粘合起来，最终得到实物。
（二）发展现状
1991年，美国麻省理工学院申报三维打印专利，这一重大事件标志着3D 打印技术的正式确立。现在国外如Thingiverse这样的公司为顾客提供免费并且含有数字设计的资源库，使用者可以下载数字设计信息并自主创造打印对象。[4]
3D打印机可分为工业打印机和桌面打印机。工业3D打印在精确度和质量上体现出较高的水准；桌面打印因其便捷性被一般用户所接受，当前，中小学一般使用的是桌面3D打印机。目前Maker Bot 3D桌面打印机使用广泛，它可以创建各种对象，包括家具、玩具、动物模型、机器人等。它价格实惠，是第一款专为消费者使用的3D打印机[5]。3D打印技术具有神奇的吸引力，不但能够复制，而且可以通过想象进行原创，因此在基础教育基于项目的学习当中应用广泛。[6]
二、3D打印技术的教育创新分析
（一）在教育中的应用所体现的教育理论
1.“从做中学”理论
通过3D打印这一技术，学生真正实现了杜威口中的“从做中学”，即在真实的情景之下进行操作练习，获得科学知识。在这样的学习活动系统中，学生以3D建模软件和3D打印机作为新型的学习工具，教师充分发挥其指导者和协作者的作用。学生通过观察等方式，获得目标物体的数据信息，再用3D打印机创作出模型样品，体现出DIY的本质属性，同时又会学习和吸收新的知识，因此，3D打印将“教”“学”“做”三者合一。
2.“经验之塔”理论
美国教育专家戴尔提出了“经验之塔”理论。他将人的学习经验分为三类，即做、观察和抽象的经验。3D打印技术本身就是一个将想象转化为实体的过程，从建模、分层，到切割打印，都用到了做、观察和抽象的经验。在课堂上，教师通过展示由3D打印技术生成的教具，让学生以更加直观的形式汲取知识。3D打印改变了传统的教学方式，进一步为学生的想象力插上了翅膀，让学生同时获得了做的经验、观察的经验和抽象的经验。
（二）3D打印技术在项目学习中的创新应用
美国的3D打印项目学习由来已久。以明尼苏达星站（STARBASE Minnesota）项目为例，1993年，美国天文学领域的明尼苏达星站项目开始实行，它是美国国防部组织的项目，教授学生航空航天主题短期课程。该项目主要让学生探索火星的模拟任务设计和建设火箭模型，3D打印技术在建设火箭模型方面起到重要作用。其教学过程如下：掌握航空航天的基础知识以及火箭方面的相关知识、收集火箭相关数据、学习火箭模型设计、通过3D打印C制作模型组件、试验飞行、标注火箭飞行路径、分析结果、与指导该项目的工程师研讨方案对飞行路径的影响。在这一项目中，3D打印的作用如下：第一，快速生成模型，减少成本和时间；第二，提供真实的情境学习环境，避免枯燥的传统授课形式，激发学生的好奇心和学习兴趣。
在澳大利亚，达尔文高中在商业方面所进行的项目学习中，学生通过3D打印技术实现了相关产品快速成型的想法，并学会如何运作这些产品。在世界各国，除了这些项目以外，还有Fab@school项目、X城市项目等。
中国的3D打印课程发展也很迅速。在山东胶州，有10多所中小学开设了3D打印课程；南京市秦淮区马府街小学试点3D打印创新课；上海协和国际学校的学生使用三维技术扫描小行星灶神星图像，设计创造其微缩的模型来探索小行星。
2012年9月，上海市闸北区和田路小学开设3D打印校本课程，具体课程实施分为五个阶段：案例学习阶段、拍照创建阶段、实物构建阶段、想象构建阶段和虚实创造阶段。相应的虚实维度为：虚拟模仿、二维到虚拟、三维到虚拟、想象到虚拟、从想象和虚拟到实物形成。在案例学习阶段，学习内容是掌握相关软件工具的使用方法，形成抽象的空间思维；在拍照创建阶段，通过拍摄具体的实物，创建虚拟模型；实物构建阶段是通过观察，构建虚拟模型；想象构建阶段则是通过引导相关主题，让学生想象所要搭建的物体；虚实创造阶段是通过想象，用3D打印机创造具体的实物。[7]
这些项目让学生学会了某一个或者几个领域的专业知识，使其置于某一情境下学习并解决实际问题并充分发挥想象力。从设计建模到3D打印再到产品成型，都有专业的教育者对学生进行指导、协助。
（三）3D打印技术在学科教学中的创新应用
观察和创设是3D打印在教学中的两种实践形式。观察，顾名思义，就是教师通过展示教具的方式向学生依次呈现该项顶端技术，而学生通过观察掌握知识或者发现技术运行的规律。创设则是一种实践教学，教师引导学生使用3D打印技术，学生自主建立模型，最终完成对该技术的全面认识。在创设类型的课堂教学中，一般分为发现、解释、构思、实验和改进五个环节。通过提供观察和构建两种技术，可以让学生体验真实的学习空间，解决实际有效的问题，增加直接的学习经验。学生在此过程中获取知识，探究事物的本质和规律，获得创新能力、创造能力，形成创新人格，拓展视野，提高科学素养，发展综合能力。
窥探国外3D技术在教育中的应用情况，英国教育相关部门在2012年10月至2013年9月期间，共建立了21所试点学校进行3D打印技术试验项目。采用的推广试点方式是在STEM课程中融入3D打印技术，从长远角度看，这也是为英国的经济复苏和人才储备做准备[8]。经过一段时间的探索和发展，艺术类人文教育课程也被选入STEM课程，以增加其课程的丰富性与全面性。
除了英国，美国几乎所有的学校都配备了3D打印机。在文学课上，学生也可以从3D打印中受益，可以更深层次地挖掘一些概念。在缅因州的Mt. Blue高中，学生使用3D打印机创建一个艺术装置，以展示他们对绘图小说《守望者》形象的理解。[9]
3D打印技术在学科教学中的创新应用极为广泛，笔者通过梳理3D打印与学科教学的融合情况，整理成表1。
3D打印技术在中小学教学中用途多样，既能用于制作立体的教具和学具，又能辅助学生创设教学情境以及展示学习成果。此外，还增添了课堂交互活动以及学生之间的协作学习，充分发挥教师咨询者、引导者和学生学习动机激发者的角色，培养学生的探究精神和协作能力。
三、对3D打印在中小学教育中应用的思考
（一）3D打印技术的教育意义
3D打印课程可以提高学生的创造思维能力、创新精神以及动手能力。针对中小学生的年龄特点，3D打印在教育领域的应用给学生提供了“做中学”的体验，在这样的学习环境中，学生的学习热情较传统学习方式更加高涨。同时，3D打印提倡的是创新教育，能够让无数的思想火花相互碰撞，从而产生新观点，创造新的知识，培养出具有创新意识的人才，为将来国家的发展储备具有创造力的新人。
3D打印技术能够促进学生掌握数字技能。时展对教育提出了新的要求，数字技能是21世纪的必备技能。3D打印技术既需要学生的想象力、动手能力，还需要学生掌握数字技能，有助于学生在以后的学习与工作当中将数字技能转化为“数字红利”，这对适应21世纪的挑战大有裨益。
此外，传统的教学方式难以准确地评价学生的学习效果，3D打印课程满足学生个性化的学习需求，可以及时获取学生的学习成果，从而适时调整教学方案，与学生的学情密切结合。
（二）3D打印在教育实践中的问题与建议
3D打印技术正处于新兴发展阶段，还没有进入市场成熟时期。在教学实践中，3D打印技术也存在诸多问题。
1.3D打印在学校的应用与普及
目前，大部分的3D打印机价格相对较贵。价格不贵的打印机功能有限，只能制作基本的、简单的教具。虽然有政府以及社会企业发起的项目的支持，但3D打印机大多在发达国家或地区才会配备。
发达国家以法规、条例等形式号召全社会重视科学技术在教育中的应用。美国新媒体联盟的地平线报告每年一次，总结和规划当前和未来新媒体在教育领域的应用。另外，美国还有诸多与教育技术有关的组织、协会等，它们都在推进新技术在教育领域的应用和推广。
2.对教师的要求
3D打印在教育领域的应用具有跨学科性质，既需要教育者具备专业的计算机知识，又要有课程开发能力，还要求有专业的学科知识和教学能力。因此，3D打印技术与教育的结合对教师的要求极为严格。目前一些学校虽然具备3D打印设备，但是不少学校闲置不用，究其原因，是会使用新技术的教师太少。
基于教师在3D打印应用中的特殊作用，教师应提高自身的教学素养和技术水平。第一，教师要树立创客理念。教师应具有创新意识和创新精神。在基于项目的教学中，只有教师作为指导者与协作者，指导学生学习3D打印和相关课程，学生才能充分发挥自主能动作用。教师的引导作用不仅需要教师具有扎实的专业知识，还要具备创客的理念，具备将创意转化为现实、“教”“学”“做”合一、分享合作、学科交叉、懂得运用科学技术的观念。第二，教师要参加关于3D打印的教师培训。学校要保证教师掌握3D打印的知识，包括3D打印机的使用、懂得建模软件和再加工等技术。第三，教师要成为探究型教师，自主开发和应用新的教学设计，甚至开发校本课程，引导学生进行项目学习。教师需要更新传统的教学思想，摒弃以应试为目的的教学观念，做学生学习道路上真正的引路人。
3.3D打印与教育的融合形式
中国的3D打印技术与教育的融合形式多以学科教学或者校本课程的方式出现，虽然也有基于项目的3D打印技术与教育的融合，但是像美国“明尼苏达星站”这样的项目学习机会十分匮乏。除此之外，学校可以开发多种形式，如开设3D打印的选修课，传播3D打印技g；在学校内组建创客小团队、开展竞赛、夏令营等活动；在学校图书馆设立创客空间，供学生学习和研究基于3D打印、DIY等技术的创新活动等，培养学生的创新精神和匠人精神。
四、结语
随着科学技术与教育领域的紧密结合，新的技术不断颠覆传统的教育方式，3D打印技术前景广阔，相关机构预测它是一项革命性技术，将引领一个革命性时代的到来[10]。3D打印技术与教育的融合不仅可以推动教育事业的发展，也可以推动3D打印相关产业的发展。政府积极倡导创新创业，高新技术产业迅猛发展，越来越多的企业投入到3D打印行业。随着技术的更新，3D打印机的功能会随之增加，价格随之下降，3D打印技术将会走进更多的中小学校园。不管是将技术与学科教育融合，还是基于项目的学习，提升3D打印技术在教育领域的价值，培养未来各行各业的“工匠”，都是必然的教育发展趋势。
参考文献：
[1][2]李青，王青.3D打印：一N新兴的学习技术[J]. 远程教育杂志，2013（4）：29-35.
[3]What is 3D Printing[EB/OL].http：///what-is-3d-printing/，2016-03-20.
[4][6]Johnson， L.， Adams Becker， S.， Estrada， V.， and Freeman， A.（2015）. NMC Horizon Report： 2015 K-12 Edition[J].Austin， Texas：The New Media Consortium.
[5]3D Printing in Classroom[EB/OL]. http：///，2016-03-20.
[7]黎加厚，杨晓哲，杨高云.三维打印技术的发展对教育的启迪[J]. 中国医学教育技术，2013（1）：1-5.
[8]Department for Education. National Curriculum in England： Science Programmes of Study[EB/OL].https：//www.gov.uk/government/publications/national-curriculum-in-england-science-programmes-of-study，2016-03-20.
[9]3D Printing Becomes Accessible for High School Teachers[EB/OL].http：///education/blogs/high-school-notes/2014/07/21/3-d-printing-becomes-accessible-for-highschool-teachers，2016-03-21.
[10]杨洁，刘瑞儒，霍惠芳.3D 打印在教育中的创新应用[J].中国医学教育技术，2014（1）：10-12.
[11]童宇阳.3D 打印技术在中小学教学中的应用研究[J].现代教育技术，2013（12）：16-19.