3D打印技术在创新实验教学中的学习活动设计框架研究
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摘要：3d打印技术的普及和应用，为创新教育提供了新资源、新工具。创新实验教学作为创新教育的关键环节，引入3D打印技术，构造出虚拟实验室和实体实验室相结合的教学平台，能够促进学生的设计思维和创新能力。本研究首先阐述了创新实验教学的概念，然后，基于学习理论、“做中学”理论及活动理论，构建出3D打印技术应用在创新实验教学中学习活动设计的框架。最后，设计并展示了数学实验正多面体学习活动的教学案例，以验证其有效性。
关键词：3D打印技术；设计思维；创新能力；创新实验教学；学习活动
中图分类号：G434 文献标识码：A 论文编号：1674-2117（2016）23-0066-05
引言
在创客运动的大浪潮下，以信息技术为基础的创新教育，融合了项目学习活动、体验式教育及DIY理念的思想。3D打印作为创客运动中的重要的一部分，近年在建筑、材料、医学和教学科研等领域，逐渐引起广泛关注与研究。尤其是中小学基础教育领域，3D打印技术为创新实验教学提供技术支持，优化实验教学过程。
创新教育是指设计并实施创新的教学活动来提高学生的创新思维，进而实现新的思想和理念、新的发明、新的方式以及新的学说与技术等新事物的教育，是以培养学生的创新思维和动手实践能力为价值导向的教育模式。培养创新型高级人才，关键在于创新教学，其重要环节就是实验教学创新。
创新实验教学
实验教学是指在教师的指导下，学生根据课题规定的任务，使用专门的设备和仪器对研究对象进行操作、控制和模拟，在最有利的条件下对其进行观察，将抽象思维和具象思维、接受知识与训练技能相结合，从而获得经验事实的一种教学形式。根据文献调查法得出的结论，本研究将创新实验教学类型主要分为基本理论类实验、问题解决类实验和创新综合类实验。本研究从多个维度对创新实验教学与传统实验教学进行比较，其异同点如表1所示。
3D打印技术与设计思维
3D打印技术以数字模型文件为基础，通过“积层造型法”逐层打印材料层创建实体模型，主要用于原型设计及产品制造。常用的3D设计软件有SketchUp、AutoCAD、Blender等，亦可通过Kinect、goSCAN等专业的3D扫描设备，获得物体的三维数据。3D打印常用的材料有：尼龙玻纤、石膏材料、橡胶类，甚至是食物材料等，采用粘合剂为物体上色。
在二维的设计思维模式下，经常出现平面、立面、剖面数据差错的现象，这实质上是二维的设计工具限制了设计者的思维所致。人脑接收到感官感觉到的直观形态的信号，经过三维到二维的思维转化过程，极可能出现偏差。如图1所示，大脑的思维初始状态是简单的、零散的，培养设计思维的最终状态是达到系统、创新、全面综合的水平。
教师在培养学生设计思维的过程中，首先应培养学生用立体思维方式进行思考的能力和空间想象能力。3D设计软件是设计工具的进步，更是对固有思维模式进行重建，它能更好地帮助学生构造空间思维。学生对所设计的物体内部结构进行观察、体验、修改，从设计对象中抽取元素，其与之后进行重组的过程是设计思维的关键阶段，此阶段可以帮助学生在抽象与具象思维之间转换。模型中的所有数据相互关联，改变其中某一数据值，与其相关的数据会相应变化，简化了繁重的修改过程。
在3D打印技术支持下的学习活动中，对学生和教师的能力要求，以及活动对资源和工具的要求与传统课堂均有异同。本研究设计和探索可操作性强的学习活动，为基于3D打印技术的创新实验教学提供参考和指导。
1.理论基础
（1）建构主义学习理论。在基于3D打印技术的创新实验教学中，3D打印机制作的教具使学习情境更接近于真实情境。学生利用3D设计软件动手操作，自主构建知识的意义，认知过程更完整。
（2）杜威的“做中学”理论。学生利用3D设计技术开展观察、实验、探究、设计、操作等学习活动，将抽象的知识打造成实体模型，获得直接的学习经验。
（3）活动理论。活动理论的关注单元是一个超出学生个体的“活动系统”。上页图2为基于3D打印技术的学习活动系统结构图，如图可知活动系统包括主体、客体、共同体、工具、劳动分工和规则6个要素。系统的核心成分为主体、客体和共同体，与另外3个要素共同组成交流子系统、生产子系统、消耗子系统和分配子系统。
2.3D打印技术在创新实验教学中的学习活动设计的框架
本研究根据学习活动系统中六要素的关系，综合教学设计的ADDIE模式，构建了3D打印技术在创新实验教学中的学习活动设计的框架，如图3所示。在创新实验教学中，每个阶段都离不开结构化、序列化的学习活动。
（1）学习目标分析。教师要对学习目标进行分析，确定特定的学习任务，充分利用3D设计和3D打印技术的优势，使用3D打印技术支持环境下的实验教学满足特定的教学需求。
（2）准备阶段。将学习任务按照知识点设计为不同的学习子任务，如理论知识学习、实物考察、3D设计软件的操作学习、测试题、课堂练习等。在学习共同体及任务分工设计阶段，学生和教学组织者师共同组成学习共同体，在实体实验环境中或虚拟平台上，教学组织者师会制定制订学习计划，安排学习主体进行小组学习或个体学习。此时，教学组织者师会根据学习个体的兴趣和特点对其进行学习分工，在学生原有的认知发展水平基础上建立教学活动。
（3）实施阶段。教师首先要对学习主体的初始技能和原有认知结构进行测试，根据测试情况，设计有效的教学内容，选择合适的媒体工具，以及对媒体工具所具有的技术约束进行调试，确保技术因素不会影响教学效果。制定协作交流规则、使用3D打印技术的操作规范以及评价规则等，然后进行教学过程的设计。
（4）评价阶段。教学组织者师对整个学习活动流程进行过程性评价，并依据反馈结果对各学习阶段进行修改。