3D打印技术在中小学教学中的应用

罗华明+郭龙+金开龙+郑云+杨珊+杨景

摘 要：3D打印技术在各个行业都有较大的应用空间，在教育行业可将3D打印技术与中小学教学相结合并应用于实践，使之成为教师教学中重要的辅助工具，帮助学校培养创新型人才。该技术既可以有力地解决当下的教学问题——教学质量不高和不注重能力发展等问题，也可以将创客教育的核心内容和STEAM课程与素质教育有机结合起来，帮助学生更好地学习。创客教育與素质教育的结合不仅会让学生们更好地体验到素质教育的意义，还可以提高学生的创新意识。同时开展的STEAM课程可以辅助学生更好地发挥自己的创造能力。

关键词：3D打印技术；中小学教学；创客教育；STEAM课程

中图分类号：TP39；TM131；G434 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）11-0-03

0 引 言

随着信息技术的发展以及社会的需要，3D打印技术在各行各业中越来越凸显出巨大的作用和便捷性。因此，3D打印技术和中小学教学相结合不仅是社会教育和学校教育发展的需要，也是一个国家富强的需要，更是当代教育的需要。社会的发展明确了中小学教学改革的努力方向，与此同时，应用3D打印技术可以加快促进传统应试教学过渡到素质教学。而相对于其他行业，3D打印技术在教育教学领域中的应用较少，所以将3D打印技术、创客教育的核心理念、STEAM课程与素质教育相结合，并应用于中小学教学具有十分重要的意义。目前，虽然我国大部分学校都提倡素质教育，但在教育和教学中还存在着许多问题。譬如课堂氛围活跃度欠缺、学生经常感觉教学枯燥无味、教学质量不高、学生的空间想象力缺乏以及学生的创造能力难以得到提高等。这些都是中小学教学中亟待解决的问题，而创客教育教学和STEAM课程及教学方法的创新应用就是解决这些问题的方法。

1 3D打印技术原理

3D打印技术可以将构想通过电脑转换成X、Y、Z轴可控制的立体建模。步骤如下：

（1）构想出所需模型，在特殊3D建模软件上画出此模型；

（2）构建三维图形，每层通过数据划分形成3D打印机能识别的数据，通过内存条输入3D打印机，3D打印机对每层数据进行识别并打印；

（3）逐步形成所建模的图形。

根据打印材料的不同， 3D打印机分为三种，即特殊液体通过激光束的光固化3D打印机；可热熔塑料通过热熔喷出的3D打印机；在生物方面可将生物细胞通过特殊喷口的生物3D打印机。

根据型号的不同，3D打印机可分为五种，即喷墨黏粉式（3DP）打印机；立体光固化成型（SLA）打印机；选择性激光烧结技术（SLS）打印机；生物分子（BIO）打印机；熔融沉积成型（FDM）打印机。而在教学中的最优选择是熔融沉积成型的3D打印机。3D打印机类型如图1所示。

2 创客教育

“创客”有狭义和广义之分：狭义的创客是喜爱科学、在实践中成长、乐于分享、全心全意地让创新创业通过自己的努力变成现实的人；广义的创客是指有推陈出新的创新思想，并能将之用于实际、做出改变的人。创客的指导思想是 “大众创业，万众创新”，其重要的生命支柱是将创新应用于理论实践和创客之间的分享。

将创客的创新力量带入到学校教育教学中，广义的创客教育应是全体人民的创新教育；狭义的创客教育是培养全能素质学生的教育。

创客教育在课程设置上有其独特性。从分享、交流到合作，不只是从形式上进行，同时也重视素质创新方面和科技手段的融合，一步步开辟出融合新思想、跨学科培养的不同路径。

3 STEAM课程

STEAM课程是传统应试教学理念到素质全能性教学的彻底转型，其核心是注重学生学习发展过程中的情况，不同于应试教育中只看学生成绩的现象。从根源上讲， STEAM课程不怕学生在实践中犯错，而是让学生在犯错中不断总结经验、不断进步，引导学生将自己的经历转化成自己的想法、从自己听到和看到的内容中得出经验，即培养学生能够将理论应用于现实的能力。STEAM教育不再只是将学生封闭在教室里上课，而是在充满教育教学新科技产品的科技屋里，和大家创造原型产品，这样，STEAM课程才有独立创造的可能性。

STEAM课程重视学生学习和现实生活的关系联络，看重学生在教师引导下自主学习的过程而非应试结果。

具体地说，STEAM课程讲的是重视结果的教育教学模式，即教师引导学生通过实践操作，去了解、学习和完成自己想要完成的项目。因此要求学生学习每个科目及跨科目的课内外知识，在教育教学中创新应用STEAM教育思想核心，让学生在学科界限上有所改变，既接近艺术的美丽，也承认并理解构想、改良、操作与创造，并且能用3D打印机打印出自己建模的产品，提高学生的创新能力。

STEAM课程与3D打印的关系示意如图2所示。

4 3D打印技术在中小学教学中的应用方向

4.1 在学科教学中的应用

4.1.1 在传统学科教学中的应用

3D打印技术将课本中抽象化的图形或相关知识以及虚拟的形象具体地展示出来，便于学生理解、吸收。一方面，这既是时代的选择，也是教育智能化的发展趋势；另一方面，此举既能增强中小学生的创造性和学习兴趣，提高学生的立体思维能力，也能提高教师课堂教学的表现力。

就文科类学科而言，把课文中的人物或重要物体打印出来，使之成为教学教具，既可以让学生在学习时有更多直观的理解，又可以为理解所要展现的故事情节提供新思路。在理科类学科中，则需要建模之后才能把立体模型打印出来，这个过程能够让学生熟悉更多的建模软件。同时对于需要将平面几何立体化和一些难于进行空间想象的图形，协助学生理解平面图形的画法和空间图形的结构，让学生更加清楚地了解构造过程。

4.1.2 在校本课程等创新课程中的应用endprint

此项应用在于补充传统教学中无法顾及的教学缺陷。3D打印技术在校本课程中的应用是一个新事物，为学生发展开拓了新的途径，不仅促进了学生在创新方面有深层次的初步理解，也促进了学生从分开学习到合作式学习的方式转变。

4.2 在促进学生知识能力方面的应用

在中小學教学中，3D打印技术在促进学生知识能力方面的应用主要是培养学生的感知能力。在教学中可以把一些比较抽象、复杂的“知识”设计成具体的模型。呈现出清晰直观的视觉效果，让学生通过视觉感官感受实际物体，激发学生的求知欲。

在中小学的教学中引入3D打印技术后，可根据教学内容的需要设计出不同难度的实物教具来帮助学生学习相应的知识。

4.3 在激发学生创造思维方面的应用

现如今，我国提倡培养创新型人才，所以在教学中要深入挖掘并培养学生的创造能力，这就要求教师提供一些教具进行引导。在制作模具过程中，学生可以参与图形建模、设计立体的三维图形。在设计过程中，教师可以潜移默化地培养学生的空间想象力和设计创造力，这是3D打印技术最明显的优势。当教师根据教学内容把制作的实物教具呈现在学生面前时，还可以激发学生的求知欲，具有一石二鸟的效果。

5 3D 打印技术应用于教学的优势

5.1 有利于提高可视化教具的使用效果

如今的教学提倡可视化，3D打印技术在可视化教学中有几个比较突出的优点：

（1）让学生自己先构造出思维图形；

（2）教师引导学生思考并呈现所需的可视化教具，以帮助学生理解未知的抽象事物；

（3）对于中小学学生来说，通过3D打印技术呈现出抽象复杂的图形“模具”，帮助学生理解和掌握相应的几何知识。

3D打印技术应用于中小学教学，不仅可以成为教师的得力助手，提高教学质量，还可以培养学生的创造力。

5.2 有利于创造新颖的教学内容

3D打印技术不仅可以成为教师的教学助手，还可以提高学生的学习兴趣。教师通过设计更有创意的教学内容来吸引学生。传统的教学大多都是按部就班，没有太大的吸引力。

因此，可以利用3D打印技术给学生创造新颖的教学内容，提高学生的学习兴趣；创造优良的学习环境，便于教师在教学过程中为学生提供广阔的视野和思路。

5.3 有利于营造愉快的学习氛围和学习体验

由于现阶段的学习氛围和学习体验大多比较枯燥无味，因此目前的教学质量普遍不太理想，导致学生在听课伊始能集中注意力，但过一阵后就会觉得枯燥无味，没有继续认真听讲的动力。久而久之，课堂氛围就会变得死气沉沉，使学生感到压抑，失去学习的激情。

加入3D打印的课堂不同于普通课堂，教学时，教师可以用3D打印技术为学生制造并展现出诸多教学知识所包含的“实物”，既可以帮助学生理解掌握知识，还可以活跃课堂气氛，为学生创造愉快的学习氛围和学习体验，从而提高教学质量。

6 结 语

现阶段的教育教学强调培养创新型高素质人才，而3D打印技术正是培养创新型人才的有效途径之一。通过把3D打印技术、创客教育的核心内容以及STEAM课程有机结合到教育教学中，教师能根据自己所教的内容制作出不同难度、不同类型的教学辅助工具，同时也让学生更直观地接触到诸多难以进行空间想象的图形。这样，一方面有助于教师的教学，另一方面培养了学生的感知能力和空间想象能力。此外，3D打印技术也为教学带来了很多优势，既有利于促进直观性教具的理解和使用、创造新颖的教学内容，也有利于营造愉快的学习氛围和学习体验。

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