3D打印技术助力中学生创新教育工作

李佳+徐兴健

摘 要 3D打印在我国教育教学领域的应用尚处于起步阶段，有效地运用3D打印技术培养和提高中学生的创新能力，具有重要的战略意义。通过文献调研结合实际教学案例的方式，归纳3D打印在创新教育中的主要贡献及未来发展趋势，以期为3D打印创新实验室的未来发展方向提供参考。

关键词 3D打印；创新教育；创新实验室；创客教育；3DOne

中图分类号：G633.67 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2017）23-0028-03

1 前言

随着世界经济的持续发展，工业转型升级是势在必行的历史发展趋势，而这种转变必将促进社会对创新型人才和技术型人才的大量需求。为此，教育部曾在发布的《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020）》中指出：全面提高普通高中学生综合素质，促进学生全面而又个性地发展，提高学生的学习能力、实践能力、创新能力，加强学生对社会的适应性[1]。

习近平总书记在2016年5月30日召开的全国科技创新大会上对加强科技创新工作进行了部署，强调创新始终是推进一個国家、一个民族向前发展的重要力量。培养创新型人才是提高自主创新能力的关键。创新型人才的培养和教育工作是不可能一蹴而就的，而是需要在夯实的基础上循序渐进。因此，在当前高中创新教学过程中，如何通过有效的教学模式激发学生的主观能动性，积极参与实践活动，提升学习体验，使学生以愉悦的心情获得良好的学习效果，促进学生全面发展，为中学创新教育提出更高的要求和标准。

20世纪90年代中期，3D打印技术横空出世并迅速在全球范围内得以推广应用，涉及领域涵盖了生物、建筑、军事、医学以及教育等[2]。3D打印技术又被称为增材制造技术，是将计算机模型直接转化为三维实体的一项技术[3]。随着社会的进步，人们对该技术认可度的增加，会有越来越多的科技精英利用3D打印技术进行科技革新。因此，中国教育行业应抓住这一契机，将3D打印机引入中学课堂，提升学生对新技术的认识，拓展学生的视野，开发学生的创新思维[4]。

2 3D打印在培养中学生创新意识中的应用

在教育教学过程中，在保障学生理论知识和实践技能学习的基础上，如何培养学生的创新意识是值得关注的问题。针对这一问题，3D打印提供了一个可以无限拓展的平台，其主要作用可归纳为以下三点。

培养学生的设计意识 3D打印成品的流程为：设计—打印—拼装—调试等。其中，设计是最能体现出一个人创新意识的环节。设计并不简单隶属于某一学科，而是要求设计者具有多元化的知识储备，将经济、历史、数学、物理、生物、美术、工程等诸多要素糅合在一起，形成一种具体的、带有个人思想的产品构图，并通过一些3D软件将其呈现出来，进而利用3D打印成型获得可展示的实物（图1）。

设计在促进科技发展、提高生活品质及优化商业运营等诸多方面发挥着至关重要的作用。学生利用3D打印机获得自主设计的各种模型的过程中，一方面可以拓展设计方面的创新思维，另一方面可以感受创作的乐趣，提高在设计创新方面的主观能动性。

乌兰浩特第一中学创新实践中心在引入3D打印机后，学生在利用3D打印技术学习设计的过程中受益良多，给出一致好评。其中一些学生自主设计的3D打印作品还被选送参加全国中小学电脑制作活动大赛“3D创意设计（未来智造设计）竞赛”。实践表明，3D打印不但可以提高学生的设计创新能力，而且可以通过设计竞赛等活动，加强不同文化背景和不同区域的学生之间的交流与互动。

培养学生的社会责任 中学生是国家及社会发展的储备力量，肩负建设祖国的历史重任。因此可以说，学生社会责任感势必影响一个国家及民族的发展。然而，我国在中学教育阶段的德育课程标准中并未明确提及培养学生的社会责任感，导致重智轻德成为当前中学教育中普遍存在的问题。随着信息技术的飞速发展，加之中学生理解能力的提升，他们已具备一定的抽象思维能力，同时会主动关注社会问题，因此，这一时期是培养学生社会责任感的关键时期。如何有效引导学生提升其社会责任感是需要解决的问题，3D打印走进中学课堂不失为一种有效的途径。

Kostakis等人在希腊约阿尼纳的两所高中开展了一项为期三个月的研究，33名学生参与了该项目。他们利用开源式的3D打印设计软件和3D打印机进行作品创作，且大多数作品中成功融入了盲文信息[5]。该举措不仅可以通过这种媒介互动的方式来帮助人们更好地在精神层面加以沟通和交流，还可以培养学生的社会责任感。

培养学生的创客意识 伴随着“3D打印”“传感器”“机器人”等新技术掀起的科技狂潮，“创客运动”在国内外发展得如火如荼。“创客”们勇于开拓、创新、尝试，经过不懈努力实现其自身价值的精神无一不影响着传统的教育理念、技术、模式和方法。因此，时代赋予教育新的使命，即“创客教育”，也可以说它是创客与教育“激情碰撞”的产物[6]。基于创客理念的3D打印教学，应更注重将“创新、实践、分享”的意识融入课堂教学中，实现全面提升学生个人素养的教学目的。

乌兰浩特第一中学在基于3D打印技术的创客教育中选择3DOne建模软件及FDM桌面型3D打印机相结合的模式，鼓励学生在3DOne青少年三维创意社区上分享和展示个人的创意设计，并利用在线互动模式，加强教师与学生之间的交流，有助于学生更好地完善自己的作品。由于科技的不断发展，新技术也势必会层出不穷，在培养中学生创客意识过程中也应当注重学生基础知识的学习，只有这样才能始终跟紧科技发展的步伐。

3 利用3D打印进行创新教育的方法

3D打印在中学生创新教育中的多元化作用，必将促进相关教学方法和教育理念的革新。从图2可以看出，教师所布置的学习任务具有灵活多变的属性。简单来说，教师可以根据不同学习对象制定不同的学习任务。例如：针对初涉3D打印学习的学生，教师可选择一个易于学生学习和掌握的作品，通过教学与实践，使学生能够快速掌握这项技术的核心内容；而针对已有一定基础的学生，教师可以提出一些具有挑战性的学习任务来调动学生学习的积极性，锻炼学生的创新意识。endprint

以乌兰浩特第一中学开展的3D打印教学课程为例，对这两种教学模式进行阐述。

基于特定主题的教学模式 首先，教师提出本次教学的主题——利用3D打印展示自己对蒙元文化的认知。10名学生分为两组，自行组队，随后根据主题进行头脑风暴，选定设计方向，绘制草图并利用3DOne软件进行建模，记录建模过程中存在的问题；各小组之间分享作品及心得并提出意见，教师从旁指导；学生根据修改意见对设计图进行调整，利用3D打印获得相关作品；小组间进行作品展示和点评，最后由教师进行评价与总结。

本次教学过程共获得两件作品。一个小组设计的作品是勒勒车（图3a），小组代表介绍了他们的创作理念：“‘勒勒是牧民吆喝牛羊的声音，响彻蒙古草原。勒勒车是蒙古游牧民族所使用的传统交通工具，在其整个民族发展的历史中发挥着十分重要的作用。同时，勒勒车也富含祝福和吉祥之意。此外，勒勒车在设计上映衬着蒙古族人民的智慧。因此，选择勒勒车作为蒙元文化的代表之一，是对蒙古族物质文化的一种传承。”

另一个小组则选择了马头琴（图3b）来传达他们对蒙元文化的理解：“马头琴是胡琴的衍生产物，有着悠久的历史，且拥有一些动人的传说，同时它也是最富草原特色的乐器之一，广受蒙古族牧民的喜爱。许多用马头琴弹奏的描绘草原儿女生活、草原风光、牧民对美好生活向往的名曲都能燃起人们对草原的向往。因此，马头琴是蒙古族牧民向世界展现他们精神面貌的重要载体之一，是蒙古族精神文化的一种传承。”

通过本次3D打印教学课程的学习，使学生感受到草原文明的历史厚重感，同时使学生充分体会到3D打印带来的乐趣。

基于生活中存在的实际问题的教学模式 首先，教师引导学生通过观察或自身的体验，提出生活中存在的一些小问题，并选择一个认同度较高的问题作为本次3D打印教学课程的任务；随后学生先根据自己的思路草拟解决方案，教师从旁指导；每个学生根据自己绘制的草图进行建模；学生分享自己的建模成果，互相评价，教师提出修改意见；修改完毕的模型利用3D打印获得实物，学生展示作品，进行讨论，教师进行点评，最后共同选出最佳解决方案。

本次3D打印教学过程选出的问题是：“在旅行途中常常需要经过未设置电梯的车站或天桥，这时该如何省力地拖动旅行箱？”经过教师和10名学生的评选，从10个作品中选择出一个最佳的作品，即履带型旅行箱，如图3c所示。设计该作品的学生分享了他的设计理念——主要来源于坦克。因为履带式设计可以增大坦克的接地面积，使其在不同路况上行进时保持良好的稳定性和行驶速度。基于此，将履带设计融入旅行箱中，人们便可以在行走台阶时通过直接拖拽的方式拉动旅行箱，使出行更为便捷。

尽管这一设计尚存在一些问题或缺陷，如履带的材质和成本、抗震性能等方面仍需进一步讨论和优化，但是这种创新意识是值得鼓励的。这种教学模式一方面提高了学生发现和解决生活中实际存在问题的能力；另一方面，在学生寻求解决方案的过程中，也锻炼了他们的创新思维以及对所学知识的综合运用能力。

4 总结

3D打印凭借其技术上得天独厚的优势，已在中学创新教学中发挥了重要作用。该技术可以帮助学生将理论与实践相结合，培养学生的创新意识，增加学生动手创作的机会，同时也丰富了课堂教学的形式。然而，新技术的发展也存在一些问题，正确认识这些问题将有助于该技术在中学创新教育中进一步发挥积极作用，为此提出以下建议。

1）提高教师的个人素养。创新教育的核心即为创新，因此，基于3D打印技术的创新实验室的建立必将对教师提出较高的要求，其应当具备优秀的创新意识及实践能力，且知识储备应具有多元化的特点，以满足不同学科学生的学习需求。

2）国家应加强对于中小学创新教育的硬件投入。3D打印创新实验室需要硬件设备的支撑，否则仅以软件建模教学为主，不利于调动学生的积极性。

3）加强交叉学科的教学力度。3D打印创作必须建立在学生具有一定知识储备的基础上，特别是随着先进技术的不断发展，全球教育领域也在酝酿革命性的变化，因此需要有针对性地、系统地培养学生的创新能力，特别是在交叉学科的学习方面，将有助于学生更好地利用3D打印平台完善并实现其创新创意。

参考文献

[1]魏本亚.汪懋祖“学术化苏高”的表征、意蕴及启示[J].徐州师范大学学报：教育科学版，2011（4）：44-48.

[2]Macdougall P J， Henze C E， Volkov A. Volume-rendering on a 3D hyperwall： A molecular visualization platform for research， education and outreach[J].Journal of Molecular Graphics and Modelling，2016（2）：1-6.

[3]尚雯，谭跃刚，张帆，等.面向大学生创新教育的3D打印教学实验平台研究与应用[J].中国轻工教育，2016（3）：73-76，79.

[4]李青，王青.3D打印：一种新兴的学习技术[J].远程教育杂志，2013（4）：29-35.

[5]Kostakis V， Niaros V， Giotitsas C. Open source 3D printing as a means of learning： An educational experiment in two high schools in Greece[J].Telematics and Informatics，2015，32（1）：118-128.

[6]劉丹.基于创客理念的高中信息技术课程教学设计研究[D].江苏：江苏师范大学，2016.endprint