面向创客培养的3D打印教育应用研究

刘亚娟

(长春师范大学教育学院，吉林长春 130032)

教育部印发的《基础教育课程改革纲要》提出，要加强课程内容与学生生活以及现代社会和科技发展的联系，倡导学生主动参与、乐于探究、勤于动手，培养学生分析和解决问题的能力以及交流与合作的能力。《国家增材制造产业发展推进计划(2015—2016年)》指出，组织实施学校增材制造技术普及工程。在学校配置增材制造设备及教学软件，开设增材制造知识的教育培训课程，培养学生创新设计的兴趣、爱好、意识，在具备条件的企业设立增材制造实习基地，鼓励开展教学实践[1]。3D打印对于教育领域的重要价值之一，在于它能够创造对事物更真实可靠的探索机会，无论对于高等教育还是基础教育，它都将是探索科学和艺术的绝妙入口。国家大力倡导培养学生的动手实践能力，鼓励学校和企业开展3D打印教育研究与培训。在信息技术急速发展的时代，中小学越来越重视学生的编程设计能力，3D打印可以现场输出学生的设计成果。现在很多中小学校已经引进3D打印设备，开展相关课程或社团活动。3D打印与教育的结合将有助于培养学生的创新能力，为培养未来的人工智能人才的打下良好基础。

1 创客教育与3D打印的内在联系

1.1 创客教育的内涵

2017年《地平线报告》(基础教育版)聚焦基础教育应用的六项重要技术进展，排在首位的就是“创客空间”。创客教育有别于传统的以书本为主的教育方式，其立足创新、创造和教育三个维度，有效利用数字化工具，通过创造有形的作品，使学生成为“教育创客”。创客教育提倡体验式学习，与科学、艺术等各基础学科紧密融合，通过鲜活生动的实例培养学生的想象力和创造力，使其形成基于创造的学习。

1.2 3D打印与创客教育的有机融合

3D打印技术是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术[2]。3D打印包括两个阶段：第一步，设计建模阶段。利用三维建模软件如3Done等进行结构设计。如果是生活中已有的模型，如打印人物等，可以通过三维扫描设备扫描建模；第二步，逐层打印阶段。根据已有模型，逐层打印，叠加后形成一个立体的模型。

3D打印实现了学生思维的形象化，通过设计作品、打印作品，使学生在实践过程中的体验经历更加丰富，成功的满足感更强，促使学生更加热爱学习，培养学生积极思考问题和探索世界的能力，使其成为有思想、有创意的实践者，整个设计和实践的过程对学生智力和美育的发展起到重要作用。

随着“互联网+创客”时代的到来，3D打印技术已经成为创客教育的典型代表之一。目前3D打印技术已被写入新修订的高中信息技术课中，3D打印成为中小学信息技术课内容的重要组成部分。

2 3D打印应用于教育的理论基础

2.1 经验之塔理论

美国视听教育家戴尔提出的“经验之塔”理论是研究教学过程中媒体使用效果的理论。该理论认为宝塔最底层的经验最具体，随着宝塔上升逐步抽象。3D打印作为一种媒体手段参与教学，对教学中的某些抽象概念或科学过程进行可视化展现，使隐性知识显性化。学生亲自参与设计、打印，这个过程就是积累具体经验的过程，学生在打印之后进行小组内的互相观察、讨论，理解具体事物的抽象表现形式，在实践中获得学习经验，体验抽象和具体相互转化的过程。

2.2 活动理论

活动理论认为，人类认识的起点和心理发展的过程基于人的主体活动，活动是作为主体的人与外界环境交互作用的过程。活动具有多种类型和多种层次，对人的存在和发展有多种影响，因此在教育过程中应该对学生的学习活动予以关注[3]。

活动理论倡导教育关注学生的学习活动。3D打印以任务为驱动，以解决问题为目标，以学生为主体；在设计和打印过程中，与机器进行交互，与学生进行交流，通过这种活动的完成促进学生智能的发展。

3 3D打印技术在教育中应用的作用

3.1 培养空间想象力，为后续立体知识学习奠定基础

从最初的平面设计到三维空间设计，学生的立体感增强，空间想象力更丰富，为将来学习立体几何等知识打下良好基础。学生通过3D设计和打印,将自己独特的想法转换为现实的存在，获得更大的学习参与感和成就感。

3.2 培养实践能力和团队协作能力

从最初设计到最终打印，学生需要全程参与。在一些小组合作学习项目上，学生通过组内互相讨论交流，形成设计初稿，经过逐步商讨修改，最终完成学习任务。这一过程将明显提高学生的实践操作能力和与同伴沟通交流的能力。

3.3 培养学生的创新能力

在实践活动过程中，利用3D打印等先进信息技术，将学生具有创造性价值的个性化想法变为现实。这种学习体验将大大地促进学生想象力的发展，使思维能力和创新能力逐步得到提升，对国家创新型人才的培养具有积极的意义。

4 3D打印与中小学课程的有机结合

中小学校应通过开设选修课或者社团活动来普及3D打印技术。在课堂上简要介绍3D打印技术及软件基本操作，选择一些适合学生并且和其他课程息息相关的模型进行讲解，在学生已有知识的基础上进行设计创作，对知识进行重新梳理。

4.1 理科学科

理科主要包括数学、物理、化学和生物等学科。数学学科中涉及立体几何部分，教师可以设计特殊的几何型体并打印出来，帮助学生理解三维空间几何结构。数学函数部分可以让学生利用软件进行描述建模，将艺术的美感与数学充分结合，同时引发学生的创新思维。在物理课堂中可以打印不常见的实验器材，这样能够避免没有器材演示时的枯燥讲解。生物知识课堂上，可以让学生自己搭建DNA螺旋模型，深刻体会螺旋模型的结构含义。讲解到人体器官时，还可以通过3D打印还原身体各器官的组织结构，帮助学生从细节上进行观察和理解。科学学科主要包括物理、生物等学科的综合内容，涉及比较初级的各科基础知识。比如科学实验中可能会用到一些特殊形状的容器，教师可以提前设计打印用作实验器材。教师还可以带领学生查找网络已有的3D建模素材源文件，让学生跟随教师一同参与打印过程。学生通过观摩与协助教师构建打印模型，在科学课学习中营造体验式的学习空间，获得更加直接的学习体验[4]。

4.2 文科学科

在英语学科教学中，可将涉及异国他乡的代表性建筑物等打印出来，让学生通过观察比较建筑的不同风格来深刻理解异国文化。在历史学科教学中，用3D打印机重现有考古意义的古代器物,帮助学生理解历史真相。在地理学科教学中，重现被地震破坏的山形地貌，让学生更直观地分析地形及该区域的地理特点及人文知识。

4.3 美术、信息技术等学科

美术素描课中需要一些特殊形状的几何型体，教师自己设计打印，让学生接触更多类型的几何模型，提高设计的创新性。信息技术学科教师安排学生根据想象设计搭建生活中不常见的模型，也可以对现实生活中的形象进行个性再创造。这一过程充分锻炼了学生的动手设计能力，反复修改设计文件后进行作品打印，最后进行小组或班级展示，极大地提高学生的设计创造能力和自我满足感。

5 3D打印应用于教育的建议

未来几年，国内基础教育甚至高等教育都会出现对3D打印技术的需求。3D打印应用于教育需要加强以下几方面的内容。

5.1 高等学校有针对性地开设相关课程

3D打印刚刚起步，大学里设置该课程的专业还很少，从事中小学3D打印的教师基本上都是原来的信息技术教师或者通用技术教师。从3D目前的发展形势看，急需各高校开设3D打印相关课程，以便逐步为中小学输送更专业的人才。

5.2 开展师资进修培训

建议初步开展3D打印的学校组织教师到3D打印技术发展较好的学校或企业去观摩学习，借鉴其优秀的发展成果和相关技术。聘请相关专家或有经验的教师开展集中培训，使现有师资能力得到快速提升。

5.3 获得管理层和企业的支持

3D打印机和打印材料比较昂贵，让学校管理层认可这种教学方式需要一个过程。也可以关注与企业的联合，吸引部分企业将资金投入教学中。

6 结语

随着国家支持力度的不断加大，3D打印技术和材料技术不断进步，也更加精密化和便捷化。未来将会有更多的教育工作者投入到3D打印应用于教育工作的研究中。在教育发展过程中，教师要及时把握新技术带来的积极作用，使其与教育紧密结合，丰富课堂教学模式，不断推动教育信息化。