基于3D打印技术的中小学创新能力培养研究

冉龙旭　于国龙　聂小双　余红　张应奎

摘要：随着科技的飞速前进，创新能力的培养和提高在中小学教育中显得越来越重要。3D打印作为当今时代的一项创新技术，虽然在许多不同领域里都得都到了广泛的应用，但它在教育方面的运用还处于启蒙阶段。本研究将3D打印技术与创新能力培养相结合，从理论方面和实践方面出发，阐述了怎样在3D打印技术教学过程中培养学生的创新能力。

关键词：3D打印；创新能力；3D打印教学

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）10-0147-02

Abstract： with the rapid advancement of science and technology， the cultivation and improvement of innovation ability is becoming more and more important in education. As an innovative technology of The Times， 3D printing has been widely used in many different fields， but its application in education is still in the enlightenment stage. This research combines 3D printing technology with innovation ability training， and explains how to cultivate students' innovation ability in 3D printing technology teaching process from theoretical aspects and practical aspects.

Key words： 3D printing；innovation capability；3D printing teaching

在現在这个科技飞速发展的时代，创新能力的培养和提高在中小学教学中变得越来越重要。在学习过程中，要想提高同学的想象力，首先要激起同学的学习兴趣，其次再引导他们建立起一个立体化思维体系。基于3D打印技术的创新能力培养，不仅可以使一些在传统教育中表现不好的学生也产生学习兴趣，还能培养他们的创新能力，让他们体验到新技术带来的巨大能量，增强他们的自信心。将3D打印技术引入课堂，学生不但能够学习到3D打印技术并在3D打印物品中更具体地学习专业知识，而且还能见识到新技术、提高自我的操作能力和创新能力。

3D打印技术引入课堂教学后，将颠覆传统的教育方式。在3D打印技术的教学过程中，同学在亲眼看到3D实体模型的同时，在大脑中构思并自己制造3D模型。在这种环境下，无聊的教学将会变得形象有趣，学生的创新能力和动手能力将得到大大的提升。

1 3D打印技术在教学中的现状及问题

3D打印技术已经出现30多年，只是它始终游离在大众视线以外，一直到最近几年它的价格堡垒被打破才逐渐进入了公众的视线。在国外，很多学校都已经把3D打印技术引入课堂教学。我国3D打印技术在教育领域的应用还处在启蒙阶段，但是随着3D打印机各方面费用降低以及对技术方面要求的降低，它的应用领域会逐步扩大，政府和学校一定会越来越重视这项技术。

1.1 3D打印技术的教学现状

上世纪90年代初以来，一些高校在3D打印设备制造、3D打印材料等范畴展开了深入的研究并获得了一定的成就，有些技术已经达到国际顶尖水平。在发达国家，3D打印技术几乎已经成为了中小学必不可少的课程，其中以英国政府最为重视，2012年，英国教育部与英国数学创优中心、英国物理院联合开展活动，从四十多所一流的中小学中选出了二十一所学校当做测试点，将3D技术应用到数学和计算机科学等科目中；到2013年，试点学校已经增加到了六十所；从2014年起，英国计划年满5岁的儿童就必须学习计算机和3D打印技术；2016年，英国政府要求每一所学校都必须配备3D打印机。

1.2 3D打印技术在教学中产生的问题

目前，我国在教育领域的确逐步开始了将3D打印引入课堂教育的尝试，可是基本都是刚刚起步，还有不少的困难需要克服。主要困难在四个方面：一是成本方面，由于3D打印机的使用成本较高，要把3D打印技术普及到课堂教学中还是有一定的困难；二是打印材料方面，不是全部材质的材料都能制作成精细的糊状，现在3D打印的制作材料多数是应用化学聚合物，材料可选择的范围比较窄，制作成品的物理特性并不像想象中那么好；三是使用方面，就目前来看，我国3D打印技术的使用范围并不是很广泛，在中小学教学中也还未设有需要使用3D打印技术的相应课程；四是使用性能方面，3D打印技术的使用性能还在不断地完善中。

2 3D打印技术在教学中的优势分析

2.1 能够帮助学生提高学习兴趣

在过去的课堂教学中，老师和同学是缺乏交流的，老师总是一味的讲课而不顾同学的思绪身处何方，这种情况下，老师的讲课如同催眠或是听望天书，没有丝毫趣味可言。而基于3D打印技术的课堂教学，是一种在“做中学”的教学模式。在这种教学模式下，课堂氛围不再是死气沉沉的，学生会有充分的时间动脑思考，有更多机会动手操作，这样的课堂会充满欢声笑语，同学之间愉快讨论学习问题，老师和同学也会增加彼此间的沟通交流。当老师在黑板上画一个平面图来解释一个多维立体的东西，可以使用3D打印机来辅助教学，打印出对应的实物结合适当的板书教学，让学生在学习过程中参考实物理解，从而提高教学质量。在实验课上，学生还可以分组设计不同的3D模型，每个学生都能积极参与讨论与设计，说出自己想法并实施；实体模型还可进行小组评比来提高他们的学习兴趣，他们能通过观察别人的优势弥补自己的不足。因此，可以说在“做中学”这种教学方式，对于提高中小学生的学习兴趣是非常有帮助的。

2.2 有助于学生建立立体化思维体系

将3D打印技术引入教学，有利于提高学生的空间想象力和动手操作能力，可以促进学生建立立体化的思维体系。3D模型设计是一个培养创新思维能力的过程，3D思维模式是对传统思维模式进行重建，3D打印则是对设计和思考的具体实现。3D打印技术可以帮助学生在大脑中建立立体化的思维体系。比如老师在教授难理解的概念知识的时候，学生绞尽脑汁也想象不出它的空间结构，此时老师就可以引导学生想象出三维物体结构，让学生用设计软件自己设计出3D模型。在设计和思考的过程已经加深了对这个知识点的理解，再用3D打印机将这个3D模型打印出来，通过观察实体模型来理解知识，可以更加一目了然。这个过程不仅能够使学生手脑合一的学习，还可以使学生在大脑里慢慢建立起一个立体化的思维体系。

2.3有助于提高学生创新能力

中小学生想象力是最发散的，不像成年人会受已有知识的限制，所以在3D打印技术课堂教学过程中，可以先让学生在自己的大脑中想象并设计出一个创意模型，然后再使用3D打印机打印出来。当他们看到自己设计的作品时，心中会充满成就感，并展开无限遐想。此时，在课堂中不断地鼓励学生设计不同的3D模型，能够激发学生真正的潜能。在引导他们不断地发问的同时，也要要求他们提高自己解决问题的能力，鼓励他们自己翻开课本和上网查询，解除他们的疑惑，因为老师不一定有足够的时间能解答所有问题，所以要合理引导他们的创新思维并帮助学生团队填充短板思维，而这种教学法在3D打印技术课堂中是可以實现的。因此，基于3D打印技术的课堂教学，有助于提高学生创新能力。

3 3D打印技术在中小学生教学中的应用

3.1 在理论方面的应用

把3D打印技术应用到教育中，能够把课本上学生难以理解的知识点转化成学生能够看懂的实体模型，通过对实体模型的观察来帮助学生学懂知识的难点，这种边做边学的教学模式能够培养学生的创新思维。3D打印技术应用到教育，弥补了传统教学的弊端，将三维物体呈现在学生面前而不是传统教学的跟着书本念，针对空间想象能力普遍较差的中小学生，在讲解知识的时候拿出实体，让学生更直观，更清晰的学习。通过与传统的教学模式相对比，3D打印技术教学在教育领域中具有明显的优势。

3.2 在“数学”学科中的应用

相对其他学科而言，数学是缺乏形象性的一门学科，以往的数学课堂教学都是通过不停地计算、推理来掌握知识点。而将3D打印技术与数学结合教学，可以把抽象难理解的定理形象地展现在学生面前。例如，对于空间想象力普遍较差的小学生，可以用3D打印机打印出实体模型来让他们观察学习，也可以让他们自己设计简单的数学模型打印出来，他们就能更容易地理解教师所讲的知识难点。

3.3 在“科学”学科中的应用

科学这门学科包含了多方面的知识，各个小学都有开设科学这门学科，主要是培养小学生探索奥秘的精神，以及寻求问题答案的执著追求，通过各种科学实验帮助他们找到问题的答案。但是科学实验很多是不方便实施的，而当3D打印技术与科学相结合时，就可以很好地解决这个难题。比如老师要讲一个细胞模型，可以通过3D打印机打印出来，让学生直观地看到细胞结构，印象更深刻，让他们边观察实物模型教师边讲授相关知识，这能使学生理解知识的速度更快。在做物理中的各种实验时，可以把学生分成几个小组，让他们自己设计模型并打印出来完成实验，这可以培养学生动手能力和思维创新能力。

4总结

综上所述，将3D打印技术引入到中小学的课堂教学中，能够让师生之间有更多的交流互动时间，帮助学生找回学习兴趣；能够让学生有自由想象的空间，帮助他们提高创新能力；有助于学生建立立体化的思维体系等。因此，3D打印技术普及到中小学教育中，必定会有诸多的益处和广大的发展空间。

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