3D打印技术在中学生创新实践教学中的应用研究

贾艳梅

(西华师范大学网络与信息化管理中心，四川南充637002)

美国新媒体联盟(New Media Consortium，NMC)的地平线报告(2013基础教育版)指出，3D打印技术将在4-5年内获得广泛应用。地平线报告连续3年提到3D打印，并预测3D打印将作为重要的技术走入教学。随着研究人员的持续关注和不断普及，3D打印被创造性地应用在国内外中学教学中，促进中学生创造能力、空间想象能力等高阶思维的发展。

1 3D打印及其发展

3D打印(3D Printing，三维打印)是一种快速成形技术，它以数字化模型为基础，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构造物体。由于其在制造工艺方面的创新，被认为是“第三次工业革命的重要生产工具”[1]。与传统加工方式相比，3D 打印技术将三维实体加工变为由点到线、由线到面、由面到体的离散堆积成形过程，极大地降低了制造复杂度。

2013年，美国制定并实施MENTOR项目，将3D打印推广普及至高中教学中，在引起学生对工程设计类课程兴趣的同时提升其综合知识与能力。3D打印技术在我国有一个逐渐推广与普及的过程。2015年2月，工业和信息化部、发展改革委、财政部关于印发《国家增材制造产业发展推进计划(2015-2016年)》的通知指出：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[2]。

随着信息技术和“互联网+”技术的快速发展，3D打印技术在各行各业的应用备受欢迎，促进了很多领域的蓬勃发展，解决了许多实际问题。例如，在教育领域，3D打印课程的开设，让学生看到自己创造的作品变成实物，在学习实践过程中，学生的动手能力、空间想象能力、思维能力、创新能力等得到全面发展与提高。

2 3D打印技术在中学生创新实践教学中的应用

在美国宾夕法尼亚州的一所中学，教师将一年级和八年级的学生异质分组，利用3D打印技术共同完成了“走向绿色社区”的学习活动。自2013年起，南京市秦淮区率先在南京基础教育系统中引入3D打印技术，马府街小学成为实验基地。3D打印技术应用在教育实践学习活动中的步伐不断加快，以某中学3D打印在教学中的应用为例，利用3D打印创设一个任务驱动的学习环境，让学生体验在做中学的快乐，培养中学生的“创客”精神。

教师为学生创设3D打印与创意的课程环境，将工程和设计的核心概念和准则教授给学生，在解决实际问题的过程中，加强对抽象概念的理解和应用，培养学生的设计思维。教师布置任务，学生分小组协作，利用3D打印设计有创意的实物作为最终考核的作品。小组展示打印的作品模型，各小组之间进行评价，教师做最终的评价和总结。例如，打印桥梁模型，首先要了解桥梁的构造、承重、立体图形的设计等工程学知识。在设计建立三维模型环节，利用中小学常用的3D设计软件例如3Done、123D等，将设计模型利用3D打印设备制作成实物，如图1所示：

图1 3D打印创意课程的教学流程

3D打印的模型具有快速生成的能力，设计好的模型可以直接快速生成实物，在真实的环境中激发学生的创造力。STEAM领域的相关研究认为，空间能力是学生创新能力表现的重要影响因素。3D设计的创造力表现需要具备相当的空间能力，空间能力高的学生在3DCAD设计中知道如何运用构成对象的不同组件间的空间关系，他们在产品创意设计与制作活动中的创造力表现更突出[3]。

3D打印技术将教师和学生的关系从教与学转变为团结协作，为学生提供了更多的参与学习的机会。在实践学习活动中，学生的动手能力、设计能力、空间想象能力和创新能力等得到全面发展和提高。3D打印创新实验室以“创客精神”、“触觉教育”为理念，由3D打印设备、教学平台和专业指导人员构成，为教学的发展和学生的学习提供了一个创意的平台和学习方式。

3 3D打印教学创新应用的特征

随着信息技术和“互联网+”技术的快速发展，3D打印被应用在各学科教学中，化工领域制作3D立体分子模型；生物和医学领域制作分子、病毒等微观世界的模型以及器官、人工关节、头颅和心脏等复杂器官；在航空领域，打印飞机的零部件以及整个飞机模型进行试飞；在历史和考古领域，对文物修复和还原起着重要作用。3D打印技术发展与普及很快，运用到基础教育中的案例越来越多。

3.1 3D打印起到认知工具的作用

3D打印为正式学习和非正式学习提供创意的情景，为学生提供更多参与学习的机会，体验“看得见的创意”。在中学的课堂上讲立体几何，为了帮助学生更好地建立立体感，可以将立体的图形打印成实体，便于学生对立体概念的认知和理解。在小学的科学课程上，为了给学生讲力学的概念，学生分小组协作设计桥梁的结构，并将设计好的三维桥梁图形，用3D打印设备打印出实物，检验桥梁的承重能力，在整个过程中培养了学生的探究和小组协作能力。

3.2 3D打印丰富和创造多样化的教学方法

传统的教学方法比较单一，学生的知识和能力水平提高有限。而3D打印在教学中的创新应用，促使教学在方式和模式上朝着多融合、多样化的方向发展。例如，3D打印技术将生物课上抽象的DNA链转化成可观察的、可触摸的实体模型，为教师的教学提供更直观的教具，有利于教师的教和学生的学。应用3D打印进行创新的教学方法，可以分成基于3D打印技术的创造性活动的教学法、基于3D打印形成技能技巧的教学法、基于3D打印技术的任务驱动教学法和基于3D打印技术的学生独立自主学习法。

3.3 3D打印转变了学习评价的方式

学习评价，是根据明确的目标，采用科学的方法，对测量数据按照一定的标准进行量化，对学生的学习状况做出价值性判断。3D打印技术在中学创新实践教学中的应用，为学生提供了创意的学习环境，丰富了学生的学习内容，加强了课堂交互活动和协作学习。在教学过程中加强了教师和学生、学生和学生之间的互动与协作，使评价主体多元化。3D打印在教学中的应用，促使学生自主学习能力增强，学习评价贯穿整个教学过程，可以对学生设计模型、打印模型、后期处理、最终作品等过程进行多元化的评价，这是不同于传统的结果评价方式，更有利于对学生进行合理客观的价值评价。

4 结语

3D打印成功地运用到教学中，不仅提高了学生的学习能力，而且促进了学生动手能力、创新能力的提高，丰富和创造了多样化的教学方法和评价方式。3D打印技术与教育的深度融合，需要不断提高3D打印的教学内容、教学方法以及教学模式。3D打印技术的普及还面临诸多困难，随着网络技术的发展，相信3D打印技术的普及指日可待。