浅谈3D打印技术在教育教学中的应用

孙向峰

摘要：近年来，一项新兴技术获得了越来越多的关注，即3D打印技术。这项技术不仅可以应用在生物医疗、航空航天、建筑设计等多个领域，而且由于其可以增加学习趣味性，提高學生动手操作能力，所以在教育教学领域也得到了广泛应用。同时通过研发的具体实例，让学生切身体会一个项目的调查，构思，设计，实际操作等步骤，完全模拟项目研发的全过程，为以后参加工作奠定了坚实的基础，本文从几方面，详细探讨了3D打印技术在教育教学中的重要应用。

关键词：3D打印技术;教育教学;动手能力;学习兴趣

中图分类号：G642        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）12-0147-03

3D打印技术因其具备生动，鲜明、直观等特点，所以在计算机教学中，可以有效地激发学生的学习兴趣，大大提高学生学习的积极性。同时在3D打印这门学科的学习中，可以大大提高学生们的空间感，这是中职学生比较欠缺的能力，而这种能力恰恰是学好计算机的必备条件。所以3D打印技术有利于培养学生的空间感，强化学生对图形图像等知识的理解，使学生能够更加高效地学习计算机知识。

1 明确3D打印技术原理增强学生好奇心

3D打印技术是一种增材制造技术。它基于数字模型。3D打印技术所使用的主要材料为具有黏合性的塑料或者粉末金属，其构造物体的主要方式为逐层印刷。在医疗工业、建设设计、航空航天等领域，3D打印技术应用十分广泛。除了上述领域外，3D打印技术还可以应用于教育教学实践中，从而帮助学生更好地建立起空间思维。

正确选择应用3D打印技术的方法，可以短时间内增强学生的空间感。在实践中，若要合理运用3D打印技术，第一步要调查分析学生是否了解并且接受该新兴技术，为3D打印技术使用做好铺垫;第二步了解明确学生在学习空间与图形相关知识内容时存在的困惑和难点，以通过3D打印技术等教学措施有针对性的解决这些问题。

3D打印技术教学中最关键的一项是空间与数字模型，但遗憾的是，由于种种原因，这种教学方法未能取得理想的效果，学生未能顺利建立起空间感。一方面是因为教师在教学中所用的方法比较单一，传统的教具很难将3D立体图形准确地描绘出来;另一方面则是因为学生动手操作少，对三维立体空间图形缺乏体验，学生无法直观地表达三维立体空间思维。把3D打印技术的基本原理跟学生交代清楚后，学生们就会产生好奇心，从而为后续的学习打下坚实的基础。

2 由简单实例入手，增强学生学习的自信心

《趣味积木》和《惊喜兔子》两套玩教具，是我在我校 “兴辽英才计划”的《3D打印技术在教育教学与模具设计中的研发与应用项目》中，基于学校内嵌式幼儿园，利用3D打印技术主持研发的幼儿教学模具。

在研发第一套玩教具的过程中，我也主动让学生们进行了参与，发现学生对此很有兴趣，同时，也想亲手操作，大大提高了同学们的学习积极性。同时在研发过程中，我也把3D打印技术运用在教育教学的课堂中，让同学们有了很大的启发。

《趣味积木》玩教具是由六个面组成的立方体，每一个面都是一种图形分别为：形状、数字、动物形象、植物形象、长方形以及颜色构成。如下图所示：

利用上面的手绘稿，我让同学们在3D max中重新建模，当学生看到了自己绘制的图形从二维图形转变成了三维立体模型产生一种惊喜的感觉，获取了从未有的成功喜悦，玩具拿到手自己爱不释手。从而激发他们对3D作品的创新与设计兴趣。同时也带动了他们学习3D max软件的劲头。

3 开展社会调查，提高学生社会实践能力

近年来，智能制造作为最具发展潜力的技术产业，信息、控制、材料等技术不断取得新进展，实现在制造领域的普遍应用，也将3D打印技术淬炼得更加成熟。随着3D打印技术的精密性、通用性不断提升，其在越来越多的领域实现广泛应用并发挥积极作用。教育是社会发展中的重要环节，在这一领域，3D打印技术应用的新闻也屡见不鲜。特别是3D打印已成为教育行业的一种常态。在开发产品之前，让同学们去幼儿园调查走访，就幼儿玩教具做各项了解，从而提高他们的社会实践能力。通过调查，他们会发现，就幼儿园而言，教师自制玩具占幼儿园玩具的比重越来越大。因为许多教师认为，大多数商品化的儿童玩具在幼儿园教育实践中是不合适的，而我们此次研发的惊喜兔子玩教具，基于本学校内嵌式幼儿园的优势，能够随时考察幼儿及幼儿园教师实际所需，个性化、有针对地设计教具，同时利用3D打印技术能够简化教具的生产流程，分层加工、叠加成型的工艺方式也不会产生原材料浪费，PLA原材料具有良好的生物可降解性，高利用效率更不会产生毒气、噪声和化学物质等污染，对于儿童来说更加安全环保。

4 开发有实用价值的产品，提高学生们的动手能力

在上一个实例的基础上，在同学们调查研究的基础上，又带着同学们开发研制了《惊喜兔子》玩教具，它利用简单的运动原理，进行组合使其产生动态机械效果，帮助幼儿感知科学领域、学习简单的数字概念，同时认识简单的机械运动，提高他们对外在环境敏锐的思考力、观察力、想象力。

《惊喜兔子》玩教具以可爱的兔子形象吸引幼儿的注意力，小兔子抱着一个礼物盒子坐在蘑菇上。每次打开礼物盒，里面的数字都会发生变化，像一只会变魔法的兔子在为小朋友表演魔法，刺激幼儿的手眼及大脑，更科学的帮助幼儿学习知识。

《惊喜兔子》玩教具外观部分的头部与身体外部是利用UG绘制的草图，使用拉伸命令直接生成模，并打印完成;蘑菇则是利用草图的旋转拉伸命令生成的模型，并打印完成，造型是曲面的。

身体内部为机械运动部分，主要由前部的连杆运动机构和后部的间歇运动机构组成。

《惊喜兔子》玩教具不管在设计和制造过程中都应用了3D建模和3D打印技术。而学生看到了这个作品的时候都在感叹原来3D打印技术也可以这样用呀，从而激发了他们的学习UG的热情，也开拓了他们的思维方式，知道了3D打印技术正在朝着一体化打印的方向发展。

5 3D打印技术促进了教学模式的改革

事实证明，一些学生在传统教育中不善于学习技能和知识，主要是因为所学的课程过于理论化，对自己没有兴趣，死記硬背让学生可以通过考试，但考试后，我很快忘记了3D打印机可以使枯燥的课程生动起来。3D打印教学方法，可以同时兼顾三维视觉和三维触觉，趣味性和感染力很强。一方面，学生可以通过视觉学习黑板上陈列的文字、图形或模型设计;另一方面，学生可以通过触觉碰触到三维实物，更加直观地掌握核心概念。通过这种方式，学生可以充分学习掌握知识，并且增强知识理解深入性和记忆持久性。正如英国著名教师David White所说，要像抓住学生们的注意力，首先要抓住他们的想象力。教育想要不断进取，不断突破，必须紧跟时代，与时俱进。为此，在最近几年内，更多的学校乃至国家机关开始探索在教育领域应用3D打印等新兴技术。

近年来，诸多教育机构通过融合新兴3D打印技术与传统教学系统，不断改进创新教育教学模式。3D打印机的应用，不仅可以提高学生掌握技术的速度和能力，而且其打印出的立体模型，可以有效提升学生的创新创造能力。目前，教学中最常见的应用是SLA和FDM 3D打印技术。

当前，全球教育教学领域正在发生大变革，各项改革项目不断推进。其中极为重要的一项即是3D打印技术的融合应用。在现今的国际环境下，我国想要在竞争中保持核心竞争力和先进地位，必须更加重视教育，参与到最新的教育改革当中，注重运用3D打印技术实现创新人才的培养。

3D打印应用于教学领域的优势之一是学生可以获得更加真实、更加直观的学习体验。学生可以亲身参与教学的环节中，作为问题提出者的同时，也能成为问题的解决者。在这个过程中，老师则从引导者转变为合作者，与学生共同参与研究探索，获得成长。这样的教育形式，无疑可以很大程度上提升学生的创新意识和实践能力。也正是因此，3D打印技术在教育教学领域的应用成为当前教育改革的大趋势。

在今后的一段时间里， 教育领域将继续成为3D打印技术施展的平台。为不断提升学生的创新思维和能力，很多学校将设计与3D打印想融合，开设“学与做”课程，先由学生自主设计三维电路，再通过3D打印技术打印出模型组件，将学习与动手相结合，从而增强课堂的趣味性。这样的课程对于学生具有很强的吸引力，并能激励他们在数学、科学、设计等领域不断深耕，为国家培养优秀的设计师、工程师。相信在未来，会有越来越多的学校关注到3D打印在教育中的促进作用，逐步引入3D打印机和3D打印技术，丰富学生课堂，提升学生学习设计和创新的积极性、主动性。

3D打印技术的引入，也对教师提出了更高的要求。应该看到，教师是3D打印教育中极为重要的一环，他们不仅是3D打印的直接设计者和使用者，运用这一技术制作特定的教学用具，优化课程，而且还需要对于3D打印课程进行教学设计，引导学生自主应用3D打印技术开展学习活动。教师需要从3D打印技术和教学设计等方面学习和提高自己的技能，做好带头人的工作。

6 拓宽3D知识，提高课堂效率

3D打印机在教育教学中究竟有无作用，有怎样的作用，这是许多教育机构和教学工作者一直在评估分析的。3D打印通常被称为STEM工具或可以帮助教学人员的东西。教育3D打印机的应用还处于早期发展阶段。我们可以利用各种可能来提高课堂效率。

1）让STEM变得有趣

科学技术工程和数学（STEM）往往与抽象和枯燥联系在一起，很多孩子在学习相关概念时无法真正理解，只能死记硬背，这是因为这些概念对他们而言过于抽象和无趣。将3D打印技术融入教学，可以增加STEM学习的直观性、趣味性和参与性。孩子们可以打印东西，并使用它们使stem教育成为一个愉快和有趣的活动。

2）使抽象变具体

目前主流的机器设备大多是封闭性的，除了专业人士外，其他人很难透过外观了解它们究竟是如何工作的。而3D打印则可以将对象逐层拆解、构建，将设备抽象的内部构成变的具象而直观。大人们可以通过3D打印配件，向孩子们展示3D切片软件如何配合工作，甚至让他们了解背后的代码，掌握3D打印的核心。通过运用3D打印机，向孩子们直观展示技术系统如何构成，了解技术协同工作的原理。我们的世界是一个复杂的世界，理解与硬件和软件的交互将使他们受益。

3）让孩子们参与制作

3D打印技术可以让孩子们自己动手，学习电路板、固件、电子产品等是怎样做出来的，怎样组装起来的，获得更强的教育知识。如果您要求他们构建3D打印机，他们将了解如何组装他们作为团队不了解的复杂事物。这种学习更符合他们以后在生活中遇到的情况。在成长过程中，人们会逐渐懂得合作、坚持、自主学习的意义，但在儿童阶段，却因为无法理解这些而不得不通过死记硬背的方式学习新知。作为一个团队，试图承担某些事情是真正的学习。让他们一起工作来制作和探索新技术并完成某些事情既有趣又充满挑战。

7 结论

综上所述，3D打印技术运用到教育领域中，大大提高了我们的教学效率，但如何充分发挥新技术的特点和优势，如何通过技术在教育中的应用体现和提升其价值，还是有很多问题要解决的。同时存在着很多问题的。比如， 3D打印在推广和普及等方面还存在一些障碍。目前国内已经出现了不少优秀项目，对于3D打印在教学中的应用起到良好的推动作用。但总体而言，与其他国家尤其是一些发达国家相比，我国在3D打印技术推广方面还有着不容忽视的差距。让3D打印技术在教学机构普及，还任重道远，需要教育行政部门、教育机构以及社会各界的共同努力，推动该技术的深入、持续发展和不断推广、普及。

参考文献：

[1] 吕鉴涛.3D打印原理技术与应用[M].北京：人民邮电出版社，2017.

【通联编辑：朱宝贵】