3D打印技术支持下的创新教学生态与教学范式研究

陈勇

（浙江工业大学 教育科学与技术学院，浙江 杭州 310023）

一、起源与进程：3D打印技术向教育渗透

自2005 年桌面级3D 打印机诞生以来[1]，3D 打印技术开始向通用化、日常化、精密化、智能化、多样化和产业化发展，并在教育领域中发挥着越来越大的影响力。米歇尔·艾森伯格（Michael Eisenberg）提出3D 打印技术的历史增长模式在许多方面都与20 世纪70 年代末的家用计算机相似，并预测3D 打印技术会像计算机一样在教育领域中得到普及，继而重新定义“教与学”的内涵，引发一场全新的教育革命[2]。

物化设备是技术最明显的表征，并最先进入到人们的视野中[3]。3D 打印机（尤其是桌面级3D 打印机）作为3D 打印技术的物质载体，凭借低价格、多功能、易操作等特点已经在小学[4]、初中[5]、高中[6]、大学[7]的课堂中得到了广泛的应用。然而正如海德格尔所强调的那样：技术并非是纯粹的手段与工具，而应该被视作一种解蔽的方式。因此，3D 打印技术发挥其工具属性并向教育领域渗透的过程中，其技术要素与教学要素之间展开了深刻的互动[8]。这种互动的结果表现为：一方面，3D 打印技术推动了教学生态的重塑，重新定义了教与学的内涵。另一方面，教育应用对3D 打印技术提出了新的要求，促进3D 打印技术的教育化发展。因此，在开展“3D打印+教学”实践与研究的过程中，不能将3D 打印技术简单地等同于3D 打印机，而应该从技术特征、教学方式、教学目的、学习内容等多个维度，系统地对3D 打印技术支持下的教学生态进行剖析与掌握，构建全新的教学范式，推动“3D 打印+教学”的发展。

二、开拓与超越：3D 打印技术支持下的创新教学生态

教学生态主要研究教学活动的主体与教学环境之间的互动关系。其基本特征表现为整体性、和谐性与平衡性。3D 打印技术支持下的教学生态具有打印抽象概念，制造个性化的可触资源；突破学科壁垒，构建模块化的教学内容；根植真实项目，实现“做中学”的教学方式；改善师生交互，达到个性化的学习目的等特征。

（一）打印抽象概念，制造个性化的可触资源

3D 打印技术具有快速原型和个性化生产的潜力。利用3D 打印技术将抽象概念或二维图像转化为实体教具，能够充分调动学生的视觉、触觉，并帮助学生直观地感受概念（如比率、分数[9]与体积[10]），原理（如能量与转速[11]）和结构，以此加深对知识的理解。利用3D 打印技术开发教学工具具有普遍适用性，尤其体现在解剖学的教学过程中。教师常常借助3D 打印技术向学生展示一些不容易在尸体上看到的，并且难以想象的人体内部结构[12]，以此提高医学生理解复杂结构的可能。现如今，3D 打印技术已经成为医学生理解病理和临床问题的基本工具[13]。

具身认知理论认为：思维与判断不仅仅是对于抽象表征的加工与操作，更是根植于承载概念、理论实体的活动之上。教师传授知识内容之前，应该先让学习者直接体验某一现象[14]。教具在沟通概念与实体、抽象与具象之间发挥了重要的作用。3D 打印技术能够制造个性化的可触资源，其优势在于：首先，3D 打印技术丰富了教具的类型。随着3D 打印技术的发展，网络3D 模型资源日益繁荣，并易为教师获取。迈克尔（Michael Groenendyk）对当前世界范围内最常用33 个3D 模型资源网站进行了统计，包括Thingiverse、3DModel Free 等，发现在这些网站中，有约75%的3D 模型是免费提供的，并且多数可用于教育教学[15]。其次，3D 打印技术能够实现高复杂度、高精度的教具制造。传统自制教具多用板材和块材，以手工锯割或激光切割方式制作。这样制作的作品造型单一，多为面块结构，对于空间造型较复杂的曲面和重细节的教具则无法呈现。使用3D 打印技术能够消除传统制造工艺的几何约束，实现复杂、精密的产品制作。再次，3D 打印技术能够满足教学资源的个性化需求。教师可以根据教学内容以及学生的反馈进行教具的制造，使用3D 打印技术能够以最低的成本满足个性化教具生产的实现。利用3D 打印进行教具制造已经在众多学科中变为可能。

（二）突破学科壁垒，构建模块化的教学内容

3D 打印技术融数字技术、制造技术、信息技术等于一体，在教学应用中能够嫁接不同学科的知识与技能，包括新兴学科如无人机、机器人等；传统学科如汽车工程、机械工程等，实现跨学科的创新人才培养。切尔西·舍利（Chelsea Schelly）认为，STEM 教学的成本高于传统教学成本，使用3D 打印能够减轻由于教具的更新需要所带来的经济压力，以此支持跨学科的教学实践[16]。格伦·布尔（Glen Bull）在实践经验的基础上提出3D 打印技术有助于实现不同学科之间的沟通与联动，并基于3D 打印技术开发了集合物理、技术、工程、历史的跨学科课程，让学生在工程课上使用3D 打印技术发明和设计的工具能够在科学实验课上进行应用，以此实现更加广泛概念上的跨学科教学[17]。在日本文部科学省进行的一项3D 打印教学实践中（如图1 所示）也充分发挥了3D打印技术的这项优势。学生可以使用CAD（计算机辅助软件）和3D 打印机自主设计、制造不同尺寸的警笛，并通过测量警笛的频率，以及建立警笛尺寸、频率与音调三者之间的函数关系了解警笛发声的科学原理。最后教师组织学生吹响不同频率的警笛，共同演奏，以此将艺术教育纳入到整个项目中。这项教学实践的特点在于：1.利用开源3D 模型，弥补学生的软件技能障碍。学生只需要通过几个简单的操作就能够对警笛模型进行修改，打印。2.趣味性强，教师并不直接向学生传授知识。相反，教师鼓励学生自主探索，掌握警笛的发声原理。学生在课程中逐渐掌握利用3D 打印技术解决问题的思维与方法。3.多学科融合。将科学、技术、工程、数学、艺术巧妙地融合到一个小小的警笛之上，以此培养学生的辩证思维以及综合素质。当前，简易的数字建模软件已经成为中小学“3D 打印+教学”过程中的必备工具，包括Open SCAD、Google 的SketchUp 以及AutoCAD的123D Design。学生在使用这些简易的数字建模软件之前无须掌握完整的3D 建模知识，便可以通过操纵整个零件的参数变量对模型进行简单的修改。以此完成模型的修改与定制。

（三）根植真实项目，实现“做中学”的教学方式

“3D 打印+教学”多以项目的形式展开。基于项目的学习是以学科的概念和原理为中心，以制作作品、将作品推销给客户为目的，在真实世界中借助多种资源开展探究活动，并在一定时间内解决一系列相关联着的问题的一种新型的探究性学习模式[18]。项目式学习的核心理念是，学生在项目活动中学习、应用知识。现实世界中一系列的问题会激发学生的兴趣，并促进他们认真思考。教师在其中扮演着促进者的角色，与学生共同构建有价值的问题、组织有意义的活动，指导知识的获取与应用，促进社交技能的发展，并仔细评估学生在经验中的收获。项目式学习更加注重对学生情感、态度、社会等非认知因素的开发，强调学生解决问题、团队合作、创新思维的培养。包括激发学生的兴趣与求知欲、驱动性问题、支持性资源、合作与沟通、批判性思维、反馈与修改等基本特征[19]。“3D 打印+教学”常常以项目的形式展开。通过嫁接多元学科，创设真实的问题情境，让学生亲历需求的产生、模型的设动计、实物打印、评估与改进等一系列活过程，在自主探究或合作学习中，重新构建知识，并掌握运用3D 打印技术解决实际问题的方法[20]。因此“3D 打印+教学”被视为开展项目式学习的有效载体。台湾师范大学向高中生提供的3D 打印课程以CO2赛车制造为具体项目。课程内容主要包括：CO2赛车的动力原理（如质量、力、加速度、空气力学、牛顿第三定律等）；CO2赛车的内部单元及组装；3D 打印技术的了解及操作；CO2赛车模型的建立、修改、完善及评估；CO2赛车的制造及比赛。在该项教学实践中，学生依托3D 打印技术，将加速度与空气力学等知识应用到赛车的设计及制造的过程中，借助赛车比赛、小组讨论以及优秀赛车共性总结等方式，学生对相关概念有了更深刻的理解，并迭代到新一轮的设计中。以螺旋上升的方式实现CO2赛车性能的最优化（如图2 所示）。

（四）改善师生交互，达到个性化的学习目的

相较于客观主义，建构主义认为学习的过程是一个清楚明确学习目的、不断反思，吐故纳新的过程，要求学习者能清晰地阐述他们的学习行为，所做的决定、使用的策略以及他们所发现的答案，并由此获得更多的理解，促进将所建构的知识运用到新的情境中去。3D 打印技术最初应用于设计师和建筑师的设计迭代中，他们借助3D 打印技术将自己的创意转变为实体，以此检验设计在美学或是功能上的不足。其强大的原型制造的功能，能够将迭代过程中的设计与创意转化为物理实体，以此支持和完善设计[21]。3D 打印的这项优势同样能够应用于教学当中。并改变“教与学”两个主体的关系[22]，真正将学生置于“教与学”的中心。3D打印技术与其他颠覆性技术共同突破了一直以来的教育模式困境，是实施“项目式学习”“个性化学习”“跨学科学习”“协作式学习”“体验式学习”的良好载体。“3D打印+教学”基于虚实结合的教育创新应用平台，改变了传统的师生交互方式，实现了个性化学习。在希腊约阿尼纳两所高中[23]展开3D 打印教学实验中（如图3所示），3D 打印技术成为自主学习的有效手段。教学框架大致可分为四步。第一步，通过讲座与视频向学生介绍3D 打印技术，并且利用小组实验、分享交流等方式让学生明白团队的重要性。第二步，让学生通过自主学习的方式来使用计算机辅助软件完成设计，包括学习软件、成立小组、形成产品概念这三个阶段。第三步，让学生在“打印—发现缺陷—调整”这个循环中不断尝试，从而实现产品的优化。在此过程中学生可以获得操作3D 打印机的实际经验。最后一步是产品的展示与报告，报告内容涵盖产品的设计理念以及经济性能等。该教学项目基于建构主义的学习理论，学生在探索的过程中学习。教师向学生提供自主学习的条件：简易化的三维建模软件（基于浏览器的软件）以及教学视频。在此过程中，80%的学生都是按照试误的方式而非通过观看教学视频的方式进行学习。因此，“3D 打印+教学”作为一种全新的数字化教育，改变了学生与教师之间的关系，突破了传统教学中教师灌输，学生接受的课堂交互，促进了以学生为中心的教学方法。

三、探索与协调：3D打印技术支持下的教学范式

基于3D 打印技术支持下的创新教学生态，借鉴国内外诸多“3D 打印+教学”经验，构建以3D 打印技术为基础的“四步法”教学范式。

（一）接触3D打印：观察学习

教师向学生示范如何将创意、概念通过3D 打印技术转化为可视实体。主要内容包括数字建模、切片软件对模型进行数字转化、设置数字模型的参数以及3D 打印机的操作过程。在此阶段中，打印项目应以强调趣味性，以此提高学生的兴趣，培养学生的学习动机。为了克服3D 打印机吞吐较慢的缺陷，在打印过程中，教师对项目所包含的知识点进行讲解。如选择风车打印作为具体项目，教师可以在打印的过程中向学生解释风车的发电原理，包括转速、传动、电机等知识点。

（二）尝试3D打印：打印初探

学生通过一系列的实操尝试，掌握了3D 打印机的基本操作流程。利用小组合作的学习方式使同学之间能够互相帮助完成任务。教师应该选择简单的项目——如水杯、戒指等，保证学生在初次成功打印的可行性。教师也可以邀请高年级的学生作为导师，从旁协助。在这一阶段的学习之后，学生能够将3D 打印机作为概念实体化的工具，并应用在以后的学习中。

（三）探索3D打印：打印测试

通过“打印测试—发现缺陷—解决问题—完善产品”的学习步骤，学生以一种螺旋上升的方式逐渐完善3D 打印技术的应用以及对打印产品的优化。在此阶段，教师应该选择具有复杂结构的挑战性项目，如动物、地球模型等。对于这些项目的打印需要学生能够协调不同参数、以此实现产品精确度、分辨率、表面光洁度、打印速度之间的平衡。使用3D 打印技术是一项繁杂的任务，有许多可能会导致失败的陷阱。因此将打印测试作为一种常规的过程，可以帮助学生接受打印过程中的失败，树立信心，并且突破对硬件使用的障碍。

（四）应用3D打印：自主设计

学生在掌握了3D 打印技术之后，能够通过小组协作的方式完成从创意、设计，到产品的所有工作。教师选择的项目应该具体，如赛车、无人机、机器人等。通过模块化的方式指导学生打印，在项目介绍中向学生明确其中的科学概念与原理。教师需要对学生的设计方案进行评价，并且要求学生在模型设计的时候同时考虑产品的性能以及3D 打印技术的局限，否则很有可能会导致打印失败。如：对于孔的公差考虑。

上述教学设计以一种螺旋上升的方式帮助学生接触、尝试、探索、应用3D 打印技术，能够在一定程度上弥补学生3D 建模能力薄弱、能力水平参差、3D 打印机吞吐缓慢、新兴技术教学困难、传统教授式课程乏味等问题，真正做到以学生为中心的教学互动。同时将其他学科的内容根植于此范式中，并以小组合作、同伴互助、体验学习、教师引导的方式，促进学生对学科知识的理解，对技术内涵的把握，提升解决复杂问题的能力。

四、总结与展望

在近30 年的发展中，“3D 打印+教学”的实践在不同国家和地区、不同阶段、不同学科中展开。这些实践基于不同的角度，如STEM 教育、创客教育、项目式教育、启发式教育、模块化教育、定制化教育等，证实了3D 打印技术在教育领域的时代价值。然而，3D 打印技术向教育领域的渗透还是一个“正在进行时”。依然有不少教育工作者在3D 打印技术与3D 打印机之间画上了等号，并将3D 打印技术视为简单的“教具制造机器”。

本文从3D 打印技术本身出发，通过研究世界范围内成功的“3D 打印+教学”实践，以技术要素与教学要素互动的视角，发现在3D 打印技术支持下的创新教学生态具有打印抽象概念，制造个性化的可触资源；突破学科壁垒，构建模块化的教学内容；根植真实项目，实现“做中学”的教学方式；改善师生交互，达到个性化的学习目的等特征。并在此基础上构建以3D 打印技术为基础的“四步法”教学范式。本文抛砖引玉，望能引起其他教育工作者对3D 打印技术的兴趣，并展开相关的理论与实践研究，丰富3D 打印技术支持下的教育内涵，完善以3D 打印技术为平台的教学范式，充分发挥3D 打印技术的教育价值。