3D 打印技術在高中通用技術課程中的應用研究

☆李媛媛　艾賢明

（西華師范大學教育學院，四川南充　637002）

3D 打印技術在高中通用技術課程中的應用研究

☆李媛媛艾賢明

（西華師范大學教育學院，四川南充637002）

通過介紹3D打印技術及其在國內教育中的應用案例，分析3D打印技術與高中通用技術課程的結合點。將3D打印技術引入通用技術課程，有助于提高學習者的學習積極性、動手設計能力和創新能力。當前由于3D打印技術及其打印材料的限制，使其在教育教學中的應用還有待普及，但是隨著技術進步，3D打印技術走進通用技術課堂是時代發展和開展創新型教育的必然趨勢。

3D打印技術；通用技術；教學

引言

《地平線報告》是美國新媒體聯盟與美國高等教育信息化協會合作發布的可能在教育領域普及應用的新技術報告。2013年《地平線報告》首次將3D打印的教育應用列入“待普及”，預測未來4-5年內會用于教育。2014年《地平線報告》再次提到3D打印，指出未來2-3年內教學會采用該技術。目前，3D打印技術已經在工業制造、建筑設計、生物醫療等領域得到了廣泛的應用，將3D打印技術引入課程教學尤其是在高中通用技術課程中，能夠促進通用技術課程目標的實現。

一、3D打印技術簡介

3D打印技術起源于20世紀80年代，最早是美國德州大學奧斯汀分校開發出選擇性激光燒結技術，隨后3D打印在麻省理工大學得到進一步發展，畢業生們嘗試將非傳統的物質應用于噴墨打印機，由此創造出了當今的3D打印技術。［1］

3D打印技術，又稱“添加制造”技術，是“一種與傳統的材料去除加工方法相反的，基于三維數字模型的，通常采用逐層制造方式將材料結合起來的工藝。［2］3D打印技術打印三維物體的本質是以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可固化材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。

3D打印機打印一個物品的流程主要分為四個階段，即建模、分層、打印和后期處理。［3］利用三維掃描儀或三維制圖軟件制作三維模型；根據3D打印機的精確度及標準，用相關軟件將虛擬模型分成若干層；然后，按照分層之后的數據，以添加制造的方法填充相應的每一層；最后，需要對打印出來的物品進行修整、打磨及上色等后期處理。

二、國內3D打印在教育中的應用案例

3D打印技術主要應用于工業制造、建筑設計、食品、生物醫療和教育等領域，并且有許多成功的3D打印案例。在生物醫療領域，英國牛津大學的黑根·貝利教授在《科學》雜志上發表，他們已經利用特制3D打印機打印出類似生物組織的材料，打印出來的材料質地與大腦和脂肪組織相似，可做出類似肌肉樣活動的折疊動作，且具備像神經元那樣工作的通信網絡結構，可用于修復或增強衰竭的器官。［4］在工業領域，美國Autodesk公司軟件工程師埃文·阿瑟頓通過一臺ObjectConnex500 3D打印機，使用橡膠和塑料兩種材料混合打印出一款球形音箱的水晶外殼。2013年5月5日，25歲的德克薩斯大學法律系學生科迪·威爾森首次使用3D打印技術制造出一把手槍。在食品領域，康奈爾大學的研究人員已經成功打印出了蛋糕。［5］隨著3D打印技術的發展，其價格有所下降，我國也開始嘗試將其應用到教育，以期加速教育改革進程。

3D打印技術是一種新興技術，被稱為第三次工業革命的重要標志，在國外教育領域已廣泛應用，并出現一些優秀的應用案例，在國內教育領域的應用較少。在我國，3D打印技術在教育中的應用處于起步階段，各個學校嘗試開設3D打印技術相關的校本課程，也出現了一些應用案例。

1.海寧市高級中學

海寧市高級中學，開發校本課程《走進3D打印技術》屬于職業技能類課程，由學校通用技術課程教師執教。課程開設的目的是為滿足學生個性化發展需要，旨在通過學生對世界制造業領域正在迅速發展的“具有工業革命意義的3D打印技術”的學習和實踐；在發揮想象創新設計過程中，體驗創意的偉大，提高學生參與社會實踐活動的積極性與合作能力。［6］

2.泰河中學

泰河中學自2010學年起，信息技術組開始策劃、籌備職業技能類校本選修課程《設計大師》。依托通用技術學科和機房硬件設施，由通用技術課程教師講授計算機輔助設計相關內容。為了進一步激發學生創造發明的熱情，該校將3D打印技術運用于課程中，將其設計作品快速成型實物化。該課程的開設為學生今后步入高校學習工業設計做好鋪墊，目前已入選第三批寧波市普通高中精品選修課程。［7］

3.上海和田路小學

上海和田路小學開設《虛實創造課程》是上海師范大學教育技術黎加厚教授的團隊與上海市閘北區和田路小學共同合作，開發了面向小學生的3D打印校本課程。在2012年9月份對該校五年級學生開始授課。［8］開設課程的目的是讓小學生接觸3D打印技術，在學校教育中運用這一新技術促進學生的空間思維、計算思維、設計思維和創造思維的發展，促進學生虛擬世界、實體世界和內心世界的聯通，激發學生的想象力。如表1所示，該課程是分階段、循序漸進實施的，學習過程分為五個階段，每一個階段訓練學生不同的能力。第五階段是實體打印過程，根據教師和學生評價并投票，最后選出優秀的虛擬模型并打印。

表1　課程實施五個階段［9］

傳統的教學都是間接經驗的傳授，而3D打印將虛擬模型變為現實，拓展了學生的感知覺，增強了觸覺體驗，促進了人類思維和創新能力的發展，將其應用到教育有一定的意義。隨著3D打印技術相關校本課程在我國部分學校的展開，一些研究者試圖將3D打印技術融入具體學科教學，培養學生創新能力，提高教學質量。將3D打印技術與高中通用技術課程結合具有很重要的現實意義。

三、3D打印技術與高中通用技術的結合點

3D打印技術的特點符合通用技術課程目標，將3D打印技術應用于通用技術課程教學中，能激發學生的創新意識，促進學生創新。3D打印技術是一種快速成型技術，能夠將學生的設計轉換為實體并進行性能測試，幫助學生理解自己的設計思路，改進設計。《普通高中通用技術課程標準》提出的課程目標是：“以基礎的、寬泛的、與學生日常生活聯系緊密的技術內容為載體，以進一步提高學生的技術素養促進學生全面而富有個性的發展為目標。”［10］《通用技術》是一門立足實踐、高度綜合、注重創造的學科，是一門科學與人文融合的課程，時代形勢和個人生產發展迫切要求當代學生學習通用技術，以提高個體實踐操作能力，促進創新思維發展。如下圖1所示，通用技術課程包含必修和選修課程，將3D打印技術引入到通用技術課程在必修課程中通過學習三維設計培養學生正確的技術觀和技術創新意識，在選修課程中打印所設計的建筑模型等可提高學生的動手實踐能力，促進創新思維的發展。

圖1　通用技術課程結構圖

如圖1所示是高中通用技術課程結構，包括必修課和選修課。必修課是關于技術與設計的基本理論，選修課程以實踐為主，訓練學生的實際操作能力，學校應該設置通用技術專用實驗室。隨著技術的創新和經濟的發展，部分發達地區的中學已經擁有通用技術專用教室，包括汽車模擬駕駛教室、電子控制試驗室、機器人試驗室、服裝試驗室和機械電子一體室等各種支持開展通用技術課程的試驗室。由于通用技術試驗室配備了真實的縫紉機、銑床、鉆床及激光切割機等設備，而學生年齡較小，如果在實驗過程中操作不當，會造成人身傷害。3D打印技術能夠為開展通用技術課程創設逼真的環境，提供各種實物模型，激發學生創造設計熱情，還能避免學生直接接觸危險工業機器，防止意外事故的發生。

3D打印在通用技術課程中發揮著重要作用，主要體現在以下三點。

1.抽象具體化，激發學生創造發明熱情

學生利用三維制圖軟件將自己的想象物制作為可視化圖形，然后用3D打印機打印出來，即將個體抽象的想象物轉變為可共享可觸摸的具體物，這就是抽象具體化。3D打印技術支持下的通用技術課堂與傳統的完全不一樣，傳統的設計中，學生想象的物體無法轉變為實物，不能共享。比如：在簡易機器人的制作中，學生有許多新想法，但是基于設備及自身繪圖能力的限制而無法實現，而在3D打印技術的支持下學生可以直接將自己設計的機器人打印出來，共享并進行性能測試。在發揮想象創新設計過程中，體驗創意的偉大，激發學生的創新熱情。

2.為每個學生參與實驗創設條件，提高學生創新動機

建構主義者認為，學習活動應該發生在情景中應該和社會實踐活動結合起來。［11］3D打印技術的出現幫助學生營造真實的問題情景，完成模型制作，從而提高學生的學習積極性。傳統的實驗課往往是教師演示學生觀看，學生自己動手操作的機會少，造成這種現象的原因有兩方面：一方面是實驗室設備欠缺，無法滿足人人實踐操作；另外一方面是因為實驗過程具有危險性，為避免學生操作不當造成人身傷害而不允許學生實踐操作。在通用技術教學中也存在這樣的現象，學生無法實踐，只能觀看教師演示，難以提高學生的學習興趣和創新動機。3D打印機的出現變革了傳統的演示實驗，將教師演示變為學生操作，為學生參與實驗提供了同等的機會。3D打印技術為開展通用技術教學創設良好的學習環境，激發學生的學習興趣并提高創新動機。

3.快速成型的特點滿足學生個性化發展需求

通用技術課程的培養目標是提高學生的技術素養，促進學生全面而富有個性的發展。汽車駕駛及保養、建筑及設計、簡易機器人制作和服裝設計等實踐類課程，要求學生具有創造發明的意識，在實踐中創新。3D打印快速成型的獨特優勢為學生個性化發展創設條件，滿足學生的發展需求。

4.避免實驗事故的發生

學校通用技術實驗室配備了真實的銑床、鉆床及激光切割機等設備，具有較高的危險性，在沒有教師監督的情況下，學生是不能隨意操作。有些學校的通用技術專用教室配備非常好，但是使用率并不高，主要是為了避免實驗事故的發生，基本上所有的設備只有教師給學生演示，學生幾乎沒有機會操作，這樣既造成資源浪費又限制學生實踐能力的提高。3D打印機將三維模型打印為實體的過程中危險性較小，教師可以大膽地讓學生操作。

四、3D打印技術在通用技術教學中的應用設計

3D打印技術在通用技術課程中的教學流程如圖2所示，其課程中主要由三個環節構成，即學習3D打印技術、學習三維建模和打印三維模型。在整個教學環節中要充分發揮教師的主導作用和學生的主體地位，對教學進行多元化評價才能達到理想的教學效果。

圖2　3D打印技術在通用技術課程中的教學流程圖

在教學前期，教師可以讓學生參觀3D打印機并介紹其工作原理，使學生認識3D打印技術。在通用技術必修課程中，為了給后期3D打印課程奠定基礎，可以讓學生學習三維建模其軟件，如：Sketchup、Blender、3DTin、TinkerCAD等，通過三維建模激發學生的創作靈感促進創新思維的發展。在掌握三維設計以及3D打印技術的基礎上，教師可以引導學生設計實際可打印的作品，如通用技術選修課程中的建筑及其設計。師生共同評選優秀作品是教學中的關鍵環節，在該階段教師和學生共同對所有設計出的作品進行評價，評價作品優劣可依據作品的外觀、創意、是否符合3D打印機的打印要求等；最后對優秀作品打印收藏，由于打印材料以及打印機自身的局限性不能將學生的所有作品進行打印，只能對評選出來的優秀作品進行打印，打印過程中，讓學生在教師的指導下進行操作，從而提高學生的實踐能力。

五、結束語

隨著材料技術和信息技術的發展，3D打印技術將普遍運用于各行各業，將3D打印技術引入通用技術課程，使學習過程由以往的記憶拷貝過程轉變為知識的探究與創新過程。充分發揮技術和教學整合的優勢是培養具有高設計能力和創新思維能力人才的重要途徑，也是我國教學改革的需要。

［1］3D打印教學應用［EB/OL］. http：//bbs.tianya.cn/post-worldlook-875449-1.shtml.

［2］第三次工業革命與當代中國：3D打印重組世界［EB/OL］. http：//www.chinairn.com/news/20131121/17341895.html.

［3］李青.3D打印：一種新興的學習技術［J］.遠程教育雜志，2013，（04）：29-30.

［4］3D打印機介紹［EB/OL］.http：//dj.qzedu.net/Item/349.aspx.

［5］3D打印機的淺析［EB/OL］.http：//www.zjedu.org/html/detial/ info/201306/201306131742052384.html.

［6］走進3D打印技術課程綱要［EB/OL］. http：//www.zjhaigao.net/Item.aspx？id=1605.

［7］泰河中學校本課程試水3D打印［EB/OL］.http：//www.bledu.net. cn/newsdetail119620-tai-he-zhong-xue-xiao-ben-ke.ashx.

［8］和田路小學進行時——3D打印課程［EB/OL］http：//blog.sina.com.cn/s/blog_64be4ff90101ay46.html.

［9］黎加厚，楊曉哲，楊高云.三維打印技術的發展對教育的啟迪［J］.中國醫學教育技術，2013，（01）：3-4.

［10］何妮妮.對高中通用技術課程目標的理解［J］.北京教育學院學報（自然科學版），2008，（05）：39.

［11］莫雷.教育心理學［M］.北京：教育科學出版社，2007.

［編輯：昌曙平］

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