3D打印技術的教學創新應用研究：案例與趨勢

鐘麗霞 胡欽太 胡小勇

(華南師范大學 教育信息技術學院，廣東 廣州 510631)

3D打印技術的教學創新應用研究：案例與趨勢

鐘麗霞 胡欽太 胡小勇

(華南師范大學 教育信息技術學院，廣東 廣州 510631)

隨著3D打印技術在多個領域的逐漸普及，已有學者探究其在教育教學中的應用，并取得一定成果。本研究采用文獻研究法，在梳理3D打印技術特點和國內外3D打印教學創新應用現狀的基礎上，通過對3D打印教學創新的過程、創新點等進行案例分析，預測并歸納出3D打印創新教學應用的新趨勢，以期為3D打印教學創新應用提供參考。

3D打印技術；教學創新應用案例；新趨勢

美國新媒體聯盟發布的《地平線報告》（The Horizon Report）從2013年起連續三年提到，3D打?。?D Printing）將成為教學的主要技術，并指出未來2—3年內3D打印將走進教學[1]。隨著3D打印技術（以下簡稱3D打?。┑牟粩嗥占昂蛣撔聭?，教師和研究人員對其關注日益增加。因此，本文基于3D打印的基本特征和國內外教學應用現狀，深入分析國外3D打印的教學案例，得出3D打印的教學創新應用的新趨勢。

一、3D打印與特點

3D打印是利用塑料或樹脂等可粘連的原料進行層層打印形成物件的增材制造技術[2]。它的工作原理是將3D打印機與計算機連接，通過設計輔助軟件進行數字建模，再將數字信息傳輸給打印機，利用打印機中的絲狀、粉狀或是液體狀的材料以逐層堆疊的方式制作出產品。3D打印技術具有三個明顯的特點：第一，因為是通過將材料堆積疊加形成的，避免了材料的浪費[3]；第二，能夠在時間短、空間有限的情況下打印出物件，提高了加工制造的效率；第三，能夠將人們創意的想法和設計快速呈現，實現了個性創新制作。

二、國內外3D打印教學創新應用現狀

3D打印作為一種新興的可視化的技術和工具，能夠更好地幫助學生將抽象事物形象化，因此已經被引入到教育教學中。2013年，美國制定并且實施MENTOR項目，將3D打印推廣普及至高中教學中，在引起學生對工程設計類課程的興趣的同時提升其綜合知識與能力[4]。2014年，美國白宮舉辦第一次創客嘉年華，美國總統奧巴馬宣布全美引進3D打印產業，并強調利用3D打印推動中小學的教育變革[5]。這不僅全面推動3D打印在教育教學中的應用，而且推動STEM教育的發展，同時也為美國的教育帶來一股新鮮力量。

英國教育部為在教育教學中推廣和普及3D打印并探索其創新教學方式，開展了一年的實驗探究[6]。想利用3D打印提升教學效果，培養學生創新思維和能力，教師必須先掌握3D打印的相關技能，這樣才能更好地實現教學創新改革。于是，為上千名中小學教師提供3D打印的培訓以便更好地幫助學生獲得知識且提高技能、素養等。隨后，將3D打印列為國家課程，促使中小學開展相關活動，進而培養學生的自主動手設計能力和創新思維。

我國正在逐步開展3D打印的教學應用工作。2014年，國務院推出“3D打印創新教育播種”計劃，意在為學生的創新創造提供良好的氛圍，以培養其“創客”精神和提升其“創客”能力[7]。2014年，為了加快3D打印在教育領域的普及，成立“中國系統仿真學會3D教育與裝備專業委員會”[8]。2015年國家工業和信息化部出臺《國家增材制造產業發展推進計劃（2015—2016年）》，旨在促使3D打印深入教學實踐，進而引發創新教學方式的產生[9]。同時，許多省市也在積極開展3D打印的創新教學。如南京馬府街小學開展3D打印的創新教學的系統研究[10]；北京朝陽區實驗小學引入3D打印，助力課程整合和課程改革[11]。國內3D打印的教學應用的步伐正在加快，但不可否認的是，雖然部分地區已經應用3D打印開展教學，可由于缺乏一定的理論指導和實踐經驗，還未能實現利用3D打印進行的創新性教學。

三、3D打印教學創新應用案例分析

目前很多發達國家在K-12、高等教育中已經開展3D打印的教學實踐。本研究將以美國賓夕法尼亞州州立學院學區中小學的“走向綠色社區”學習活動項目和羅徹斯特理工學院應用3D打印的力學橋梁課為例進一步分析3D打印的教學創新應用情況。

（一）“走向綠色社區”學習活動項目

賓夕法尼亞州州立學院學區的中小學教師Ron（羅恩）和Michelle（米歇爾）頗具創新地將八年級的學生和一年級的學生劃分為同一小組，利用3D打印合作完成主題為“走向綠色社區”的學習活動[12]。

具體教學過程是這樣的（如圖1所示）：首先，一年級學生在八年級學生的指導和幫助下繪出家居草圖；然后，小組進行頭腦風暴，評估并修改草圖，記錄問題，以便后期繼續修改；接著，教師組織學生分享設計圖，小組間進行交流，進而促進問題的解決。其次，小組成員根據交流結果修改草圖并在八年級學生的帶領下進行3D建模。再次，利用3D打印機得到相關物件，小組討論不斷修改進而完善設計。最后，小組間進行展示交流，學生和教師可以進行自評、互評、點評。

3D打印在“走進綠色社區”項目中發揮了很大的作用，具體表現在以下兩個方面：第一，快速生成模型，獲得直觀感受，節約時間和成本；第二，激發學生興趣，3D打印將學習者設計的想法轉變為實物，學習者通過實物學習能更快更好地發現不足，不斷修改和完善。

圖1 “走進綠色社區”項目流程

（二）力學橋梁結構分析的案例

羅徹斯特理工學院（RIT）的教師Kyle Manchester（凱爾?曼徹斯特）在他所教授的力學課程中講授橋梁結構受力時，利用3D打印機打印出實物[13]。他的教學過程是這樣的（如圖2所示）：首先，教師布置任務，小組合作建立一個具有桁架的非金屬材料的橋；接著，學生通過CAD設計軟件畫橋，再使用3D打印機打印出各個部分并進行組裝；然后，學生進行試驗，遇到問題利用互聯網或是通過和教師的交流尋求解決方法；最后，各小組分別進行交流展示和承重測試，大家分享經驗并獲得橋梁結構的分析和設計能力，同時可以進行學生互評和教師評價。

圖2 應用3D打印的力學橋梁課流程

其教學創新之處在于：第一，3D打印為工程課程的教學提供了切入點，使學生的想象和創意得以實現。課程中利用模型試驗承重，來檢驗學生設計的橋梁結構是否科學穩定，將學生的設計與效果建立起聯系，促使學生增強對工程設計的興趣。第二，提高學習者的綜合能力，課程學習中，從橋梁結構的設計、打印、分析到修改等過程都要學生參與完成，學生的綜合知識和能力得到提高。

從上述案例中可以發現3D打印在創新教學中發揮著重要作用，不僅為學生營造真實的問題情境、激發學生學習的積極性，而且為學生提供創造實踐的平臺和空間，使得學生創新、實踐能力得到培養。

四、3D打印教學創新應用的新趨勢

隨著3D打印的不斷發展，其在教育教學中的應用也不斷增加。從上述的案例中可以發現，3D打印教學創新應用會有以下發展趨勢。

（一）從簡單的學習目標，向培養“21世紀技能”轉變

“互聯網+教育”的教育形態使得知識的獲取變得更加容易，更新的速度也不斷加快。為適應21世紀的學習和生活，學校的教育教學不僅要促使學生掌握理論知識，還需要以培養學生的“21世紀技能”為目標，讓學生在學習與創新方面、數字素養方面、職業和生活技能方面[14]都有所提升，以便其能更好地運用這些技能去理解知識和解決真實世界的各種問題，以適應信息化的社會。3D打印應用教學中，以其獨特的優勢，可以幫助學生將抽象觀點形象化、腦海的想法實物化、動手的技能高級化，進而幫助學生實現創新創造能力的提升。因為使用3D打印完成某一學習項目時，一般都是以小組合作的形式進行，通過項目完成的過程，學生的溝通意識、協作意識和能力也得以增強。同時，在合作探究時需要收集、加工和處理各種信息，以及應用其他的媒體來輔助完成，在這個過程中，學生的信息素養、媒體素養等都會得以提高。

（二）從單科知識的學習，向跨學科知識融合轉變

沃爾特曾經說過，“人們需要具備跨學科的知識和能力來創造性地將科學、技術、工程、藝術和數學結合在一起”，這與“21世紀技能”所提出要培養學生三個方面技能的觀念是一致的，即學生需要將多種知識和技能融合掌握。3D打印應用于教學中，能夠實現教學內容的豐富和跨學科知識的融合，比如上文中提到的羅徹斯特理工學院橋梁結構的案例中，學習者不僅需要掌握工程技術方面的知識，還需要掌握數學、科學方面的知識，這就使得課堂的教學內容更加豐富多樣，而3D打印在教學中的應用作為一個平臺促使這些內容進行融合。3D打印教學創新會使得學生的學習不再僅僅是單一的學科知識，而是將多門學科知識和技能通過相關的教學活動，與學生原有認知結構形成連接，進而轉化為新的認知結構，實現多方面知識的增加和技能的提高。

（三）從單一的教學方法，向創造多樣化方法轉變

一般的教學方式方法較為單一，導致學生知識和能力的提高有限。3D打印應用于教學中，促使教育教學在方式和模式上朝著多元化和支持學生個性化的趨勢發展。依據國內外3D打印的教學應用案例，本研究總結歸納出三種應用3D打印進行創新的教學方法，分別是基于3D打印的項目教學法、基于3D打印的任務驅動教學法、基于3D打印的問題教學法。

基于3D打印的項目教學法是以項目為中心開展學習活動，利用3D打印幫助學生將抽象內容具象化，進而幫助學生更好地理解知識、解決問題。如“走向綠色社區”案例就是采用項目式教學，在教學過程中3D打印為學生營造了一個真實的問題情境，學生通過形成小組，參與到模型的設計、打印、觀察、評價、改進等活動過程中建構新知和技能。

基于3D打印的任務驅動教學法是學習者在教師的指導和幫助下利用3D打印完成任務以獲得新知和技能。學習者在完成任務的過程中利用3D打印可以幫助將一些抽象的或是難以理解的內容具象化，進而促進理解和完成任務，同時提高學生的知識和技能。

基于3D打印的問題教學法是讓學生帶著問題去思考、去分析、去學習，使得學生的學習從被動接受到主動創造，同時利用3D打印幫助學習者利用具體形象的物件來理解和分析問題，或是打印出一些難以得到的模型以輔助學習。如3D打印用在骨科教學中，根據課前掌握的教學知識，結合3D打印模型去推斷病患的起因、癥狀和體征，使得學生可以直觀地學習解剖結構[15]。因此，在3D打印的教學創新應用中，教學方式將變得更加多元化。

（四）從技術支撐的學習，向技術深度融合的創造性學習轉變

3D打印應用于教學中，不僅可以為學生營造有趣的學習情境，而且為學生進行學習探究提供新興的技術工具，使得學生可以根據自身需求選擇合適的學習方式。首先，學生可以使用3D打印進行自主學習去解決對自身而言有難度的問題，以提高學生的學習能力和問題解決能力。其次，學習者可以以小組合作方式進行協商、討論，通過合作的方式既能提高學習者的合作探究和溝通表達能力，又能調動學生學習的積極性。最后，學生在學習過程中會不斷產生各種問題，讓學生基于這些問題去探究學習會比教師的解答效果更好。同時，3D打印也能幫助學生適當地解決某些問題，在解決問題的過程中，學生的認知水平、思維能力、探究能力都會得到提高。因此，3D打印的教學創新將會為學生提供多樣的學習形式，促使學生更好地成長。

（五）從單向的學習評價，向多維綜合評價轉變

3D打印的創新教學不僅改變了教學方法，創新了學習方式，而且形成多維綜合的評價機制。首先，基于3D打印的創新教學的評價不同于傳統課堂的評價機制，教學過程中增加了學生與教師互動、與同伴合作，評價主體更加多元化。其次，評價的內容是多樣化的，傳統的教學評價只針對學生知識掌握的狀況進行評價，而忽視了知識和能力掌握過程的評價，以及學生如何處理和使用信息的數字素養或者學習的主動性等職業技能的評價。基于3D打印創新教學技能既能促使學生進行自主學習，在自主學習過程中發揮其自主探究和學習的能力，而且會為學生提供合作學習的機會，讓學生在合作中提高溝通、表達、協作的能力。最后，不同于一般的教學過程，基于3D打印的創新教學的評價是貫穿于整個教與學的過程之中，不僅會對學生作品進行評價，而且會對學生在合作、打印過程中的表現給予及時的反饋和評價，更好地促進學生的學習，同時保證評價結果的合理性。

五、結束語

3D打印的教學應用不僅是新興技術在教學中的運用，也是創新性教學的大膽探索[16]。3D打印的創新性應用于教學之中，不僅提高了學生學習的積極性，提高了學生的綜合知識和能力，而且為教師帶來了多元化的教學方式、多層次的評價方式等。3D打印與教育教學深度融合，其實就是技術與教育教學結合的方式，但是想將其深入應用于教育教學中，就必須在學科教學的過程中尋求多樣化的教學方法和模式，同時在課程設置和教學設計上建構創新性的模式。只有不斷提高3D打印的創新教學的內容、方法、模式，才有可能更好地實現其創新教學的目標，為學生的多層次、多方面、個性化發展和成長，更好地適應社會的需求奠定更堅實的基礎。

參考文獻

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（責任編輯 杜丹丹）

Application Research on Teaching Innovation of 3D Printing Technology:Case Study and Trend

ZHONG Lixia,HU Qintai,HU Xiaoyong
(School of Information Technology in Education,South China Normal University,Guangzhou,Guangdong,China 510631)

With the increasing popularity of 3D printing technology,in many fields,now scholars have been exploring its application in education and teaching,and have achieved certain results. This study adopts literature research method,and,on the basis combing the technical characteristics of 3D printing and the current status of 3D printing teaching innovation application at home and abroad,forecasts and summarizes the new trend of innovative teaching application of 3D printing through the case study of the processes or innovative points of 3D printing teaching innovation,hoping to provide references for the application of 3D printing teaching innovation.

3D printing technology;case study of teaching innovation application;new trend

G434

A

2096-0069（2016）06-0041-05

2016-08-26

教育部—中移動科研基金（2012）“教育信息化理論研究”（MCM20121011）

鐘麗霞（1992— ），女，廣東梅州人，華南師范大學教育信息技術學院碩士研究生，研究方向為信息化教學；胡欽太（1964— ），男，廣東揭陽人，華南師范大學教育信息技術學院教授、博士生導師，研究方向為信息化教育與傳播研究；胡小勇（1978— ），男，江西奉新人，華南師范大學教育信息技術學院教授，博士生導師，教育技術系主任，研究方向為信息化教學。