教育裝備在學科教學中的應用

摘 要：從2015年開始，創客教育等名詞高頻率地出現在各個不同的場合，而3D打印技術作為創客教育的主要分支之一，是創客創新、創造的重要工具。根據3D打印技術具有“設計即生產”的特點，把3D打印技術應用到小學多學科教學中，可以讓師生在玩中做、做中學、學中創，從而培養師生的空間想象能力、創新思維能力和創造設計能力。

關鍵詞：學科教育；3D打印；創客教育；教學應用2015年，國務院先后印發《國家增材制造產業發展推進計劃（2015-2016年）》《關于積極發揮新消費引領作用加快培育形成新供給新動力的指導意見》，制定了短期發展目標和相應措施，并提出“推動3D打印、機器人、基因工程、網絡安全等細分產品加快發展，開拓消費新領域。支持可穿戴設備、智能家居、數字媒體等市場前景廣闊的新興消費品發展”。同時3D打印等先進制造技術與信息網絡技術的融合也將推動李克強總理提出的“互聯網+”計劃的實現。在此背景下，3D打印技術在教育領域中的應用也開始備受關注。3D打印實體的觸覺體驗，可讓學生的想象變成現實，達到“所思即所得”的教學效果，有助于提高學習者的動手能力、學習積極性和創新性，有助于學校發揮領路人的角色，為學生的學習方式帶來新的變革，推動教育教學改革。

一、概念辨析

（一）3D打印技術

3D打印技術是以一種數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。3D打印機是快速成形技術的一種機器。由于在3D打印機原理中把復雜三維制造轉化為一系列二維制造的疊加，因而可以在不用模具和工具的條件下生產幾乎任意復雜的零部件，極大地提高了生產效率和制造柔性。通過計算機輔助設計建模，再將建成的三維模型“切片”成逐層的截面數據，并把這些信息傳送到3D打印機上，3D打印機會把這些切片堆疊起來，直到一個固態物體成型。

（二）創客教育

對于創客教育的理解，目前還沒有一個確切的定義。有專家認為：創客教育是創客文化與教育的結合，基于學生興趣，以項目學習的方式，使用數字化工具，倡導造物，鼓勵分享，培養跨學科解決問題能力、團隊協作能力和創新能力的一種素質教育。由此可見，創客教育迎合了國家培養創新型人才的發展需求。

（三）教育裝備

教育裝備是使教育任務有效組織起來的系統，是保障教學活動所需的資料、學具、儀器、設備以及相關軟件的總稱。而創客教育裝備可以說是教育裝備的一個分支，包括開展創客教育中所需的各種原材料（金屬、木材、塑料制品）、零件、工具（小電焊機、扳手等）、設備（小型數控機床、3D打印機、激光切割機等）、軟件（Scratch）、平臺以及相關教育資源等。

二、3D打印技術在教育領域的應用

目前，一些國家和組織已經開始重視3D打印技術在教育領域中的應用，并開始這方面的研究。

英國教育部于2012年10月開展了一項為期一年的試驗項目，以21個學校為試點，將3D打印技術應用到數學、物理、計算機科學、工程和設計等課程中，探索3D打印技術的教學應用，推動教學創新。

美國國防高級研究計劃局制作實驗和拓展（MENTOR）項目計劃在美國高中推廣3D打印機，旨在提高高中生對工程技術的了解，培養學生一系列的技能，并激發他們對工程、設計、制造和科學相關課程的興趣，促進高中學齡的學生協作完成一系列的設計和制作方案，以幫助他們解決在未來設計和工程方面的挑戰。3D打印機在動手和動腦的學習中發揮著重要的作用，有助于MENTOR計劃培養目標的實現。

上海市將3D打印引入基礎教育領域。靜安區青少年活動中心創意夢工廠配置了3D打印機及配套的3D掃描儀，定期開設相關課程，供有興趣的學生學習三維設計和計算機輔助制造，打印自己設計的產品。云南省安排專項采購資金為全省5365所中小學配備3D打印全套設備，學校開設了3D設計課程，并把3D打印技術應用到不同學科教學中，多角度展示了3D打印技術在學科教學方面的功能優勢和應用方式。

為迎接3D打印科技時代的到來，國外已經率先邁出了青少年3D打印教育步伐，特別是在美國，幾乎所有的大中小學已經開設了3D打印的課程，通過對青少年進行3D打印創新意識、技術手段的培養，3D打印成為“美國智造”的有力手段。作為一直倡導創新教育的中國，目前科技創新教育仍然處于探索階段，而3D打印設備的應用與教育實踐，更是一個被忽略的科技創新教育渠道。

研究數據表明，一些在傳統教育中表現不好的學生，主要是因為所學課程的理論性太強，學生本身對該學科沒有興趣，靠死記硬背抽象概念通過考試，結果很快忘記。3D打印課程則可以讓枯燥的理論變得生動起來，它是一種同時擁有視覺和觸覺的學習方式，具有很強的誘惑力。在觸覺學習中，學生不是被動地在黑板或顯示器上簡單地看文字或圖形，而是主動在軟件和數字化模型上設計和發揮想象力，并借助3D打印機將自主設計的作品變成實物。在這個過程中，他們能夠更好、更快地吸收和消化知識，增強思維的縝密性和知識的連貫性，不再容易遺忘所學的知識。如語文、英語學科可把課文中有代表性的建筑物打印出來，幫助學生理解課文的故事情節；數學學科把立體幾何模型打印出來，幫助學生理解三維空間圖形結構；美術學科可以用3D打印機制作3D藝術品，提高美術作品的創新性和觀賞性；科學學科可以把抽象的知識具體化，把不能直接觀賞到的東西樣本化，學生發揮自己的想象進行發明和創造。3D打印裝備除了能輔助傳統教育教學之外，更為重要的是能提高青少年的科技創新能力。在理論學習、軟件教授、思維引導、機械控制和創意發散的整個教學過程中，青少年將得以全面鍛煉探索學習的能力，并培養出科技創新的精神。

三、3D打印裝備在學校學科教學中的應用

（一）硬件的選擇

硬件裝備是開展教學的主題，良好的硬件環境是關鍵。我校于2016年底引入由中科院廣州電子技術研究所自主研發的一款桌面型3D打印機，采用FDM熔融擠壓成型技術，被廣泛應用到3D打印技術的基礎研究和日常教學中。

（二）在學科教學中的應用

我校自引入3D打印設備后，積極成立由老師及學生組成的“3D打印社團”，并與中科院廣州電子研究所形成合作關系，由專業人員講解相關知識和開展相關培訓，定期在校內組織3D打印創意設計活動，包括學校沙盤模型的制作、校徽設計、教學教具的設計與制作等，通過普及性的3D打印創意設計科技實踐活動，提高全校學生的動手、動腦能力，提高全校學生的科技創新能力，提高學生的學習熱情，增強學生的動手能力、設計能力和思維能力。教學應用中主要的培訓內容如下：

1. 3D基礎知識教學，主要教授3D技術的一些基礎概念，讓學生能夠更加深入地理解自己所學的3D設計的內容。

2. 3D建模設計軟件的學習和體驗，以初、中、高級建模軟件為主要教學內容，讓建模基礎為零的學生對3D設計有初步的認識，并掌握3D建模軟件基本工具的使用，讓學員能夠自己建模。例如：在使用3D one軟件的過程中，如果要設計一個簡單的圓柱體3D模型，只需要用鼠標點擊“基本實體”中的“圓柱體”，在網格平面上任意地方放置就可以生成一個圓柱體，同時點擊鼠標的左右鍵便可移動和縮放其大小，可以360°選擇圓柱體進行觀察，提高學生的空間思維能力。

3. 3D打印，教會學生熟練掌握FDM 3D打印機的相關軟件，包括切片和控制軟件，利用這些軟件調試3D打印機，控制3D打印機正確地打印出較好的產品，同時指導學生如何正確地設置各種參數，選擇適合打印機使用的耗材，對鏤空造型效果的支撐添加，讓學生把自己設計出來的作品變成實物，實現“所思即所得”的創意“智”造作品。

四、結語

眾所周知，科技創新能力是一個國家發展的源動力，是衡量一個國家綜合實力的重要指標，而科技創新精神的培養，最重要的是要從青少年教育做起，少年強則國強。在青少年教育階段普及3D打印技術可以培養學生的創新能力和創造精神。創新教育和3D打印科技的結合是教育和科技的結合，是理念和技術的結合，是推動青少年創新教育的最優渠道。