3D打印技術助力中學生創新教育工作

李佳+徐興健

摘 要 3D打印在我國教育教學領域的應用尚處于起步階段，有效地運用3D打印技術培養和提高中學生的創新能力，具有重要的戰略意義。通過文獻調研結合實際教學案例的方式，歸納3D打印在創新教育中的主要貢獻及未來發展趨勢，以期為3D打印創新實驗室的未來發展方向提供參考。

關鍵詞 3D打印；創新教育；創新實驗室；創客教育；3DOne

中圖分類號：G633.67 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2017）23-0028-03

1 前言

隨著世界經濟的持續發展，工業轉型升級是勢在必行的歷史發展趨勢，而這種轉變必將促進社會對創新型人才和技術型人才的大量需求。為此，教育部曾在發布的《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020）》中指出：全面提高普通高中學生綜合素質，促進學生全面而又個性地發展，提高學生的學習能力、實踐能力、創新能力，加強學生對社會的適應性[1]。

習近平總書記在2016年5月30日召開的全國科技創新大會上對加強科技創新工作進行了部署，強調創新始終是推進一個國家、一個民族向前發展的重要力量。培養創新型人才是提高自主創新能力的關鍵。創新型人才的培養和教育工作是不可能一蹴而就的，而是需要在夯實的基礎上循序漸進。因此，在當前高中創新教學過程中，如何通過有效的教學模式激發學生的主觀能動性，積極參與實踐活動，提升學習體驗，使學生以愉悅的心情獲得良好的學習效果，促進學生全面發展，為中學創新教育提出更高的要求和標準。

20世紀90年代中期，3D打印技術橫空出世并迅速在全球范圍內得以推廣應用，涉及領域涵蓋了生物、建筑、軍事、醫學以及教育等[2]。3D打印技術又被稱為增材制造技術，是將計算機模型直接轉化為三維實體的一項技術[3]。隨著社會的進步，人們對該技術認可度的增加，會有越來越多的科技精英利用3D打印技術進行科技革新。因此，中國教育行業應抓住這一契機，將3D打印機引入中學課堂，提升學生對新技術的認識，拓展學生的視野，開發學生的創新思維[4]。

2 3D打印在培養中學生創新意識中的應用

在教育教學過程中，在保障學生理論知識和實踐技能學習的基礎上，如何培養學生的創新意識是值得關注的問題。針對這一問題，3D打印提供了一個可以無限拓展的平臺，其主要作用可歸納為以下三點。

培養學生的設計意識 3D打印成品的流程為：設計—打印—拼裝—調試等。其中，設計是最能體現出一個人創新意識的環節。設計并不簡單隸屬于某一學科，而是要求設計者具有多元化的知識儲備，將經濟、歷史、數學、物理、生物、美術、工程等諸多要素糅合在一起，形成一種具體的、帶有個人思想的產品構圖，并通過一些3D軟件將其呈現出來，進而利用3D打印成型獲得可展示的實物（圖1）。

設計在促進科技發展、提高生活品質及優化商業運營等諸多方面發揮著至關重要的作用。學生利用3D打印機獲得自主設計的各種模型的過程中，一方面可以拓展設計方面的創新思維，另一方面可以感受創作的樂趣，提高在設計創新方面的主觀能動性。

烏蘭浩特第一中學創新實踐中心在引入3D打印機后，學生在利用3D打印技術學習設計的過程中受益良多，給出一致好評。其中一些學生自主設計的3D打印作品還被選送參加全國中小學電腦制作活動大賽“3D創意設計（未來智造設計）競賽”。實踐表明，3D打印不但可以提高學生的設計創新能力，而且可以通過設計競賽等活動，加強不同文化背景和不同區域的學生之間的交流與互動。

培養學生的社會責任 中學生是國家及社會發展的儲備力量，肩負建設祖國的歷史重任。因此可以說，學生社會責任感勢必影響一個國家及民族的發展。然而，我國在中學教育階段的德育課程標準中并未明確提及培養學生的社會責任感，導致重智輕德成為當前中學教育中普遍存在的問題。隨著信息技術的飛速發展，加之中學生理解能力的提升，他們已具備一定的抽象思維能力，同時會主動關注社會問題，因此，這一時期是培養學生社會責任感的關鍵時期。如何有效引導學生提升其社會責任感是需要解決的問題，3D打印走進中學課堂不失為一種有效的途徑。

Kostakis等人在希臘約阿尼納的兩所高中開展了一項為期三個月的研究，33名學生參與了該項目。他們利用開源式的3D打印設計軟件和3D打印機進行作品創作，且大多數作品中成功融入了盲文信息[5]。該舉措不僅可以通過這種媒介互動的方式來幫助人們更好地在精神層面加以溝通和交流，還可以培養學生的社會責任感。

培養學生的創客意識 伴隨著“3D打印”“傳感器”“機器人”等新技術掀起的科技狂潮，“創客運動”在國內外發展得如火如荼。“創客”們勇于開拓、創新、嘗試，經過不懈努力實現其自身價值的精神無一不影響著傳統的教育理念、技術、模式和方法。因此，時代賦予教育新的使命，即“創客教育”，也可以說它是創客與教育“激情碰撞”的產物[6]。基于創客理念的3D打印教學，應更注重將“創新、實踐、分享”的意識融入課堂教學中，實現全面提升學生個人素養的教學目的。

烏蘭浩特第一中學在基于3D打印技術的創客教育中選擇3DOne建模軟件及FDM桌面型3D打印機相結合的模式，鼓勵學生在3DOne青少年三維創意社區上分享和展示個人的創意設計，并利用在線互動模式，加強教師與學生之間的交流，有助于學生更好地完善自己的作品。由于科技的不斷發展，新技術也勢必會層出不窮，在培養中學生創客意識過程中也應當注重學生基礎知識的學習，只有這樣才能始終跟緊科技發展的步伐。

3 利用3D打印進行創新教育的方法

3D打印在中學生創新教育中的多元化作用，必將促進相關教學方法和教育理念的革新。從圖2可以看出，教師所布置的學習任務具有靈活多變的屬性。簡單來說，教師可以根據不同學習對象制定不同的學習任務。例如：針對初涉3D打印學習的學生，教師可選擇一個易于學生學習和掌握的作品，通過教學與實踐，使學生能夠快速掌握這項技術的核心內容；而針對已有一定基礎的學生，教師可以提出一些具有挑戰性的學習任務來調動學生學習的積極性，鍛煉學生的創新意識。endprint

以烏蘭浩特第一中學開展的3D打印教學課程為例，對這兩種教學模式進行闡述。

基于特定主題的教學模式 首先，教師提出本次教學的主題——利用3D打印展示自己對蒙元文化的認知。10名學生分為兩組，自行組隊，隨后根據主題進行頭腦風暴，選定設計方向，繪制草圖并利用3DOne軟件進行建模，記錄建模過程中存在的問題；各小組之間分享作品及心得并提出意見，教師從旁指導；學生根據修改意見對設計圖進行調整，利用3D打印獲得相關作品；小組間進行作品展示和點評，最后由教師進行評價與總結。

本次教學過程共獲得兩件作品。一個小組設計的作品是勒勒車（圖3a），小組代表介紹了他們的創作理念：“‘勒勒是牧民吆喝牛羊的聲音，響徹蒙古草原。勒勒車是蒙古游牧民族所使用的傳統交通工具，在其整個民族發展的歷史中發揮著十分重要的作用。同時，勒勒車也富含祝福和吉祥之意。此外，勒勒車在設計上映襯著蒙古族人民的智慧。因此，選擇勒勒車作為蒙元文化的代表之一，是對蒙古族物質文化的一種傳承。”

另一個小組則選擇了馬頭琴（圖3b）來傳達他們對蒙元文化的理解：“馬頭琴是胡琴的衍生產物，有著悠久的歷史，且擁有一些動人的傳說，同時它也是最富草原特色的樂器之一，廣受蒙古族牧民的喜愛。許多用馬頭琴彈奏的描繪草原兒女生活、草原風光、牧民對美好生活向往的名曲都能燃起人們對草原的向往。因此，馬頭琴是蒙古族牧民向世界展現他們精神面貌的重要載體之一，是蒙古族精神文化的一種傳承。”

通過本次3D打印教學課程的學習，使學生感受到草原文明的歷史厚重感，同時使學生充分體會到3D打印帶來的樂趣。

基于生活中存在的實際問題的教學模式 首先，教師引導學生通過觀察或自身的體驗，提出生活中存在的一些小問題，并選擇一個認同度較高的問題作為本次3D打印教學課程的任務；隨后學生先根據自己的思路草擬解決方案，教師從旁指導；每個學生根據自己繪制的草圖進行建模；學生分享自己的建模成果，互相評價，教師提出修改意見；修改完畢的模型利用3D打印獲得實物，學生展示作品，進行討論，教師進行點評，最后共同選出最佳解決方案。

本次3D打印教學過程選出的問題是：“在旅行途中常常需要經過未設置電梯的車站或天橋，這時該如何省力地拖動旅行箱？”經過教師和10名學生的評選，從10個作品中選擇出一個最佳的作品，即履帶型旅行箱，如圖3c所示。設計該作品的學生分享了他的設計理念——主要來源于坦克。因為履帶式設計可以增大坦克的接地面積，使其在不同路況上行進時保持良好的穩定性和行駛速度。基于此，將履帶設計融入旅行箱中，人們便可以在行走臺階時通過直接拖拽的方式拉動旅行箱，使出行更為便捷。

盡管這一設計尚存在一些問題或缺陷，如履帶的材質和成本、抗震性能等方面仍需進一步討論和優化，但是這種創新意識是值得鼓勵的。這種教學模式一方面提高了學生發現和解決生活中實際存在問題的能力；另一方面，在學生尋求解決方案的過程中，也鍛煉了他們的創新思維以及對所學知識的綜合運用能力。

4 總結

3D打印憑借其技術上得天獨厚的優勢，已在中學創新教學中發揮了重要作用。該技術可以幫助學生將理論與實踐相結合，培養學生的創新意識，增加學生動手創作的機會，同時也豐富了課堂教學的形式。然而，新技術的發展也存在一些問題，正確認識這些問題將有助于該技術在中學創新教育中進一步發揮積極作用，為此提出以下建議。

1）提高教師的個人素養。創新教育的核心即為創新，因此，基于3D打印技術的創新實驗室的建立必將對教師提出較高的要求，其應當具備優秀的創新意識及實踐能力，且知識儲備應具有多元化的特點，以滿足不同學科學生的學習需求。

2）國家應加強對于中小學創新教育的硬件投入。3D打印創新實驗室需要硬件設備的支撐，否則僅以軟件建模教學為主，不利于調動學生的積極性。

3）加強交叉學科的教學力度。3D打印創作必須建立在學生具有一定知識儲備的基礎上，特別是隨著先進技術的不斷發展，全球教育領域也在醞釀革命性的變化，因此需要有針對性地、系統地培養學生的創新能力，特別是在交叉學科的學習方面，將有助于學生更好地利用3D打印平臺完善并實現其創新創意。

參考文獻

[1]魏本亞.汪懋祖“學術化蘇高”的表征、意蘊及啟示[J].徐州師范大學學報：教育科學版，2011（4）：44-48.

[2]Macdougall P J， Henze C E， Volkov A. Volume-rendering on a 3D hyperwall： A molecular visualization platform for research， education and outreach[J].Journal of Molecular Graphics and Modelling，2016（2）：1-6.

[3]尚雯，譚躍剛，張帆，等.面向大學生創新教育的3D打印教學實驗平臺研究與應用[J].中國輕工教育，2016（3）：73-76，79.

[4]李青，王青.3D打印：一種新興的學習技術[J].遠程教育雜志，2013（4）：29-35.

[5]Kostakis V， Niaros V， Giotitsas C. Open source 3D printing as a means of learning： An educational experiment in two high schools in Greece[J].Telematics and Informatics，2015，32（1）：118-128.

[6]劉丹.基于創客理念的高中信息技術課程教學設計研究[D].江蘇：江蘇師范大學，2016.endprint