面向創(chuàng)客培養(yǎng)的3D打印教育應(yīng)用研究

劉亞娟

(長(zhǎng)春師范大學(xué)教育學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130032)

教育部印發(fā)的《基礎(chǔ)教育課程改革綱要》提出，要加強(qiáng)課程內(nèi)容與學(xué)生生活以及現(xiàn)代社會(huì)和科技發(fā)展的聯(lián)系，倡導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)參與、樂(lè)于探究、勤于動(dòng)手，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問(wèn)題的能力以及交流與合作的能力。《國(guó)家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)計(jì)劃(2015—2016年)》指出，組織實(shí)施學(xué)校增材制造技術(shù)普及工程。在學(xué)校配置增材制造設(shè)備及教學(xué)軟件，開(kāi)設(shè)增材制造知識(shí)的教育培訓(xùn)課程，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)的興趣、愛(ài)好、意識(shí)，在具備條件的企業(yè)設(shè)立增材制造實(shí)習(xí)基地，鼓勵(lì)開(kāi)展教學(xué)實(shí)踐[1]。3D打印對(duì)于教育領(lǐng)域的重要價(jià)值之一，在于它能夠創(chuàng)造對(duì)事物更真實(shí)可靠的探索機(jī)會(huì)，無(wú)論對(duì)于高等教育還是基礎(chǔ)教育，它都將是探索科學(xué)和藝術(shù)的絕妙入口。國(guó)家大力倡導(dǎo)培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，鼓勵(lì)學(xué)校和企業(yè)開(kāi)展3D打印教育研究與培訓(xùn)。在信息技術(shù)急速發(fā)展的時(shí)代，中小學(xué)越來(lái)越重視學(xué)生的編程設(shè)計(jì)能力，3D打印可以現(xiàn)場(chǎng)輸出學(xué)生的設(shè)計(jì)成果。現(xiàn)在很多中小學(xué)校已經(jīng)引進(jìn)3D打印設(shè)備，開(kāi)展相關(guān)課程或社團(tuán)活動(dòng)。3D打印與教育的結(jié)合將有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，為培養(yǎng)未來(lái)的人工智能人才的打下良好基礎(chǔ)。

1 創(chuàng)客教育與3D打印的內(nèi)在聯(lián)系

1.1 創(chuàng)客教育的內(nèi)涵

2017年《地平線報(bào)告》(基礎(chǔ)教育版)聚焦基礎(chǔ)教育應(yīng)用的六項(xiàng)重要技術(shù)進(jìn)展，排在首位的就是“創(chuàng)客空間”。創(chuàng)客教育有別于傳統(tǒng)的以書(shū)本為主的教育方式，其立足創(chuàng)新、創(chuàng)造和教育三個(gè)維度，有效利用數(shù)字化工具，通過(guò)創(chuàng)造有形的作品，使學(xué)生成為“教育創(chuàng)客”。創(chuàng)客教育提倡體驗(yàn)式學(xué)習(xí)，與科學(xué)、藝術(shù)等各基礎(chǔ)學(xué)科緊密融合，通過(guò)鮮活生動(dòng)的實(shí)例培養(yǎng)學(xué)生的想象力和創(chuàng)造力，使其形成基于創(chuàng)造的學(xué)習(xí)。

1.2 3D打印與創(chuàng)客教育的有機(jī)融合

3D打印技術(shù)是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)[2]。3D打印包括兩個(gè)階段：第一步，設(shè)計(jì)建模階段。利用三維建模軟件如3Done等進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。如果是生活中已有的模型，如打印人物等，可以通過(guò)三維掃描設(shè)備掃描建模；第二步，逐層打印階段。根據(jù)已有模型，逐層打印，疊加后形成一個(gè)立體的模型。

3D打印實(shí)現(xiàn)了學(xué)生思維的形象化，通過(guò)設(shè)計(jì)作品、打印作品，使學(xué)生在實(shí)踐過(guò)程中的體驗(yàn)經(jīng)歷更加豐富，成功的滿足感更強(qiáng)，促使學(xué)生更加熱愛(ài)學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生積極思考問(wèn)題和探索世界的能力，使其成為有思想、有創(chuàng)意的實(shí)踐者，整個(gè)設(shè)計(jì)和實(shí)踐的過(guò)程對(duì)學(xué)生智力和美育的發(fā)展起到重要作用。

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+創(chuàng)客”時(shí)代的到來(lái)，3D打印技術(shù)已經(jīng)成為創(chuàng)客教育的典型代表之一。目前3D打印技術(shù)已被寫(xiě)入新修訂的高中信息技術(shù)課中，3D打印成為中小學(xué)信息技術(shù)課內(nèi)容的重要組成部分。

2 3D打印應(yīng)用于教育的理論基礎(chǔ)

2.1 經(jīng)驗(yàn)之塔理論

美國(guó)視聽(tīng)教育家戴爾提出的“經(jīng)驗(yàn)之塔”理論是研究教學(xué)過(guò)程中媒體使用效果的理論。該理論認(rèn)為寶塔最底層的經(jīng)驗(yàn)最具體，隨著寶塔上升逐步抽象。3D打印作為一種媒體手段參與教學(xué)，對(duì)教學(xué)中的某些抽象概念或科學(xué)過(guò)程進(jìn)行可視化展現(xiàn)，使隱性知識(shí)顯性化。學(xué)生親自參與設(shè)計(jì)、打印，這個(gè)過(guò)程就是積累具體經(jīng)驗(yàn)的過(guò)程，學(xué)生在打印之后進(jìn)行小組內(nèi)的互相觀察、討論，理解具體事物的抽象表現(xiàn)形式，在實(shí)踐中獲得學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，體驗(yàn)抽象和具體相互轉(zhuǎn)化的過(guò)程。

2.2 活動(dòng)理論

活動(dòng)理論認(rèn)為，人類(lèi)認(rèn)識(shí)的起點(diǎn)和心理發(fā)展的過(guò)程基于人的主體活動(dòng)，活動(dòng)是作為主體的人與外界環(huán)境交互作用的過(guò)程。活動(dòng)具有多種類(lèi)型和多種層次，對(duì)人的存在和發(fā)展有多種影響，因此在教育過(guò)程中應(yīng)該對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)活動(dòng)予以關(guān)注[3]。

活動(dòng)理論倡導(dǎo)教育關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)活動(dòng)。3D打印以任務(wù)為驅(qū)動(dòng)，以解決問(wèn)題為目標(biāo)，以學(xué)生為主體；在設(shè)計(jì)和打印過(guò)程中，與機(jī)器進(jìn)行交互，與學(xué)生進(jìn)行交流，通過(guò)這種活動(dòng)的完成促進(jìn)學(xué)生智能的發(fā)展。

3 3D打印技術(shù)在教育中應(yīng)用的作用

3.1 培養(yǎng)空間想象力，為后續(xù)立體知識(shí)學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)

從最初的平面設(shè)計(jì)到三維空間設(shè)計(jì)，學(xué)生的立體感增強(qiáng)，空間想象力更豐富，為將來(lái)學(xué)習(xí)立體幾何等知識(shí)打下良好基礎(chǔ)。學(xué)生通過(guò)3D設(shè)計(jì)和打印,將自己獨(dú)特的想法轉(zhuǎn)換為現(xiàn)實(shí)的存在，獲得更大的學(xué)習(xí)參與感和成就感。

3.2 培養(yǎng)實(shí)踐能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力

從最初設(shè)計(jì)到最終打印，學(xué)生需要全程參與。在一些小組合作學(xué)習(xí)項(xiàng)目上，學(xué)生通過(guò)組內(nèi)互相討論交流，形成設(shè)計(jì)初稿，經(jīng)過(guò)逐步商討修改，最終完成學(xué)習(xí)任務(wù)。這一過(guò)程將明顯提高學(xué)生的實(shí)踐操作能力和與同伴溝通交流的能力。

3.3 培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力

在實(shí)踐活動(dòng)過(guò)程中，利用3D打印等先進(jìn)信息技術(shù)，將學(xué)生具有創(chuàng)造性價(jià)值的個(gè)性化想法變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。這種學(xué)習(xí)體驗(yàn)將大大地促進(jìn)學(xué)生想象力的發(fā)展，使思維能力和創(chuàng)新能力逐步得到提升，對(duì)國(guó)家創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)具有積極的意義。

4 3D打印與中小學(xué)課程的有機(jī)結(jié)合

中小學(xué)校應(yīng)通過(guò)開(kāi)設(shè)選修課或者社團(tuán)活動(dòng)來(lái)普及3D打印技術(shù)。在課堂上簡(jiǎn)要介紹3D打印技術(shù)及軟件基本操作，選擇一些適合學(xué)生并且和其他課程息息相關(guān)的模型進(jìn)行講解，在學(xué)生已有知識(shí)的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)創(chuàng)作，對(duì)知識(shí)進(jìn)行重新梳理。

4.1 理科學(xué)科

理科主要包括數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)和生物等學(xué)科。數(shù)學(xué)學(xué)科中涉及立體幾何部分，教師可以設(shè)計(jì)特殊的幾何型體并打印出來(lái)，幫助學(xué)生理解三維空間幾何結(jié)構(gòu)。數(shù)學(xué)函數(shù)部分可以讓學(xué)生利用軟件進(jìn)行描述建模，將藝術(shù)的美感與數(shù)學(xué)充分結(jié)合，同時(shí)引發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。在物理課堂中可以打印不常見(jiàn)的實(shí)驗(yàn)器材，這樣能夠避免沒(méi)有器材演示時(shí)的枯燥講解。生物知識(shí)課堂上，可以讓學(xué)生自己搭建DNA螺旋模型，深刻體會(huì)螺旋模型的結(jié)構(gòu)含義。講解到人體器官時(shí)，還可以通過(guò)3D打印還原身體各器官的組織結(jié)構(gòu)，幫助學(xué)生從細(xì)節(jié)上進(jìn)行觀察和理解。科學(xué)學(xué)科主要包括物理、生物等學(xué)科的綜合內(nèi)容，涉及比較初級(jí)的各科基礎(chǔ)知識(shí)。比如科學(xué)實(shí)驗(yàn)中可能會(huì)用到一些特殊形狀的容器，教師可以提前設(shè)計(jì)打印用作實(shí)驗(yàn)器材。教師還可以帶領(lǐng)學(xué)生查找網(wǎng)絡(luò)已有的3D建模素材源文件，讓學(xué)生跟隨教師一同參與打印過(guò)程。學(xué)生通過(guò)觀摩與協(xié)助教師構(gòu)建打印模型，在科學(xué)課學(xué)習(xí)中營(yíng)造體驗(yàn)式的學(xué)習(xí)空間，獲得更加直接的學(xué)習(xí)體驗(yàn)[4]。

4.2 文科學(xué)科

在英語(yǔ)學(xué)科教學(xué)中，可將涉及異國(guó)他鄉(xiāng)的代表性建筑物等打印出來(lái)，讓學(xué)生通過(guò)觀察比較建筑的不同風(fēng)格來(lái)深刻理解異國(guó)文化。在歷史學(xué)科教學(xué)中，用3D打印機(jī)重現(xiàn)有考古意義的古代器物,幫助學(xué)生理解歷史真相。在地理學(xué)科教學(xué)中，重現(xiàn)被地震破壞的山形地貌，讓學(xué)生更直觀地分析地形及該區(qū)域的地理特點(diǎn)及人文知識(shí)。

4.3 美術(shù)、信息技術(shù)等學(xué)科

美術(shù)素描課中需要一些特殊形狀的幾何型體，教師自己設(shè)計(jì)打印，讓學(xué)生接觸更多類(lèi)型的幾何模型，提高設(shè)計(jì)的創(chuàng)新性。信息技術(shù)學(xué)科教師安排學(xué)生根據(jù)想象設(shè)計(jì)搭建生活中不常見(jiàn)的模型，也可以對(duì)現(xiàn)實(shí)生活中的形象進(jìn)行個(gè)性再創(chuàng)造。這一過(guò)程充分鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手設(shè)計(jì)能力，反復(fù)修改設(shè)計(jì)文件后進(jìn)行作品打印，最后進(jìn)行小組或班級(jí)展示，極大地提高學(xué)生的設(shè)計(jì)創(chuàng)造能力和自我滿足感。

5 3D打印應(yīng)用于教育的建議

未來(lái)幾年，國(guó)內(nèi)基礎(chǔ)教育甚至高等教育都會(huì)出現(xiàn)對(duì)3D打印技術(shù)的需求。3D打印應(yīng)用于教育需要加強(qiáng)以下幾方面的內(nèi)容。

5.1 高等學(xué)校有針對(duì)性地開(kāi)設(shè)相關(guān)課程

3D打印剛剛起步，大學(xué)里設(shè)置該課程的專業(yè)還很少，從事中小學(xué)3D打印的教師基本上都是原來(lái)的信息技術(shù)教師或者通用技術(shù)教師。從3D目前的發(fā)展形勢(shì)看，急需各高校開(kāi)設(shè)3D打印相關(guān)課程，以便逐步為中小學(xué)輸送更專業(yè)的人才。

5.2 開(kāi)展師資進(jìn)修培訓(xùn)

建議初步開(kāi)展3D打印的學(xué)校組織教師到3D打印技術(shù)發(fā)展較好的學(xué)校或企業(yè)去觀摩學(xué)習(xí)，借鑒其優(yōu)秀的發(fā)展成果和相關(guān)技術(shù)。聘請(qǐng)相關(guān)專家或有經(jīng)驗(yàn)的教師開(kāi)展集中培訓(xùn)，使現(xiàn)有師資能力得到快速提升。

5.3 獲得管理層和企業(yè)的支持

3D打印機(jī)和打印材料比較昂貴，讓學(xué)校管理層認(rèn)可這種教學(xué)方式需要一個(gè)過(guò)程。也可以關(guān)注與企業(yè)的聯(lián)合，吸引部分企業(yè)將資金投入教學(xué)中。

6 結(jié)語(yǔ)

隨著國(guó)家支持力度的不斷加大，3D打印技術(shù)和材料技術(shù)不斷進(jìn)步，也更加精密化和便捷化。未來(lái)將會(huì)有更多的教育工作者投入到3D打印應(yīng)用于教育工作的研究中。在教育發(fā)展過(guò)程中，教師要及時(shí)把握新技術(shù)帶來(lái)的積極作用，使其與教育緊密結(jié)合，豐富課堂教學(xué)模式，不斷推動(dòng)教育信息化。