3D打印技術支持下的創新教學生態與教學范式研究

陳勇

（浙江工業大學 教育科學與技術學院，浙江 杭州 310023）

一、起源與進程：3D打印技術向教育滲透

自2005 年桌面級3D 打印機誕生以來[1]，3D 打印技術開始向通用化、日常化、精密化、智能化、多樣化和產業化發展，并在教育領域中發揮著越來越大的影響力。米歇爾·艾森伯格（Michael Eisenberg）提出3D 打印技術的歷史增長模式在許多方面都與20 世紀70 年代末的家用計算機相似，并預測3D 打印技術會像計算機一樣在教育領域中得到普及，繼而重新定義“教與學”的內涵，引發一場全新的教育革命[2]。

物化設備是技術最明顯的表征，并最先進入到人們的視野中[3]。3D 打印機（尤其是桌面級3D 打印機）作為3D 打印技術的物質載體，憑借低價格、多功能、易操作等特點已經在小學[4]、初中[5]、高中[6]、大學[7]的課堂中得到了廣泛的應用。然而正如海德格爾所強調的那樣：技術并非是純粹的手段與工具，而應該被視作一種解蔽的方式。因此，3D 打印技術發揮其工具屬性并向教育領域滲透的過程中，其技術要素與教學要素之間展開了深刻的互動[8]。這種互動的結果表現為：一方面，3D 打印技術推動了教學生態的重塑，重新定義了教與學的內涵。另一方面，教育應用對3D 打印技術提出了新的要求，促進3D 打印技術的教育化發展。因此，在開展“3D打印+教學”實踐與研究的過程中，不能將3D 打印技術簡單地等同于3D 打印機，而應該從技術特征、教學方式、教學目的、學習內容等多個維度，系統地對3D 打印技術支持下的教學生態進行剖析與掌握，構建全新的教學范式，推動“3D 打印+教學”的發展。

二、開拓與超越：3D 打印技術支持下的創新教學生態

教學生態主要研究教學活動的主體與教學環境之間的互動關系。其基本特征表現為整體性、和諧性與平衡性。3D 打印技術支持下的教學生態具有打印抽象概念，制造個性化的可觸資源；突破學科壁壘，構建模塊化的教學內容；根植真實項目，實現“做中學”的教學方式；改善師生交互，達到個性化的學習目的等特征。

（一）打印抽象概念，制造個性化的可觸資源

3D 打印技術具有快速原型和個性化生產的潛力。利用3D 打印技術將抽象概念或二維圖像轉化為實體教具，能夠充分調動學生的視覺、觸覺，并幫助學生直觀地感受概念（如比率、分數[9]與體積[10]），原理（如能量與轉速[11]）和結構，以此加深對知識的理解。利用3D 打印技術開發教學工具具有普遍適用性，尤其體現在解剖學的教學過程中。教師常常借助3D 打印技術向學生展示一些不容易在尸體上看到的，并且難以想象的人體內部結構[12]，以此提高醫學生理解復雜結構的可能。現如今，3D 打印技術已經成為醫學生理解病理和臨床問題的基本工具[13]。

具身認知理論認為：思維與判斷不僅僅是對于抽象表征的加工與操作，更是根植于承載概念、理論實體的活動之上。教師傳授知識內容之前，應該先讓學習者直接體驗某一現象[14]。教具在溝通概念與實體、抽象與具象之間發揮了重要的作用。3D 打印技術能夠制造個性化的可觸資源，其優勢在于：首先，3D 打印技術豐富了教具的類型。隨著3D 打印技術的發展，網絡3D 模型資源日益繁榮，并易為教師獲取。邁克爾（Michael Groenendyk）對當前世界范圍內最常用33 個3D 模型資源網站進行了統計，包括Thingiverse、3DModel Free 等，發現在這些網站中，有約75%的3D 模型是免費提供的，并且多數可用于教育教學[15]。其次，3D 打印技術能夠實現高復雜度、高精度的教具制造。傳統自制教具多用板材和塊材，以手工鋸割或激光切割方式制作。這樣制作的作品造型單一，多為面塊結構，對于空間造型較復雜的曲面和重細節的教具則無法呈現。使用3D 打印技術能夠消除傳統制造工藝的幾何約束，實現復雜、精密的產品制作。再次，3D 打印技術能夠滿足教學資源的個性化需求。教師可以根據教學內容以及學生的反饋進行教具的制造，使用3D 打印技術能夠以最低的成本滿足個性化教具生產的實現。利用3D 打印進行教具制造已經在眾多學科中變為可能。

（二）突破學科壁壘，構建模塊化的教學內容

3D 打印技術融數字技術、制造技術、信息技術等于一體，在教學應用中能夠嫁接不同學科的知識與技能，包括新興學科如無人機、機器人等；傳統學科如汽車工程、機械工程等，實現跨學科的創新人才培養。切爾西·舍利（Chelsea Schelly）認為，STEM 教學的成本高于傳統教學成本，使用3D 打印能夠減輕由于教具的更新需要所帶來的經濟壓力，以此支持跨學科的教學實踐[16]。格倫·布爾（Glen Bull）在實踐經驗的基礎上提出3D 打印技術有助于實現不同學科之間的溝通與聯動，并基于3D 打印技術開發了集合物理、技術、工程、歷史的跨學科課程，讓學生在工程課上使用3D 打印技術發明和設計的工具能夠在科學實驗課上進行應用，以此實現更加廣泛概念上的跨學科教學[17]。在日本文部科學省進行的一項3D 打印教學實踐中（如圖1 所示）也充分發揮了3D打印技術的這項優勢。學生可以使用CAD（計算機輔助軟件）和3D 打印機自主設計、制造不同尺寸的警笛，并通過測量警笛的頻率，以及建立警笛尺寸、頻率與音調三者之間的函數關系了解警笛發聲的科學原理。最后教師組織學生吹響不同頻率的警笛，共同演奏，以此將藝術教育納入到整個項目中。這項教學實踐的特點在于：1.利用開源3D 模型，彌補學生的軟件技能障礙。學生只需要通過幾個簡單的操作就能夠對警笛模型進行修改，打印。2.趣味性強，教師并不直接向學生傳授知識。相反，教師鼓勵學生自主探索，掌握警笛的發聲原理。學生在課程中逐漸掌握利用3D 打印技術解決問題的思維與方法。3.多學科融合。將科學、技術、工程、數學、藝術巧妙地融合到一個小小的警笛之上，以此培養學生的辯證思維以及綜合素質。當前，簡易的數字建模軟件已經成為中小學“3D 打印+教學”過程中的必備工具，包括Open SCAD、Google 的SketchUp 以及AutoCAD的123D Design。學生在使用這些簡易的數字建模軟件之前無須掌握完整的3D 建模知識，便可以通過操縱整個零件的參數變量對模型進行簡單的修改。以此完成模型的修改與定制。

（三）根植真實項目，實現“做中學”的教學方式

“3D 打印+教學”多以項目的形式展開。基于項目的學習是以學科的概念和原理為中心，以制作作品、將作品推銷給客戶為目的，在真實世界中借助多種資源開展探究活動，并在一定時間內解決一系列相關聯著的問題的一種新型的探究性學習模式[18]。項目式學習的核心理念是，學生在項目活動中學習、應用知識。現實世界中一系列的問題會激發學生的興趣，并促進他們認真思考。教師在其中扮演著促進者的角色，與學生共同構建有價值的問題、組織有意義的活動，指導知識的獲取與應用，促進社交技能的發展，并仔細評估學生在經驗中的收獲。項目式學習更加注重對學生情感、態度、社會等非認知因素的開發，強調學生解決問題、團隊合作、創新思維的培養。包括激發學生的興趣與求知欲、驅動性問題、支持性資源、合作與溝通、批判性思維、反饋與修改等基本特征[19]。“3D 打印+教學”常常以項目的形式展開。通過嫁接多元學科，創設真實的問題情境，讓學生親歷需求的產生、模型的設動計、實物打印、評估與改進等一系列活過程，在自主探究或合作學習中，重新構建知識，并掌握運用3D 打印技術解決實際問題的方法[20]。因此“3D 打印+教學”被視為開展項目式學習的有效載體。臺灣師范大學向高中生提供的3D 打印課程以CO2賽車制造為具體項目。課程內容主要包括：CO2賽車的動力原理（如質量、力、加速度、空氣力學、牛頓第三定律等）；CO2賽車的內部單元及組裝；3D 打印技術的了解及操作；CO2賽車模型的建立、修改、完善及評估；CO2賽車的制造及比賽。在該項教學實踐中，學生依托3D 打印技術，將加速度與空氣力學等知識應用到賽車的設計及制造的過程中，借助賽車比賽、小組討論以及優秀賽車共性總結等方式，學生對相關概念有了更深刻的理解，并迭代到新一輪的設計中。以螺旋上升的方式實現CO2賽車性能的最優化（如圖2 所示）。

（四）改善師生交互，達到個性化的學習目的

相較于客觀主義，建構主義認為學習的過程是一個清楚明確學習目的、不斷反思，吐故納新的過程，要求學習者能清晰地闡述他們的學習行為，所做的決定、使用的策略以及他們所發現的答案，并由此獲得更多的理解，促進將所建構的知識運用到新的情境中去。3D 打印技術最初應用于設計師和建筑師的設計迭代中，他們借助3D 打印技術將自己的創意轉變為實體，以此檢驗設計在美學或是功能上的不足。其強大的原型制造的功能，能夠將迭代過程中的設計與創意轉化為物理實體，以此支持和完善設計[21]。3D 打印的這項優勢同樣能夠應用于教學當中。并改變“教與學”兩個主體的關系[22]，真正將學生置于“教與學”的中心。3D打印技術與其他顛覆性技術共同突破了一直以來的教育模式困境，是實施“項目式學習”“個性化學習”“跨學科學習”“協作式學習”“體驗式學習”的良好載體。“3D打印+教學”基于虛實結合的教育創新應用平臺，改變了傳統的師生交互方式，實現了個性化學習。在希臘約阿尼納兩所高中[23]展開3D 打印教學實驗中（如圖3所示），3D 打印技術成為自主學習的有效手段。教學框架大致可分為四步。第一步，通過講座與視頻向學生介紹3D 打印技術，并且利用小組實驗、分享交流等方式讓學生明白團隊的重要性。第二步，讓學生通過自主學習的方式來使用計算機輔助軟件完成設計，包括學習軟件、成立小組、形成產品概念這三個階段。第三步，讓學生在“打印—發現缺陷—調整”這個循環中不斷嘗試，從而實現產品的優化。在此過程中學生可以獲得操作3D 打印機的實際經驗。最后一步是產品的展示與報告，報告內容涵蓋產品的設計理念以及經濟性能等。該教學項目基于建構主義的學習理論，學生在探索的過程中學習。教師向學生提供自主學習的條件：簡易化的三維建模軟件（基于瀏覽器的軟件）以及教學視頻。在此過程中，80%的學生都是按照試誤的方式而非通過觀看教學視頻的方式進行學習。因此，“3D 打印+教學”作為一種全新的數字化教育，改變了學生與教師之間的關系，突破了傳統教學中教師灌輸，學生接受的課堂交互，促進了以學生為中心的教學方法。

三、探索與協調：3D打印技術支持下的教學范式

基于3D 打印技術支持下的創新教學生態，借鑒國內外諸多“3D 打印+教學”經驗，構建以3D 打印技術為基礎的“四步法”教學范式。

（一）接觸3D打印：觀察學習

教師向學生示范如何將創意、概念通過3D 打印技術轉化為可視實體。主要內容包括數字建模、切片軟件對模型進行數字轉化、設置數字模型的參數以及3D 打印機的操作過程。在此階段中，打印項目應以強調趣味性，以此提高學生的興趣，培養學生的學習動機。為了克服3D 打印機吞吐較慢的缺陷，在打印過程中，教師對項目所包含的知識點進行講解。如選擇風車打印作為具體項目，教師可以在打印的過程中向學生解釋風車的發電原理，包括轉速、傳動、電機等知識點。

（二）嘗試3D打印：打印初探

學生通過一系列的實操嘗試，掌握了3D 打印機的基本操作流程。利用小組合作的學習方式使同學之間能夠互相幫助完成任務。教師應該選擇簡單的項目——如水杯、戒指等，保證學生在初次成功打印的可行性。教師也可以邀請高年級的學生作為導師，從旁協助。在這一階段的學習之后，學生能夠將3D 打印機作為概念實體化的工具，并應用在以后的學習中。

（三）探索3D打印：打印測試

通過“打印測試—發現缺陷—解決問題—完善產品”的學習步驟，學生以一種螺旋上升的方式逐漸完善3D 打印技術的應用以及對打印產品的優化。在此階段，教師應該選擇具有復雜結構的挑戰性項目，如動物、地球模型等。對于這些項目的打印需要學生能夠協調不同參數、以此實現產品精確度、分辨率、表面光潔度、打印速度之間的平衡。使用3D 打印技術是一項繁雜的任務，有許多可能會導致失敗的陷阱。因此將打印測試作為一種常規的過程，可以幫助學生接受打印過程中的失敗，樹立信心，并且突破對硬件使用的障礙。

（四）應用3D打印：自主設計

學生在掌握了3D 打印技術之后，能夠通過小組協作的方式完成從創意、設計，到產品的所有工作。教師選擇的項目應該具體，如賽車、無人機、機器人等。通過模塊化的方式指導學生打印，在項目介紹中向學生明確其中的科學概念與原理。教師需要對學生的設計方案進行評價，并且要求學生在模型設計的時候同時考慮產品的性能以及3D 打印技術的局限，否則很有可能會導致打印失敗。如：對于孔的公差考慮。

上述教學設計以一種螺旋上升的方式幫助學生接觸、嘗試、探索、應用3D 打印技術，能夠在一定程度上彌補學生3D 建模能力薄弱、能力水平參差、3D 打印機吞吐緩慢、新興技術教學困難、傳統教授式課程乏味等問題，真正做到以學生為中心的教學互動。同時將其他學科的內容根植于此范式中，并以小組合作、同伴互助、體驗學習、教師引導的方式，促進學生對學科知識的理解，對技術內涵的把握，提升解決復雜問題的能力。

四、總結與展望

在近30 年的發展中，“3D 打印+教學”的實踐在不同國家和地區、不同階段、不同學科中展開。這些實踐基于不同的角度，如STEM 教育、創客教育、項目式教育、啟發式教育、模塊化教育、定制化教育等，證實了3D 打印技術在教育領域的時代價值。然而，3D 打印技術向教育領域的滲透還是一個“正在進行時”。依然有不少教育工作者在3D 打印技術與3D 打印機之間畫上了等號，并將3D 打印技術視為簡單的“教具制造機器”。

本文從3D 打印技術本身出發，通過研究世界范圍內成功的“3D 打印+教學”實踐，以技術要素與教學要素互動的視角，發現在3D 打印技術支持下的創新教學生態具有打印抽象概念，制造個性化的可觸資源；突破學科壁壘，構建模塊化的教學內容；根植真實項目，實現“做中學”的教學方式；改善師生交互，達到個性化的學習目的等特征。并在此基礎上構建以3D 打印技術為基礎的“四步法”教學范式。本文拋磚引玉，望能引起其他教育工作者對3D 打印技術的興趣，并展開相關的理論與實踐研究，豐富3D 打印技術支持下的教育內涵，完善以3D 打印技術為平臺的教學范式，充分發揮3D 打印技術的教育價值。