第一篇：3D打印技術(shù)在中小學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

3D打印技術(shù)在中小學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

——以英國中小學(xué)課堂引進3D打印技術(shù)項目為例

作者簡介：李柯影，東北師范大學(xué)計算機科學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院碩士研究生，研究方向為現(xiàn)代遠程教育，Email:liky086＠nenu.edu.com；鄭燕林，東北師范大學(xué)計算機科學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院（吉林 長春 130117）。

內(nèi)容提要：3D打印技術(shù)基于“設(shè)計即生產(chǎn)”的基本理念，通過支持學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的深度體驗與參與發(fā)展學(xué)生的創(chuàng)造性思維和跨學(xué)科思維，同時也有助于提升學(xué)生的實踐能力。該文主要分析英國中小學(xué)在學(xué)科教學(xué)中引入3D打印技術(shù)的目標指向、應(yīng)用方式，并分析影響3D打印技術(shù)在學(xué)科教學(xué)中有效應(yīng)用的相關(guān)因素，為探索教師在學(xué)科教學(xué)中適當應(yīng)用3D打印技術(shù)提供參考。

關(guān) 鍵 詞：英國 3D打印技術(shù) 學(xué)科教學(xué) 創(chuàng)新設(shè)計 體驗式學(xué)習(xí)

3D打印技術(shù)以計算機輔助設(shè)計(CAD)軟件生成的或通過實體掃描設(shè)備掃描實物所獲得的數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過“積層造型法”逐層打印材料層創(chuàng)建物體，主要用于原型設(shè)計以及組件或產(chǎn)品的制造[1][2]。3D打印技術(shù)實現(xiàn)了“設(shè)計即生產(chǎn)”的創(chuàng)想，具有快速生成的特點，不但能夠?qū)崿F(xiàn)從零件設(shè)計到整體設(shè)計的跨越，而且所“打印”的產(chǎn)品，較之傳統(tǒng)方法所生產(chǎn)的產(chǎn)品具有更強的穩(wěn)固性、更精密的結(jié)構(gòu)，支持更有創(chuàng)意的設(shè)計與生成，因此近年來在機械制造、生物醫(yī)藥、建筑設(shè)計、藝術(shù)創(chuàng)造等多個領(lǐng)域受到越來越多的關(guān)注[3]。

雖然3D打印技術(shù)在上述多個領(lǐng)域的應(yīng)用受到關(guān)注，但目前針對3D打印技術(shù)在基礎(chǔ)教育領(lǐng)域深入應(yīng)用的系統(tǒng)研究相對較少。英國教育部及相關(guān)組織機構(gòu)于2012-2013年實施了為期一年的探究3D打印技術(shù)在學(xué)科教學(xué)創(chuàng)新中的應(yīng)用，該項目不僅取得了實質(zhì)性教學(xué)應(yīng)用成果，而且推動了3D打印技術(shù)在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用，為更多學(xué)校引進3D打印技術(shù)，變革教與學(xué)的模式起到示范與引領(lǐng)作用。本文結(jié)合英國3D打印技術(shù)教學(xué)應(yīng)用案例，深入分析3D打印技術(shù)在英國中小學(xué)教學(xué)中應(yīng)用的目標指向、應(yīng)用效果及影響因素，探究3D打印技術(shù)在教學(xué)應(yīng)用推廣時需要注意的問題，希望為學(xué)校教育引入3D打印技術(shù)提供一定的參考。

一、3D打印技術(shù)在英國中小學(xué)教學(xué)中應(yīng)用的目標指向

1.指向提升學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維

基于對3D打印技術(shù)本身特性的把握，發(fā)現(xiàn)該技術(shù)可以作為動力激發(fā)工具和支持創(chuàng)新設(shè)計的技術(shù)工具應(yīng)用到教學(xué)活動中，促進學(xué)生學(xué)習(xí)主動性的提高和學(xué)生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。

一方面，3D打印技術(shù)本身的功能特性以及對學(xué)習(xí)活動的支持作用決定了其作為技術(shù)支持工具對提升學(xué)生學(xué)習(xí)主動性有積極影響。首先，3D打印技術(shù)作為一種新型技術(shù)，其新穎性更加容易引起學(xué)生參與基于該技術(shù)的學(xué)習(xí)活動的好奇心和興趣，激發(fā)他們主動參與學(xué)習(xí)活動的動機。其次，3D打印技術(shù)的獨特功能——快速打印模型或?qū)嵨铮С植⒓顚W(xué)生主動參與打印活動。學(xué)生可以利用3D打印機將自己的創(chuàng)新設(shè)計或想法以可視化方式呈現(xiàn)給教師和其他學(xué)習(xí)者，由此獲得的成就感，不僅會促使學(xué)生更加積極主動地參與學(xué)習(xí)活動，而且會激勵他們主動參與創(chuàng)新設(shè)計。第三，3D打印技術(shù)支持的學(xué)習(xí)活動有助于體現(xiàn)學(xué)生作為學(xué)習(xí)活動主體主動參與學(xué)習(xí)的重要性和價值，進而促進學(xué)生主動參與學(xué)習(xí)活動?；?D打印技術(shù)的學(xué)習(xí)任務(wù)，需要學(xué)生主動分析打印任務(wù)、參與計劃與決策、參與創(chuàng)新設(shè)計原型，這種主體意識和被需要的感覺讓學(xué)生意識到自己在學(xué)習(xí)過程中的重要性和價值，促使學(xué)生更加主動地參與到打印活動中。

另一方面，為保證學(xué)生主動參與并有效進行學(xué)習(xí)活動，英國教育研究者認為在3D打印技術(shù)快速打印實物功能的支持下，學(xué)生可以將時間和精力集中在創(chuàng)新設(shè)計環(huán)節(jié)，有助于創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。創(chuàng)新啟于格物致知，創(chuàng)新思維啟于透徹地分析打印任務(wù)和豐富的實踐經(jīng)驗，是進行創(chuàng)新設(shè)計、打印出創(chuàng)新性個性化作品的基礎(chǔ)和源泉。學(xué)生通過主動參與創(chuàng)新設(shè)計、全面細致地分析打印任務(wù)，充分發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力，最終打印出個性化的作品。

2.指向探索新的教學(xué)方法

英國3D打印技術(shù)在學(xué)科教學(xué)中的應(yīng)用項目是在“人類可以通過制造和分享過程產(chǎn)生學(xué)習(xí)”理念指導(dǎo)下開展的學(xué)科教學(xué)創(chuàng)新探索項目[4]。該理念的核心是“制造”和“分享”，強調(diào)在真實情境中通過體驗式學(xué)習(xí)與探究式學(xué)習(xí)是獲得知識并實現(xiàn)學(xué)以致用的有效方式。所以，教師借助3D打印技術(shù)可以為學(xué)生創(chuàng)建“體驗式學(xué)習(xí)中心”，這同時也是一個知識運用空間，學(xué)生需要主動參與到真實的實踐活動中，并通過親自動手操作獲得直接的學(xué)習(xí)體驗，提高解決問題的知識與技能水平。在3D打印技術(shù)支持下的體驗式學(xué)習(xí)中心從學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)方式上都有所突破。

“體驗式學(xué)習(xí)中心”的學(xué)習(xí)內(nèi)容可以是一個專題的探究學(xué)習(xí)，也可以是單一知識或問題的學(xué)習(xí)與探究，還可以僅是一個創(chuàng)意的實現(xiàn)，甚至是這三者的交叉融合。在專題探究學(xué)習(xí)活動中，教師需要給學(xué)生提供一個主題及其設(shè)計綱要，并期望學(xué)生能對該設(shè)計做出自己的選擇，主動地進行學(xué)習(xí)和探究。學(xué)生在專注于研究主題的同時，會自然地將3D打印機作為學(xué)習(xí)或探究內(nèi)容的一部分。針對后兩種學(xué)習(xí)內(nèi)容，學(xué)生可以利用3D打印機將一個想法變成現(xiàn)實，將一個知識或問題以可視的打印作品呈現(xiàn)，有助于個性化和創(chuàng)新思維的發(fā)展。例如，沃特福德男子文法學(xué)校(Watford Grammar School for Boys)的學(xué)生打印出各種代數(shù)方程的3D圖形[5]。

“體驗式學(xué)習(xí)中心”的學(xué)習(xí)方式可以是協(xié)作學(xué)習(xí)，也可以是自主學(xué)習(xí)，前者是實現(xiàn)“共享”理念的有效方式，而后者在實踐中已經(jīng)證實了3D打印技術(shù)對學(xué)生個性化學(xué)習(xí)起著重要的支持作用。在2012-2013年英國3D打印技術(shù)走進校園項目研究中發(fā)現(xiàn)：基于3D打印技術(shù)的自主學(xué)習(xí)能改善學(xué)習(xí)效果并伴隨產(chǎn)生其他更廣泛的利益。例如在物理和數(shù)學(xué)學(xué)科教學(xué)中，教師非常希望能成功地使用打印機來促進學(xué)生思考、推理和理解學(xué)科教學(xué)知識，并且開展學(xué)生為主導(dǎo)的實驗。這種自主學(xué)習(xí)方式更大程度地將學(xué)習(xí)的主動權(quán)交付學(xué)生，讓學(xué)生在3D打印技術(shù)支持下進行自主學(xué)習(xí)，將知識學(xué)以致用。這種突破性的新教學(xué)方法，不僅有利于學(xué)生個性化發(fā)展，而且有助于學(xué)生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。

通過身臨其境地制造和分享所產(chǎn)生的學(xué)習(xí)行為，對學(xué)習(xí)或知識獲得具有實際效益，而且3D打印技術(shù)是為教師和學(xué)生提供體驗式學(xué)習(xí)機會、為學(xué)生創(chuàng)建知識運用空間的重要支撐技術(shù)。體驗式學(xué)習(xí)讓學(xué)生更容易理解知識的內(nèi)涵，在實踐中有效應(yīng)用知識是強化知識、體現(xiàn)知識的價值。這種新的教學(xué)方法，有利于促進學(xué)生主動參與學(xué)習(xí)與探究活動，培養(yǎng)學(xué)生的協(xié)作意識以及發(fā)展學(xué)生的創(chuàng)新思維和自主學(xué)習(xí)能力。、3D打印技術(shù)在英國中小學(xué)不同學(xué)科教學(xué)中的應(yīng)用

3D打印技術(shù)在英國中小學(xué)不同學(xué)科教學(xué)中的應(yīng)用，多角度展示3D打印技術(shù)在促進學(xué)科教與學(xué)的功能的優(yōu)勢和應(yīng)用方式，為優(yōu)化技術(shù)與學(xué)科知識的整合提供可借鑒的觀點與方法，為實現(xiàn)學(xué)科教學(xué)目標以及突破學(xué)科教學(xué)難點提供策略。筆者基于對3D打印技術(shù)功能性特點和學(xué)科教學(xué)目標、特點等的考慮，總結(jié)出3D打印技術(shù)在學(xué)科教學(xué)中應(yīng)用的分析框架(如圖1所示)。

1.在“科學(xué)”學(xué)科教學(xué)中的應(yīng)用

“科學(xué)”學(xué)科的教學(xué)內(nèi)容涉及生物、化學(xué)和物理三方面的知識，其教學(xué)目標是通過學(xué)習(xí)與探索生物、化學(xué)和物理的基礎(chǔ)知識，發(fā)展學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)、過程和方法的理解力，并通過不同形式的科學(xué)調(diào)查，幫助他們回答現(xiàn)實生活中的科學(xué)問題，提高科學(xué)素養(yǎng)[6]。

基于對3D打印技術(shù)功能特性與“科學(xué)”學(xué)科教學(xué)目標及特點的關(guān)聯(lián)與分析，發(fā)現(xiàn)該技術(shù)可以觀摩和協(xié)助探究兩種方式促進學(xué)科教學(xué)目標的實現(xiàn)。首先，3D打印技術(shù)支持學(xué)生通過觀摩教師利用3D打印機打印的模型來獲得相關(guān)知識內(nèi)容，有助于發(fā)展他們的觀察能力、分析能力以及理解力。比如“科學(xué)”學(xué)科教師可以利用3D打印機打印眼球模型，幫助學(xué)生理解有關(guān)眼球構(gòu)造、功能等知識。其次，3D打印技術(shù)支持學(xué)生在教師協(xié)助下主動構(gòu)建3D模型，并對相關(guān)知識進行深度學(xué)習(xí)，提升他們探究事物本質(zhì)、規(guī)律的能力。如“科學(xué)”學(xué)科教師可以組織學(xué)生在3D打印技術(shù)環(huán)境下討論塑料的性能，也可以利用3D打印機協(xié)助學(xué)生構(gòu)建分子、細胞甚至正弦波等模型[7]，學(xué)生在構(gòu)建過程中可以通過研究這些數(shù)字模型文件的數(shù)據(jù)信息進行深度學(xué)習(xí)與探究，最終獲得相關(guān)知識。當然，在項目中該學(xué)科的打印活動大部分依靠如Thingiverse等提供設(shè)計文件網(wǎng)站所共享的3D模型源數(shù)字文件。

3D打印技術(shù)通過提供觀摩與協(xié)助構(gòu)建這兩種技術(shù)使用方式，為學(xué)生在“科學(xué)”學(xué)科學(xué)習(xí)中營造體驗式的學(xué)習(xí)空間，促使學(xué)生獲得更加直接的學(xué)習(xí)體驗。學(xué)生通過主動進入該學(xué)習(xí)空間，獲取空間中所展示和隱藏的知識，探究事物本質(zhì)、過程和變化規(guī)律等，提高科學(xué)理解力、探究能力以及科學(xué)素養(yǎng)。觀摩與協(xié)助構(gòu)建體現(xiàn)了3D打印技術(shù)作為教學(xué)工具與學(xué)習(xí)工具應(yīng)用到“科學(xué)”學(xué)科教學(xué)中的功能優(yōu)勢，對拓展教學(xué)工具的廣度、挖掘教學(xué)工具深層內(nèi)涵有重要意義。

2.在“數(shù)學(xué)”學(xué)科教學(xué)中的應(yīng)用

中小學(xué)“數(shù)學(xué)”學(xué)科的培養(yǎng)目標是通過頻繁的計算、推理、演示等教學(xué)活動，促進學(xué)生對數(shù)學(xué)基本概念和原理的理解和應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生推理能力和問題解決能力[8]?！皵?shù)學(xué)”學(xué)科的教學(xué)難點是將抽象的數(shù)學(xué)概念或規(guī)律以簡單可視化方式呈現(xiàn)給學(xué)生，促進學(xué)生理解和掌握。

基于對3D打印技術(shù)功能特性與“數(shù)學(xué)”學(xué)科教學(xué)目標、特點及難點的關(guān)聯(lián)與分析，發(fā)現(xiàn)該技術(shù)可以通過演示和協(xié)同構(gòu)建兩種方式幫助突破數(shù)學(xué)學(xué)科教學(xué)難點，促進教學(xué)目標的實現(xiàn)。一方面，3D打印技術(shù)為教師演示數(shù)學(xué)抽象概念或規(guī)律形成過程提供技術(shù)支持。比如立體幾何中關(guān)于畢達哥拉斯定理(勾股定理)和三角法的教學(xué)，一般停留在平面演示、想象、計算、推理的層面，但在3D打印技術(shù)支持下，教師可以利用3D打印機輕松簡單地構(gòu)建立體幾何體，使該定理的推理演示過程更加直接地呈現(xiàn)給學(xué)生，促進學(xué)生從形象的實物和過程演示、推理中理解并掌握數(shù)學(xué)抽象概念和知識，而且有助于提升學(xué)生的立體空間感。另一方面，3D打印技術(shù)支持學(xué)生協(xié)同構(gòu)建或探究數(shù)學(xué)規(guī)律。例如，沃特福德男子文法學(xué)校(Watford Grammar School for Boys)六年級組教師和學(xué)生協(xié)同研究與拋射體速度、高度和距離相關(guān)的微積分[9]。首先，他們利用3D打印機產(chǎn)生一個支持內(nèi)部彈射器的聯(lián)結(jié)，然后再利用3D打印機為這個項目生產(chǎn)一系列的拋射體。在實驗中，學(xué)生可以通過立體多角度的觀察物體運動與變化規(guī)律，促進他們對微積分知識的深度理解和掌握。此外，該校學(xué)生還打印出各種代數(shù)方程的3D圖形，幫助理解代數(shù)方程的內(nèi)涵。

3D打印技術(shù)通過演示和協(xié)同構(gòu)建兩種技術(shù)使用方式，為學(xué)生理解和掌握數(shù)學(xué)抽象概念，探究數(shù)學(xué)規(guī)律提供了可靠的技術(shù)支持。同樣，教師可以借助3D打印機以立體簡易化方式呈現(xiàn)數(shù)學(xué)概念或規(guī)律，有助于提升學(xué)生對抽象知識的理解度和掌握度。演示與協(xié)同構(gòu)建體現(xiàn)了3D打印技術(shù)在“數(shù)學(xué)”學(xué)科教學(xué)中的應(yīng)用對拓展教學(xué)工具深度的意義。第一，在知識展示方面。以往的學(xué)習(xí)內(nèi)容大多基于二維平面進行展示，除非一些需要學(xué)生親自操作的實驗活動，否則都是依靠想象、理解或死記硬背的方式來獲取知識。利用3D打印技術(shù)可以將概念和知識立體化、具體化、可視化，幫助學(xué)生擺脫對抽象概念和知識的空想，促進他們?nèi)胬斫庵R并激發(fā)他們的求知欲。第二，在知識實踐方面，3D打印技術(shù)支持學(xué)生的創(chuàng)造活動，并能快速物化設(shè)計，既促進了學(xué)生主動參與學(xué)習(xí)活動，也有助于學(xué)生將理論知識與實踐相聯(lián)系。

3.在“設(shè)計與技術(shù)”學(xué)科教學(xué)中的應(yīng)用

“設(shè)計與技術(shù)”學(xué)科是一門具有啟發(fā)性、嚴謹性和實用性特點的學(xué)科，更是一門綜合性學(xué)科。該學(xué)科的教學(xué)培養(yǎng)目標是通過組織和引導(dǎo)學(xué)生使用創(chuàng)造力和想象力設(shè)計并制造出能夠解決各種情境下的現(xiàn)實及相關(guān)問題的產(chǎn)品，同時也考慮產(chǎn)品使用者的需求、愿望以及價值觀；通過支持學(xué)生獨立完成簡單的設(shè)計與制造工作，提升其參與“設(shè)計與技術(shù)”學(xué)習(xí)活動的自信心，促進創(chuàng)造性專業(yè)技能的獲得；通過批判、評估和測試他們的想法或產(chǎn)品，理解和應(yīng)用相關(guān)項目學(xué)習(xí)事項、技能和流程[10]。

基于對3D打印技術(shù)功能特性和“設(shè)計與技術(shù)”學(xué)科教學(xué)目標和特點的關(guān)聯(lián)與分析，發(fā)現(xiàn)該技術(shù)可以通過創(chuàng)造與設(shè)計促進教學(xué)目標的實現(xiàn)以及跨學(xué)科知識的融會貫通。第一，3D打印技術(shù)為教師和學(xué)生發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力等創(chuàng)造性活動提供便捷性的技術(shù)支持。師生利用CAD等計算機輔助設(shè)計軟件充分發(fā)揮想象、聯(lián)想能力設(shè)計出3D立體數(shù)字模型，再使用3D打印機將模型實體化。第二，該技術(shù)為師生制造實用性產(chǎn)品提供技術(shù)保證。由于該學(xué)科特別注重產(chǎn)品的實用性，所以3D打印技術(shù)支持的教學(xué)活動不僅需要學(xué)生系統(tǒng)地考慮、細致地分析打印任務(wù)，并通過迭代完善工作創(chuàng)造出實用性強且質(zhì)優(yōu)的產(chǎn)品，而且要盡量節(jié)省生產(chǎn)原材料、保證高精度和高堅固性，為實際實施提供質(zhì)量保障。比如在橋梁工程學(xué)教學(xué)中，學(xué)生可以利用3D打印機打印出橋梁模型，通過力學(xué)測試來及時發(fā)現(xiàn)并改進橋梁穩(wěn)固性、規(guī)模等問題，為實際施工做足準備。第三，該技術(shù)為跨學(xué)科知識的綜合運用提供橋梁。例如在Cramlington學(xué)習(xí)村莊[11]，學(xué)生在學(xué)習(xí)工程課程時，除了需要學(xué)習(xí)生產(chǎn)技能相關(guān)知識外，還包括物理、數(shù)學(xué)等方面的知識。比如學(xué)生在創(chuàng)造和生產(chǎn)椅子的過程中，首先需要考慮椅子的平衡性，防止打印過程中出現(xiàn)斜倒、扭曲的狀況；其次要考慮椅子的承重力，防止先打印出來的部分被后打印的部分壓擠變形；最后還需通過成本評估確保物有所值?？梢钥闯鲞@個過程不僅涉及有關(guān)生產(chǎn)過程的技術(shù)知識，而且涉及有關(guān)于椅子的穩(wěn)定性、承受力以及平衡性等物理知識，還涉及用三角法來計算椅子的后視角、用軟件繪制坐標等數(shù)學(xué)和軟件操作知識。

3D打印技術(shù)通過創(chuàng)造與設(shè)計這兩種技術(shù)使用方式為學(xué)生獲得并應(yīng)用知識提供可靠、便捷的技術(shù)支持，實踐了“設(shè)計是重點，生產(chǎn)不是問題”的新思想，在提升學(xué)生分析、設(shè)計、評估、實踐和創(chuàng)造能力,促進學(xué)生的分析性思維與創(chuàng)新性思維以及系統(tǒng)思維發(fā)展,提高現(xiàn)實中建造高質(zhì)量的工程提供保障,并切實地實現(xiàn)了利用技術(shù)輔助工程設(shè)計等方面有重要實際意義。而且就如溫莎男子學(xué)校(The Windsor Boys' School)的DT負責人[12]認為，熟悉3D打印設(shè)計流程(計劃、設(shè)計、制造和評估)的學(xué)生能夠利用3D打印機來縮短“制造”階段的時間，使打印機在“打印”產(chǎn)品時更快。這意味著學(xué)生可以將更多的時間和精力分配到產(chǎn)品的“設(shè)計”上，發(fā)展他們的創(chuàng)新思維。此外，目標指向中提到的“體驗式學(xué)習(xí)中心”，更多地發(fā)生在“設(shè)計與技術(shù)”學(xué)科教學(xué)過程中。

三、影響3D打印技術(shù)在英國中小學(xué)教學(xué)中應(yīng)用的因素分析

通過對2012-2013年英國開展的3D打印技術(shù)進入學(xué)科教學(xué)項目的分析，總結(jié)出成功背后的影響因素有以下幾個：

1.教師對3D打印技術(shù)的教學(xué)應(yīng)用持積極的態(tài)度

正如許多參與項目的老師說，他們只花幾個月的時間就能足夠熟練地使用打印機和相關(guān)軟件，并且能在教學(xué)中成功而自信地使用。在實踐教學(xué)中表明，自信的教師在使用3D打印技術(shù)時要比那些相對孤立且不能堅持解決委托或獲得持續(xù)支持的教師更得心應(yīng)手，因為他們有著對主題探究的熱情和敢于實驗與創(chuàng)新的膽量。正所謂“心之所向，身之所往”。當教師憧憬并相信3D打印技術(shù)具有促進教與學(xué)的潛能，便會致力于技術(shù)與教學(xué)的有效整合，探究創(chuàng)新教學(xué)方法，最終獲得成功的經(jīng)驗和有效的技術(shù)應(yīng)用策略。

2.教師與教學(xué)支持人員的通力協(xié)作

英國3D打印技術(shù)在中小學(xué)學(xué)科教學(xué)中應(yīng)用項目，是由教育部、物理學(xué)會、全國數(shù)學(xué)教師理事會(NCETM)、3D打印機廠商、學(xué)校等合作進行的。其合作的目的有三個：一是確保教學(xué)中所選擇的軟件是適合跨學(xué)校、跨科目的；二是提高各種資源的有效利用率，包括各學(xué)校的教師資源、技術(shù)資源；三是促進交流與共享技術(shù)應(yīng)用經(jīng)驗。技術(shù)與教學(xué)整合需要投入大量的時間、精力和人力。例如參與項目的Highworth女子文法學(xué)校有成功的案例，該校的DT老師和物理技術(shù)人員密切合作，共同設(shè)計一組可以通過金箔模擬阿爾法粒子的散射的設(shè)備。所以，教師與教學(xué)支持人員，包括專業(yè)技術(shù)人員、3D打印機廠商、同一學(xué)科或不同學(xué)科的教師之間的通力協(xié)作是推動探索技術(shù)促進學(xué)科教學(xué)的持續(xù)動力。

3.必要的軟硬件環(huán)境建設(shè)

(1)軟件

項目組織者和支持者為教師和學(xué)生提供使用設(shè)計軟件的專門培訓(xùn)，而且盡可能選擇容易上手且免費的設(shè)計軟件，比如很多學(xué)校選擇使用的免費Sketchup(草圖大師)?；谠擃愒O(shè)計軟件的數(shù)字設(shè)計模型是3D打印機打印產(chǎn)品的源文件。該文件在打印輸出時，通常是一個.stl文件，然后送入第二層軟件并生成打印機指令(G code)，該指令唯一指向于一個特定的打印機。.s3g文件格式的G代碼通過SD卡輸入打印機。打印項目中Makerware和復(fù)制因子G計劃通常被用于生成G代碼[13]。數(shù)字設(shè)計模型可以從如Thingiverse等免費網(wǎng)站下載，這有助于入門打印機操作的學(xué)習(xí)。

(2)3D打印機

從英國3D打印技術(shù)應(yīng)用到學(xué)科教學(xué)的項目經(jīng)驗分享中可以看出，3D打印機的選擇關(guān)系著能否有效使用打印機并將其優(yōu)勢功能發(fā)揮到最大化。需要從以下幾點考慮：第一，要考慮3D打印機的使用者和使用目的。若是教師使用3D打印機打印教學(xué)模具，優(yōu)先考慮打印機的速度和質(zhì)量；若是學(xué)生利用該技術(shù)制作模型，則還需要考慮其易用性、耗材和成本。第二，要考慮打印機本身的一些因素，比如打印速度、打印機文件傳輸接口、與學(xué)校操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的兼容性以及質(zhì)量和售后支持等。第三，要重視打印機所置放位置和環(huán)境，防止拖拉或移動，避免要打印出來的物體出現(xiàn)干燥和翹曲等問題。所以，學(xué)?；蛘呓處熢谶x擇和使用3D打印機時需要全面且慎重考慮。

4.對應(yīng)用過程提供系統(tǒng)的支持

(1)來自學(xué)校管理層的支持

參與項目的大多數(shù)學(xué)校里的領(lǐng)導(dǎo)教師都是具備專業(yè)計算機輔助設(shè)計能力的設(shè)計與技術(shù)專家，他們通過“低干涉”管理讓學(xué)科教師更專注于技術(shù)使用方法和教學(xué)目標實現(xiàn)途徑，這不僅為學(xué)校師生提供財政支持以及他們創(chuàng)新使用3D打印機的視角，而且在鼓勵和支持教師使用新的、不熟悉的技術(shù)，組織并建立強大的人才團隊以及給學(xué)生傳授他們的技術(shù)知識等方面也起著積極作用。

(2)對應(yīng)用3D打印技術(shù)的教師團隊進行專門的培訓(xùn)

學(xué)校管理者與相關(guān)技術(shù)專家在學(xué)校引入3D打印技術(shù)后需要對校內(nèi)擬在教育教學(xué)中的應(yīng)用3D打印技術(shù)的教師進行專門的、系統(tǒng)的培訓(xùn)。培訓(xùn)初始期間，3D打印技術(shù)的使用輕松實現(xiàn)教師、技術(shù)工作人員和學(xué)生的一些大膽創(chuàng)新性想法，進而激發(fā)他們對技術(shù)持續(xù)探索的熱情。而且，跨部門在使用相關(guān)軟件時證明專門的培訓(xùn)和持續(xù)的支持對技術(shù)使用與推廣起著至關(guān)重要的作用，因為沒有經(jīng)驗的教師必須花一段時間來提高使用打印機和應(yīng)用設(shè)計軟件的能力。

培訓(xùn)課程一般包含為教師提供3D打印機項目基礎(chǔ)內(nèi)容和實踐機會，組織討論會分享使用3D打印機的經(jīng)驗想法等活動。此外，教師需要花費正常教學(xué)以外的時間和精力來鞏固編程技術(shù)和CAD專業(yè)技術(shù)，以保證熟練使用3D打印機并充分發(fā)揮3D打印機的功能。

四、結(jié)束語

2014年地平線報告中將3D打印技術(shù)應(yīng)用劃為2-3年的中期計劃，報告中指出3D打印技術(shù)對教學(xué)和學(xué)習(xí)有很大的潛在價值[14]。3D打印技術(shù)將無形的思想與設(shè)計有形化，通過提供觀摩與探究、演示與構(gòu)建、創(chuàng)造與制造等技術(shù)支持，為學(xué)生搭建一個知識運用空間，創(chuàng)造一個體驗式學(xué)習(xí)中心，充分體現(xiàn)學(xué)生作為學(xué)習(xí)活動主體性的原則，有助于培養(yǎng)并發(fā)展學(xué)生的成功智力，即分析性智力、實踐性智力和創(chuàng)新性智力。

3D打印技術(shù)在英國中小學(xué)學(xué)科教學(xué)中取得比較明顯的應(yīng)用成果，并且由此總結(jié)了相應(yīng)的學(xué)科教學(xué)應(yīng)用模式，不僅開啟3D打印技術(shù)促進教與學(xué)的探索，而且有望為其他國家或地區(qū)的學(xué)校引入該技術(shù)提供成功的案例和有價值的指引。但從項目試點學(xué)校反饋中可以發(fā)現(xiàn)在實踐過程中存在一些問題，比如打印復(fù)雜模型時耗時、耗力的問題，網(wǎng)絡(luò)軟件與打印機接口契合的問題，教師和學(xué)生熟練使用3D打印機的問題等。如何將3D打印技術(shù)恰當有效地應(yīng)用到學(xué)科教育中以優(yōu)化教與學(xué)活動過程，提升教學(xué)質(zhì)量，仍然是教育研究者值得探索的問題。

參考文獻：

[1][13]Dimitrov D,Schreve K,de Beer N.Advances in three dimensional printing-State of the art and future perspectives[A].10th European Forum on Rapid Proto-typing and Manufacturing[C].Paris,France Sep,2004.[2]李青，王青.3D打?。阂环N新興的學(xué)習(xí)技術(shù)[J].遠程教育雜志，2013，(4)：29-35.[3]王萍.3D打印及其教育應(yīng)用初探[J].中國遠程教育，2013，(8)：83-87.[4]3D打印技術(shù)在英國學(xué)校試點[EB/OL].http：//www.zhizaoye

.net/3D/dong/2013-01-04/20495.html.[5][7][9][11][12]Department for Education.3D printers in schools:Uses in the curriculum[EB/OL].https://www.gov.uk/government/uploads/system/uploads/attachment_data/file/251439/3D_printers_in_schools.pdf.[6][8][10]Department for Education.National curriculum in England:Science programmes of study[EB/OL].https://www.gov.uk/government/uploads/system/uploads/attachment_data/file/239132/PR

IMARY_national_curriculum_Science.pdf.

第二篇：3D打印技術(shù)在中小學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用研究

3D打印技術(shù)在中小學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用研究

摘要:近些年來，3D打印技術(shù)逐漸走進了人們的生活之中，受到越來越多的關(guān)注，目前由于此項技術(shù)可在短時間內(nèi)制造出各種物件，被廣泛的應(yīng)用于航空、醫(yī)學(xué)等等領(lǐng)域。而且，隨著技術(shù)越來越成熟，在教育行業(yè)也在逐漸的被普及起來，本文將對3D技術(shù)在教育行業(yè)中的應(yīng)用進行分析，并對目前在教育行業(yè)中存在的問題進行探討，為此項技術(shù)在教育行業(yè)更好的發(fā)展提供借鑒意義。關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù)；中小學(xué)教育；應(yīng)用研究 引言

現(xiàn)如今，3D打印技術(shù)在教育行業(yè)逐漸被廣泛的應(yīng)用，英國教育部已經(jīng)實現(xiàn)了大約1年的試點應(yīng)用，將3D打印技術(shù)應(yīng)用到各個學(xué)科體系之中，已經(jīng)取得了不錯的效果，極大的增加了對于3D技術(shù)在教育行業(yè)應(yīng)用的信心。本文將首先介紹3D打印技術(shù)的概念，在通過中小學(xué)各個學(xué)科教育中的實際應(yīng)用，來探究3D打印技術(shù)在教育行業(yè)中對于應(yīng)用問題，最后再指出3D打印技術(shù)目前存在的問題，提供借鑒意義。

二、3D打印技術(shù)在教育行業(yè)的應(yīng)用

（一）數(shù)學(xué)學(xué)科

在數(shù)學(xué)學(xué)科的領(lǐng)域中，在學(xué)習(xí)幾何立體圖案的主視圖、側(cè)視圖和俯視圖時，對于較為復(fù)雜的幾何立體時，很多中小學(xué)生在想象時，較為抽象，腦海中的空間思維能力相對較弱，缺乏具體的實物來模擬，很多教師也很難對同學(xué)之間產(chǎn)生共鳴。有了3D打印技術(shù)，老師們可以很方便、很快捷的打印出所需要的幾何體，展示在中小學(xué)生們的面前，將圖案分別從正面、側(cè)面、俯面進行觀看，十分直觀的實現(xiàn)了在此章節(jié)的教學(xué)工作。除此之外，比如一個復(fù)雜的幾何體，被橫切后，出現(xiàn)什么樣的圖案，在3D打印技術(shù)的幫助之下，也可以迎刃而解。

（二）物理學(xué)科

在學(xué)習(xí)力學(xué)的章節(jié)時，很多的機械模型在進行受力分析時，學(xué)生們很難在大腦中呈現(xiàn)出每一個時刻的受力狀況，比如：橫擺運動、轉(zhuǎn)動帶受力分析等等，有了3D打印機之后，老師打印出機械的模型，并對機械模型的受力進行分析，十分形象的展現(xiàn)每一時刻的受力狀況，在教學(xué)方面，大大的降低了難度，讓學(xué)生們更加形象的得到理解。

（三）地理學(xué)科

在學(xué)習(xí)地理學(xué)科時，很多學(xué)生搞不懂太陽、月亮及地球之間的轉(zhuǎn)動關(guān)系，不明白自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)運動，腦海中沒有清晰的認識，學(xué)生們理解起來相對比較困難，老師們可以用3D打印機將其打印出來，比例得到一定的縮小，老師們可以更加形象的通過調(diào)整三者之間的位置，來描繪自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)運動的情況，大大的降低了教學(xué)難度，使得學(xué)生們可以更加方便的理解。

（四）歷史考古學(xué)科

老師在講解歷史各個朝代工藝品時，未來能夠用個清晰的認識，老師們可以使用3D打印機進行制作，比如：西周時期的鼎、西漢時期的竹簡、清代時期的青花瓷等等，可以豐富學(xué)生們的閱歷，增加對歷史文物的了解。

（五）生物醫(yī)學(xué)科

在學(xué)習(xí)生物醫(yī)學(xué)類的知識時，對很多人體器官的構(gòu)造在理解起來，有一定難度，比如：細胞的結(jié)構(gòu)、體內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)、皮脂的結(jié)構(gòu)、腦部結(jié)構(gòu)等等，在理解起來有一定的難度，像上面的內(nèi)容，可以用3D打印技術(shù)很好的實現(xiàn)，使教學(xué)變得相對容易，可以將這些結(jié)構(gòu)以放大的比例進行打印，展現(xiàn)在學(xué)生們面前，可以更加詳細的了解。

（六）航空類學(xué)科

在航空類的教學(xué)中，對于飛機的構(gòu)造，學(xué)生們可能很難去理解，飛機的啟動和落地的流程也很難形成記憶，有了3D打印機，這些問題都可以解決。以縮小的比例打印出飛機，老師模擬演示操控飛機的起飛和落地的過程，有利于學(xué)生們更好的形成記憶，使學(xué)生們的對飛機的構(gòu)造及動力系統(tǒng)了解的更加深刻。

三、3D打印技術(shù)的局限性

（一）在教育行業(yè)推廣有限，應(yīng)用較少

3D打印技術(shù)在我國國內(nèi)的各大中小學(xué)校中實踐案例較少，實際運用3D打印技術(shù)來教學(xué)的較少，同時此類的期刊論文研究也相對較少，不少的學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)對此技術(shù)心存顧慮，整體的在教育行業(yè)推廣較少，缺乏成功的案例實踐。

（二）成本相對較高

由于3D打印機屬于稀缺類型的物件，而且科技含量相對較高，處于進入市場的初期階段，價格處以“新貴”的姿態(tài)，普通大眾在接受起來相對困難。不過，隨著技術(shù)的進步，聽說小型桌面的3D打印機大概售價低到一萬以下，但成品率不能保證百分之百，在制作質(zhì)量和工藝水準上存在一定的誤差。

（三）使用材料種類有限

在使用3D打印機時，需要使用與之相符合的材料，各種材料種類有限，能夠應(yīng)用于3D打印的材料還非常單一，以塑料為主，并且打印機對單一材料也非常挑剔。且在采購起來，存在一定的困難，同時采購材料還存在著一定的成本，對各個學(xué)校來說，又是額外支付的一筆成本，加重了成本的負擔。

（四）產(chǎn)品強度問題

在教學(xué)工作中，對于打印出來的僅用于觀看的小物件產(chǎn)品，僅用于觀看，在磨損及使用上不會造成太大傷害，倘若打印出來的產(chǎn)品時大物件，而且需要長時間的進行使用和模擬，那么物件的強度也是一個很大的問題，產(chǎn)品的強度有效期大概多久，能夠使用多長時間，是每一個學(xué)校在購買3D打印機時的重要考慮因素。

（五）產(chǎn)權(quán)保護及稅務(wù)問題

如果3D打印技術(shù)流放到教育行業(yè)之后，必然的會產(chǎn)生很多的模仿者和創(chuàng)新者，這就需要實現(xiàn)知識產(chǎn)權(quán)的保護，同時，由于貨物的制造均是打印出來的，非真正的商品價值，在稅務(wù)征收方面存在一定的問題，傳統(tǒng)的征稅模式將無法適應(yīng)。

四、結(jié)論

毋庸置疑，3D打印技術(shù)對于中小學(xué)的教育行業(yè)起到了巨大的作用，可以極大的激發(fā)學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣，同時還能夠降低教師的教學(xué)困難，增加了課堂的創(chuàng)新精神，但是，由于目前國內(nèi)在此技術(shù)的應(yīng)用上，確實還存在著局限性，需要逐一克服，實現(xiàn)更廣泛的推廣。同時，在技術(shù)應(yīng)用上，廠家需要更多的站在市場的角度來思考問題，得到政府相關(guān)部門的扶持，充分的迎合市場，才能夠更加廣泛的得到推廣。相信未來5年內(nèi)，3D打印技術(shù)會逐漸的走向成熟，逐漸的走進每一個人的生活之中。

參考文獻：

[1].李昕, 3D打印技術(shù)及其應(yīng)用綜述.鑿巖機械氣動工具, 2014(04): 第36-41頁.[2].劉金暢,3D打印技術(shù)以及應(yīng)用趨勢.計算機工程應(yīng)用技術(shù),2014(34):8315-8316.[3].王雪瑩, 3D打印技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展及前景分析.中國高新技術(shù)企業(yè), 2012(26): 第3-5頁.[4].花燕鋒,張龍革,3D打印技術(shù)在教育中的應(yīng)用研究.中小學(xué)電教,2014(06):第16-18頁.[5].童宇陽, 3D打印技術(shù)在中小學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用研究.現(xiàn)代教育技術(shù), 2013(12): 第16-19頁.[6].卜娟娟等, 3D打印技術(shù)在中小學(xué)教育中的應(yīng)用研究.軟件導(dǎo)刊, 2014(12): 第94-95頁.[7].黃敏, 3D打印向基礎(chǔ)教育走來——訪南京市秦淮區(qū)校園3D研究社團.中小學(xué)信息技術(shù)教育, 2014(10): 第74-76頁

第三篇：3D打印技術(shù)在小學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

3D打印技術(shù)在小學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

1986年美國科學(xué)家查爾斯?胡爾發(fā)明出世界上第一臺3D打印機。隨后胡爾成立了世界上第一家3D打印設(shè)備公司。然而，這一技術(shù)卻由于價格昂貴、不夠成熟等原因并沒有引起業(yè)界的重視。經(jīng)過近30年的發(fā)展，3D打印技術(shù)已逐步走向成熟，且價格有所降低，開始風靡全球。2013年《地平線報告》的基礎(chǔ)教育版，首次將3D打印的教育應(yīng)用列入了“待普及”的新技術(shù)清單。3D打印技術(shù)越來越受到教育界的關(guān)注。

一、小學(xué)階段開設(shè)相關(guān)課程的價值與意義

素質(zhì)拓展課程是傳統(tǒng)課堂教學(xué)的必要補充，是全面推進素質(zhì)教育的有效途徑，它注重個性塑造和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，旨在開拓學(xué)生視野和提升學(xué)生設(shè)計和動手的能力。隨著各地教育教學(xué)水平和科學(xué)技術(shù)水平的發(fā)展，越來越多“新鮮”課程走進中小學(xué)素質(zhì)拓展課堂。

小學(xué)階段的學(xué)習(xí)是學(xué)生成長和成才的基礎(chǔ)，對學(xué)生今后的發(fā)展方向起到引領(lǐng)作用。3D打印作為二十一世紀的朝陽產(chǎn)業(yè)，理應(yīng)在人群中推廣。“3D打印教育”由高等教育特定領(lǐng)域向基礎(chǔ)教育普通課堂過渡，逐漸推向中小學(xué)課堂是其發(fā)展的必然趨勢。目前，國內(nèi)外對3D打印技術(shù)的教學(xué)應(yīng)用處于起步階段，還需不斷摸索。可以明確的是，3D打印可以把新技術(shù)和創(chuàng)造性學(xué)習(xí)聯(lián)系到一起，讓學(xué)生體驗新技術(shù)帶來的巨大能量的同時，在項目探究中體會創(chuàng)新的樂趣。

二、3D打印技術(shù)在小學(xué)的教學(xué)內(nèi)容

1.3D打印的定義

3D打印是以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的快速成型技術(shù)，它是一種增材制造技術(shù)。

2.3D打印的應(yīng)用領(lǐng)域

與傳統(tǒng)的減材制造相比，3D打印技術(shù)擺脫了模型復(fù)雜程度的束縛，實現(xiàn)了完全數(shù)字化，降低了制造的難度，提高了制造的速度。近年來，3D打印被越來越多地應(yīng)用于各個領(lǐng)域，如創(chuàng)業(yè)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域、制造業(yè)領(lǐng)域、航空航天領(lǐng)域、文物保護領(lǐng)域、醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域等。

3.3D打印機

在小學(xué)教學(xué)中，我們主要使用了HOFI-X1 3D打印機。HOFI-X1 3D打印機是基于熔絲沉積制造（FDM）原理的3D打印設(shè)備，它與臺式電腦或筆記本電腦通過USB電纜連接就可以打印出三維實體模型。3D打印的方式是逐層打印，每一個層都在上一層上堆積而成，上一層起到支撐的作用。隨著打印時長的推移，3D打印作品逐步完成。學(xué)生可以清晰地看到打印的整個過程。這種設(shè)備結(jié)構(gòu)一目了然，機器堅固耐用，性能穩(wěn)定十分適用于小學(xué)教學(xué)。

4.制圖軟件介紹

Sketchup使用簡便，學(xué)生可以快速上手，是一個極受歡迎的三維設(shè)計軟件，它就像“鉛筆”一樣，可以畫出理想的圖形。TinkerCAD是一個基于瀏覽器的3D建模平臺，沒有軟件安裝條件的學(xué)生可以選擇這個繪圖方式。UG NX可以用于繪制二維和三維圖形，是一款專業(yè)級的制圖軟件，多用于工程制圖，功能強大，學(xué)生學(xué)習(xí)基本操作也不難上手。AutoCAD是一款計算機輔助設(shè)計軟件，同樣可以用于二維制圖和基本三維設(shè)計，使用無需懂得程序設(shè)計，即可自動制圖，因此它可以用于土木建筑、裝飾裝潢、工業(yè)制圖、工程制圖、電子工業(yè)、服裝加工等多個領(lǐng)域。

5.三維掃描儀

三維掃描儀可以掃描出靜態(tài)或者動態(tài)物體，由于三維掃描儀的掃描范圍有限，因此需要變換掃描儀與物體的相對位置或?qū)⑽矬w放置于電動轉(zhuǎn)盤上，在光線充足的條件下經(jīng)過多次掃描以拼湊物體的完整模型。三維掃描出的模型可以直接導(dǎo)入到3D打印機，并打印出來。

6.沙盤制作

學(xué)習(xí)了三維制圖和打印機的使用后，學(xué)生已經(jīng)具備自己設(shè)計制作簡單模型的能力，他們不再滿足于制作個人的小物品。給學(xué)生分組，以團隊的形式分工合作制作沙盤，讓他們在合作中真正實現(xiàn)自主創(chuàng)意、自主管理、自主學(xué)習(xí)，通力合作。學(xué)生自主創(chuàng)意的作品有頗具天津特色的天塔湖公園等。

三、結(jié)語

3D打印技術(shù)的原理、電腦制圖是本課程的難點。小學(xué)生學(xué)起來還是需要一定時間，需要教師耐心教授。創(chuàng)意設(shè)計和模型制作是本課程的重點，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生，并隨時對他們提出的問題給予指點和反饋。3D打印技術(shù)在小學(xué)是一門全新的課程，教學(xué)沒有經(jīng)驗可循，教師可通過總結(jié)歸納的方式，把學(xué)生提問的知識點轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)的知識結(jié)構(gòu)。

素質(zhì)拓展課程是激發(fā)學(xué)生興趣和培養(yǎng)小學(xué)生動手能力的重要途徑，這一階段的學(xué)習(xí)對其終身發(fā)展起著至關(guān)重要的作用，值得重視。如今，3D打印的風暴已經(jīng)波及全球，讓學(xué)生接觸并學(xué)習(xí)3D打印技術(shù)對于我國的科技發(fā)展具有戰(zhàn)略性意義。

參考文獻：

[1]兀旦暉，趙晨飛.3D打印技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].教學(xué)信息，2013.[2]童宇陽.3D打印技術(shù)在中小學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2013.

第四篇：淺談3D打印技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用（寫寫幫整理）

淺談3D打印技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用

[摘 要]3D打印是一種新興的學(xué)習(xí)輔助技術(shù)，教學(xué)領(lǐng)域?qū)⑹俏磥?D打印技術(shù)推廣應(yīng)用的重要市場。本文首先從3D打印的原理著手，剖析了3D打印技術(shù)在教學(xué)中的作用，并探討了3D打印技術(shù)在教學(xué)實踐中的應(yīng)用模式，以及為進一步研究3D打印技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用提供參考。

[關(guān)鍵詞]3D打印技術(shù) 教育應(yīng)用 應(yīng)用模式

中圖分類號：D170 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2017）11-0382-01 1、3D打印的原理

對于大多數(shù)人來說，提到“打印”，首先想到的是能打印文稿或照片等平面內(nèi)容的普通打印機，事實上二維的噴墨打印和某些類型的3D打印在技術(shù)表現(xiàn)上確實比較相似，3D打印使用特制的設(shè)備將材料一層層地噴涂或熔結(jié)到三維空間中，從而讓打印的數(shù)字虛擬對象實現(xiàn)三維實體化。3D打印機的精確度相當高，可以打印出模型的大量細節(jié)，而且它比起鑄造、沖壓、蝕刻等傳統(tǒng)方法能更快速地創(chuàng)建原型，特別是傳統(tǒng)方法難以制作的特殊結(jié)構(gòu)模型。一般來說，通過3D打印獲得一件成品需要經(jīng)歷建模、分層、打印和后期處理四個主要階段：

（1）三維建模

通過GoScan之類的專業(yè)3D掃描儀或是Kinect之類的DIY掃描設(shè)備獲取對象的三維數(shù)據(jù)，并且以數(shù)字化方式生成三維模型。也可以使用3ds Max、Blender、AutoCAD、SketchUp等三維建模軟件從零開始建立三維數(shù)字化模型，或是直接使用已做好的3D模型。

（2）分層切割

由于描述方式的差異，3D打印機并不能直接操作3D模型。當3D模型輸入到計算機以后，需要通過打印機配備的專業(yè)軟件來進一步處理。即將模型切分成一層層的薄片模塊，每個模塊的厚度由噴涂材料的屬性和打印機的規(guī)格決定。

（3）打印噴涂

由打印機將打印材料逐層噴涂或熔結(jié)到打印臺的三維空間中，根據(jù)工作原理的不同，有多種流程方式。較常規(guī)的是先噴一層膠水，然后在上面撒一層粉末。如此反復(fù)；或是通過高能激光融化合金材料，一層層地熔結(jié)成模型。整個過程根據(jù)模型大小、復(fù)雜程度、打印材質(zhì)和工藝流程耗時幾分鐘到數(shù)天不等。

（4）后期處理

由于3D打印機規(guī)格、打印材質(zhì)、打印精度的不同，可能出現(xiàn)成品截面粗糙或有毛刺的現(xiàn)象，這時就需要對打印出來的模型進行必要的加工處理，如：表面打磨、剝離、上色、固化處理等。2、3D打印技術(shù)在教學(xué)中的作用

2.1 提高學(xué)生主動學(xué)習(xí)的積極性

3D打印是以計算機軟件生成或通過實體掃描獲得的數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用粉末狀的金屬或塑料等具有粘合性的材料，通過“積層造型法”逐層打印出實物的技術(shù)。該技術(shù)應(yīng)用于課堂上能夠激發(fā)學(xué)生濃厚的興趣。通過3D打印，課本上的二維知識能夠快速轉(zhuǎn)化為三維的實物，3D打印本身的功能特性和新穎性以及對教學(xué)過程的輔助作用都能夠激發(fā)學(xué)生的好奇心和學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的積極性與主動性。通過將3D打印技術(shù)引入課堂，學(xué)生可以將自己的想法與構(gòu)思實體呈現(xiàn)出來，不僅培養(yǎng)了學(xué)生的動手能力，還加深了對知識的理解與記憶，激發(fā)學(xué)生深入學(xué)習(xí)的熱情，積極地投入到再學(xué)習(xí)中，形成良性循環(huán)。

2.2 培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力

3D打印技術(shù)為學(xué)生提供了一個自由發(fā)揮想象力的平臺，學(xué)生可以通過3D打印將許多課本中看不見摸不著的內(nèi)容變?yōu)閷嵨?，能夠使學(xué)生捕捉知識要點并實體定格。在3D打印技術(shù)的支持下，學(xué)生可以將更多的時間與精力投入到設(shè)計與創(chuàng)新環(huán)節(jié)，通過自身的理解與想象，結(jié)合課本上的知識舉一反三，將記憶理論概念轉(zhuǎn)化為實物創(chuàng)作，在體驗實踐中融會貫通進而創(chuàng)新?？梢哉f3D打印技術(shù)引入學(xué)校教學(xué)中，極大地促進了學(xué)生思維能力和創(chuàng)新能力的提高，學(xué)生可以參與創(chuàng)新設(shè)計，盡情發(fā)揮自己的想象力和創(chuàng)造力，將創(chuàng)新思維能力培養(yǎng)貫穿于學(xué)習(xí)活動之中，通過打印出具有個人特色的實體作品，體驗課本外的知識實踐應(yīng)用。

2.3 幫助教師探索新的教學(xué)方法

在傳統(tǒng)的教學(xué)中，教師只能通過口頭講述的方式來為學(xué)生講解知識，即使是多媒體技術(shù)和設(shè)備非常發(fā)達的今天，教師也只能通過音視頻使得教學(xué)相對生動真實，由于大量學(xué)科仍是非實物化的教學(xué)方式，加上學(xué)生的閱歷有限，理解能力不足，使得他們對知識掌握的程度仍未教師理想。有了3D打印技術(shù)的支持后，教師就能夠?qū)⑷碌摹绑w驗式教育”實施到課堂之中，將課本上以前那些難以觸摸，或是難以在課堂上具現(xiàn)化的內(nèi)容打印成三維實物，讓學(xué)生通過自己的親身觸碰和體驗來加強學(xué)習(xí)理解。以學(xué)生為主導(dǎo)的教學(xué)方式，教師將學(xué)習(xí)的主動權(quán)交給學(xué)生，幫助學(xué)生去感受最真實最具體的內(nèi)容，結(jié)合著理論概念與知識點，讓學(xué)生更容易理解其中的內(nèi)涵與意義。3、3D打印技術(shù)在教學(xué)實踐中應(yīng)用模式探究

3.1 3D打印技?g用于課堂情境教與學(xué)

以萊夫為代表的情境學(xué)習(xí)理論認為，知識寓于情境之中，學(xué)習(xí)者通過具體活動能更好地獲得知識，強調(diào)知與行的交互性。而我國教師在教學(xué)中普遍實施的是灌輸式教學(xué)法，教學(xué)模式僵化。3D打印技術(shù)對于教師和學(xué)習(xí)者的重要價值體現(xiàn)在：它能夠更加真實形象地呈現(xiàn)特定事物，并讓學(xué)習(xí)者獲得深刻的感知體驗。利用3D打印機可將大多數(shù)有益于教學(xué)的模型實物打印出來并呈現(xiàn)在課堂上，借助實物教具教師可以更容易將抽象問題進行深刻解析，學(xué)習(xí)者也可通過其幫助對知識加深理解，實現(xiàn)教學(xué)雙方所共同期望的交互教學(xué)模式。

在桌面3D打印機巨頭MakerBot舉辦的數(shù)學(xué)工具模型大賽上，愛好者制作了各類創(chuàng)意教具，并用3D打印機將創(chuàng)意立體化為三維實物，大大提高了學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣。大量實踐證明，教學(xué)中采用生動的、符合情境的教具，課堂氛圍更熱烈，教學(xué)過程更輕松，學(xué)習(xí)效果更顯著。（圖1）為教師自行設(shè)計并打印的球齒輪教學(xué)模型，3D打印教具的使用可促使學(xué)習(xí)者將已有知識經(jīng)驗與實際問題進行聯(lián)系，深化知識和內(nèi)涵；使教師從知識權(quán)威轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)習(xí)者研學(xué)的促進者，有利于引導(dǎo)學(xué)習(xí)者應(yīng)用所學(xué)知識來解決“現(xiàn)實”問題。

3.2 3D打印技術(shù)用于課外創(chuàng)新實踐活動

創(chuàng)新是一個民族進步的靈魂，提高自主創(chuàng)新能力、建設(shè)創(chuàng)新型國家必須依靠創(chuàng)新型人才，而我國教育工作者針對如何培養(yǎng)人才創(chuàng)新能力難題一直在努力探索。許多學(xué)校創(chuàng)建了學(xué)生社團以鼓勵創(chuàng)新，但往往一些創(chuàng)意思想都囿于現(xiàn)實而被迫終止。例如在模具設(shè)計中學(xué)生試圖將創(chuàng)意付諸實踐時發(fā)現(xiàn)，即使標準零部件仍需去市場上逐一甄選，過程繁雜，而非標準件則必須找代工廠進行單件生產(chǎn)，加工周期長且價格昂貴，這些困擾在很大程度上消減了學(xué)生創(chuàng)新的積極性。

3D打印的出現(xiàn)徹底改變了?@一現(xiàn)狀，任何創(chuàng)意設(shè)計都不再局限于傳統(tǒng)加工能力的局限，3D打印機可以快速打印出學(xué)生DIY過程所需的零件，學(xué)生幾乎可以足不出戶就能將創(chuàng)意變成成品。3D打印可激發(fā)學(xué)生對某些科學(xué)過程或現(xiàn)象進行可視化展現(xiàn)，便于進行科技發(fā)明或創(chuàng)新制作，為實現(xiàn)設(shè)計提供一種更加高效的途徑。

3.3 3D打印技術(shù)用于培養(yǎng)大學(xué)生的綜合技能

當今社會對人才的知識體系要求發(fā)生劇烈變化，從傳統(tǒng)的單一知識形式轉(zhuǎn)變?yōu)槎囝I(lǐng)域知識融合形式。3D打印對于中小學(xué)生可簡單定位為一種科普教育，而在高等教育理工學(xué)科中則應(yīng)是一種技能教育。因此，3D打印機對于大學(xué)生不僅僅是一種模型制作設(shè)備，更應(yīng)該通過對打印設(shè)備的系統(tǒng)學(xué)習(xí)，深入掌握所涉及的各種技術(shù)知識。

如前所述，3D打印技術(shù)是一種集多領(lǐng)域知識于一體的技術(shù)形式，它要求學(xué)生綜合學(xué)習(xí)機械設(shè)計、計算機技術(shù)、控制技術(shù)、光學(xué)技術(shù)、材料科學(xué)等多種專業(yè)技術(shù)，這就必然促使大學(xué)生加強多領(lǐng)域知識的學(xué)習(xí)與融合，契合當今社會對綜合型人才的需求。

3.4 3D打印技術(shù)用于提高大學(xué)生就業(yè)競爭力

近年來我國大學(xué)生就業(yè)問題日益突出，其根源在于人才培養(yǎng)與社會需求脫節(jié)，存在“兩張皮”現(xiàn)象。部分專業(yè)的課程設(shè)置和課程內(nèi)容不能與時俱進，與社會崗位對專業(yè)人才的要求不相符合。2014年9月，人力資源咨詢機構(gòu)WANTED Analytics發(fā)布報告表示，近四年來市場上對具備3D打印與增材制造相關(guān)技能的人員需求量持續(xù)上升；2014年8月，3D打印行業(yè)的招聘廣告數(shù)量比去年同期增長103%，且相關(guān)崗位的人員招聘難度系數(shù)最高達到60%，企業(yè)很難招聘到具有此項專門技術(shù)的人才，人才缺口十分巨大。

目前，我國還沒有設(shè)置3D打印專業(yè)，僅出現(xiàn)小規(guī)模具有高校背景的培訓(xùn)機構(gòu)，遠不能滿足市場對3D打印人才的需求，所以亟待將3D打印技術(shù)融入課堂教學(xué)，將人才培養(yǎng)與社會需求結(jié)合起來，可以大大提高學(xué)生就業(yè)競爭力。

3.5 3D打印技術(shù)用于開展產(chǎn)學(xué)研項目

技術(shù)作為連接知識與生產(chǎn)的橋梁，不僅是知識的應(yīng)用與物化，要進行構(gòu)思設(shè)計，還要直接作用于生產(chǎn)過程，進行產(chǎn)品開發(fā)與制造。因此，積極開展產(chǎn)學(xué)研項目合作是把握技術(shù)的理論性與實踐性之間發(fā)展規(guī)律的重要環(huán)節(jié)。

3D打印技術(shù)用于開展產(chǎn)學(xué)研項目有利于培養(yǎng)學(xué)生科研能力，增強科研轉(zhuǎn)化能力。對于高校，一方面可對3D打印技術(shù)進行深入科學(xué)研究，另一方面應(yīng)向企業(yè)提供共享服務(wù)。如青島高新區(qū)引進西安交通大學(xué)快速制造國家工程研究中心盧秉恒院士團隊，幫助其打造完整的3D打印產(chǎn)業(yè)鏈；與中科院自動化所共建青島智能產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，建設(shè)3D打印社會資源平臺等，形成雙贏的局面。

4、結(jié)束語

目前，3D打印技術(shù)受到了各個領(lǐng)域的高度重視。雖然3D打印引入教學(xué)中還存在著很多困難，但其帶來的效果是不可估量的。3D打印技術(shù)的運用，需要學(xué)校與師生的支持，使其充分發(fā)揮作用，為我國教育事業(yè)的發(fā)展提供動力。

參考文獻

[1] 張彥芳.3D打印技術(shù)及其應(yīng)用[J].科技視界，2013

[2] 劉翠.3D打印技術(shù)及其在職業(yè)教育領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].電子制作，2014

[3] 楊潔.3D打印在教育中的創(chuàng)新應(yīng)用[J].中國醫(yī)學(xué)教育技術(shù)，2014

第五篇：3D打印技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用與探索

3D打印技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用與探索

摘要：隨著3D打印技術(shù)的日益成熟，以及其在各行業(yè)和領(lǐng)域極具潛力的革命性應(yīng)用，如何普及3D打印并為社會培養(yǎng)專業(yè)的3D打印人才是當前學(xué)校教育的一個重要課題之一。本文分析了3D打印分別在不同教學(xué)階段的受眾特點，針對大、中、小學(xué)總結(jié)出不同的教學(xué)目標和教學(xué)方法，提出了一個全過程的3D打印教學(xué)體系和培養(yǎng)方針。通過具體案例，本文指出可以將3D打印融入主流課程的教學(xué)實踐當中，服務(wù)和提升已有課程的教學(xué)水平。最后，本文總結(jié)了3D打印在教學(xué)實踐中可能面臨的問題和解決方案，為有效開展3D打印在各階段的教學(xué)提供了理論指導(dǎo)和實際建議。

Abstract： With the increasingly mature of 3D printing technology，as well as its application in various industries，how to popularize 3D printing and cultivate professional 3D printing talents for the society is an important task of the current school education.This paper analyzes 3D printing audience characteristics in different stages of teaching，sums up different teaching goals and teaching methods respectively for college，middle school and primary school，and puts forward a whole process of 3D printing teaching system and cultivation guidelines.Through the specific case，this paper points out that 3D printing could be included in the mainstream curriculum teaching practice to serve and enhance the level of existing teaching.Finally，this paper summarizes the problems and solutions of 3D printing teaching practice，provides theoretical guidance and practical advice for effectively carrying out 3D printing in every stage of the teaching.關(guān)鍵詞：3D打印；技術(shù)創(chuàng)新；教學(xué)方法；人才培養(yǎng)

Key words： 3D printing；technological innovation；teaching methods；cultivation of talents

中圖分類號：G40-057 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2015）32-0178-04

0 引言

發(fā)達國家已經(jīng)開始探索3D打印技術(shù)對教育的影響，并成立了相關(guān)的項目用以促進3D打印技術(shù)與教育的融合，從而培養(yǎng)出適應(yīng)現(xiàn)代設(shè)計、制造潮流的人才，從而提高自身的競爭力。新媒體聯(lián)盟（New Media Consortium，NMC）在2013年地平線報告中提出，3D打印是未來四到五年內(nèi)值得關(guān)注的新技術(shù)，它將帶來教學(xué)、學(xué)習(xí)和研究領(lǐng)域的創(chuàng)新[1]。英國教育部已經(jīng)選取多所小學(xué)作為試點學(xué)校，設(shè)立相關(guān)的基金，為學(xué)校購買3D打印機，并對教師進行相關(guān)培訓(xùn)，此外，還開設(shè)3D打印的相關(guān)課程作為學(xué)生的手工課。學(xué)生可以通過電腦建模，打印自己所喜歡的模型[2]。歐洲的一些國家也進行了3D打印的相關(guān)教學(xué)調(diào)研，如“未來教育與學(xué)習(xí)”（LIFE）項目，對歐洲7國的師生進行調(diào)研，以獲得3D教學(xué)對學(xué)生課堂的專心度和學(xué)習(xí)成績的影響[3]。希臘在兩所高校開始初步試驗將3D打印作為學(xué)習(xí)手段的教學(xué)方法[4]。美國STEM教育中的STARBASE Minnesota是對學(xué)生提供STEM訓(xùn)練的教育項目。該項目通過引入3D打印的支持，使學(xué)生能通過CAD軟件自行設(shè)計相應(yīng)課程的模型，并進行實際的測試和分析。該課程項目能極大地調(diào)動學(xué)生的積極性，使枯燥的數(shù)學(xué)分析亦能激發(fā)學(xué)生的興趣[1]。此外，還有一些職業(yè)學(xué)校的項目，如PlayMaker。該項目圍繞著3D打印技術(shù)這一核心的課程，學(xué)生可以設(shè)計、打印和驗證模型的物理理論。

較之國外而言，國內(nèi)3D打印的普及和教育仍處于起步的階段。國家當前十分重視3D打印技術(shù)和應(yīng)用的發(fā)展，例如我國科技部已將3D打印技術(shù)納入國家863計劃，各地學(xué)校也開始進行有關(guān)3D打印課程的試點。3D打印發(fā)展現(xiàn)狀以及學(xué)校教育的可行性

目前3D打印機的成本及其打印材料、質(zhì)量、時間等都是制約3D 打印在學(xué)校教育中普及的因素。解決好這些瓶頸能更好地促進教學(xué)和研究的發(fā)展，為探索教學(xué)新方向提供有效的方法。

1.1 3D打印機成本 3D打印機的成本一直是制約3D打印發(fā)展的瓶頸。3D打印機的售價從幾千元到幾十萬元不等。為了降低3D打印機的成本，許多公司已經(jīng)著手相對廉價的3D打印機的研發(fā)。據(jù)報道，有些公司已經(jīng)開始搶占教育行業(yè)的市場，推銷千元以下的3D打印機。隨著3D打印機的成本進一步降低，其普及將不再是難題。

1.2 3D打印的材料 另一個制約3D打印普及的瓶頸是耗材。目前的3D打印可以支持多種打印材料，如熱塑性塑料、尼龍、合金、金屬粉末、石膏、陶瓷、可食用材料、光敏樹脂等。雖然3D打印支持多種類型的材料，但不同的材料需要相應(yīng)打印設(shè)備的支持，此外打印材料的價格也并不便宜。目前的教學(xué)研究中使用較為普遍的是PLA（生物降解塑料聚乳酸，Polylactic Acid）材料和ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯，Acrylonitrile Butadiene Styrene Acrylonitrile Butadiene Styrene）。一千克的PLA或ABS耗材的市場價格為60元左右。隨著材料的進一步改進和研發(fā)，生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展和生產(chǎn)廠商的增加，普通耗材的價格將慢慢降至教學(xué)可接受的范圍內(nèi)。

1.3 3D打印的質(zhì)量 在打印模型的過程中，有時會由于機器本身或環(huán)境的問題，導(dǎo)致打印的質(zhì)量并不理想，成品率一般在30%-50%左右，甚至更低。其中廉價的3D打印機也是使成品率降低的原因。種種原因?qū)⒉焕诮虒W(xué)實踐和教學(xué)研究的使用。隨著3D打印技術(shù)將不斷改良和創(chuàng)新，打印質(zhì)量會隨之而提高。

1.4 打印時間 打印時間長也是一個亟待解決的問題，現(xiàn)在的3D打印時間普遍偏長，阻礙了教學(xué)實踐以及教學(xué)研究的發(fā)展。據(jù)報道，現(xiàn)下最新研究的3D打印技術(shù)CLIP（Continuous Liquid Interface Production）的打印速度是舊式打印的幾十倍以上，其打印出的物體表面也十分光滑，完整。這項技術(shù)若能普及，將彌補3D打印時間長的缺點。3D打印在不同教育群體中的教學(xué)分析與探討

在3D打印的教學(xué)上，學(xué)校應(yīng)該在3D打印的課程進行細致、深入地規(guī)劃，推行多方向、多環(huán)節(jié)的主題學(xué)習(xí)。學(xué)生通過探索、想象、實踐等環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)后，將激發(fā)想象力以及提高學(xué)習(xí)效率與興趣。結(jié)合不同時期學(xué)生的學(xué)習(xí)方向，學(xué)生在各階段的進程和方向上都有所側(cè)重，進程如圖1所示。

2.1 小學(xué)教學(xué) 以“感性認識”與“培養(yǎng)想象力”作為小學(xué)教學(xué)的方向。這一階段的學(xué)生，發(fā)散思維力強，想象力豐富，活潑好動，接受新鮮事物的能力強。

結(jié)合以上的特點，每個小學(xué)單位至少配備一臺以上的3D打印機。設(shè)置的3D打印課程應(yīng)該“淺入淺出”。所謂的“淺入”，就是用生動活潑、淺顯易懂的語言對3D打印的原理和3D打印機進行簡單的介紹，讓學(xué)生在感性上對3D打印有初步的認識，對打印原理、設(shè)備以及應(yīng)用范圍有個大致的了解?！皽\出”就是通過做些有趣味性、引發(fā)聯(lián)想、充分結(jié)合課程的簡單小實驗、小制作來加深學(xué)生對3D打印的認識和理解。此外，學(xué)校不能一味地使用強制性的考試、規(guī)范化的實驗對學(xué)生進行應(yīng)試教育，而應(yīng)使用更自由、輕松的教學(xué)方式以提高學(xué)生的興趣，使學(xué)生產(chǎn)生成就感，形成教學(xué)的良性循環(huán)[5]。3D打印課程的目的是將3D打印作為學(xué)生通往興趣愛好的一座“橋梁”，而非僅作為一門來自于課堂又終結(jié)于課堂的課程。

在教學(xué)上，可以根據(jù)學(xué)校自身的特點、專家的研究等設(shè)計小實驗、小制作。課程的核心必須是以拓展學(xué)生的思維、引導(dǎo)想象力為主，目的是要激發(fā)學(xué)生的想象力和興趣、培養(yǎng)其思維能力。

2.2 中學(xué)教學(xué) 以“想象力和實踐相結(jié)合”作為中學(xué)教學(xué)的方向。這一階段的學(xué)生，發(fā)散性思維的能力與接受新鮮事物的能力依然很強，有一定的知識基礎(chǔ)和邏輯思維能力。在小學(xué)階段，學(xué)生有異想天開、天馬行空的想法，在中學(xué)階段，開設(shè)的3D打印課程應(yīng)該有意識地引導(dǎo)學(xué)生的想象力，將想象力與實踐結(jié)合。在數(shù)學(xué)、地理、生物等科目可以結(jié)合3D打印課程進行科目的交叉與融合。應(yīng)該讓學(xué)生在已有的認識基礎(chǔ)上，加深對三維空間的理解，并且能簡單地掌握建模軟件如Auto CAD的操作，能進行簡單或者相對復(fù)雜的建模。

在中學(xué)教學(xué)中，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)到地理、物理、生物、化學(xué)等學(xué)科。在現(xiàn)階段的中學(xué)教學(xué)中，教學(xué)道具仍然匱乏，尤其在經(jīng)濟不發(fā)達的地區(qū)，更是如此。教師基本無法使用道具進行演示，只能利用課件、播動畫和視頻來替代。學(xué)習(xí)知識不應(yīng)該和活動情景分離而獨立抽象存在[5]，在情境中學(xué)習(xí)，與社會實踐活動結(jié)合起來的學(xué)習(xí)將有利于學(xué)習(xí)的橫向拓展和縱向深入。3D打印不受圖形限制，可以打印出結(jié)構(gòu)復(fù)雜的教學(xué)模型，教師將內(nèi)部認知結(jié)構(gòu)可視化，化抽象為具體，化復(fù)雜為簡單[6]。理工科的課程中，實體化、可拆卸與裝配、可運動的教學(xué)道具更能激發(fā)學(xué)生的興趣和想象力。在制作個性化、非大批量的教學(xué)道具中，可以很好地利用3D打印的打印能力。

2.2.1 3D打印在地理課程中的應(yīng)用 在地理課程的學(xué)習(xí)中，應(yīng)用到大量的實體模型。實體模型能培養(yǎng)學(xué)生視空間能力，如教師可以打印出可運動的太陽系模型（其中包含可拆卸的太陽、水星、金星和地球等模型），在不同節(jié)氣改變地球的位置；可以打印出不同時間段物體或現(xiàn)象的標志性狀態(tài)的模型；也可以打印出可拆卸的房屋模型，用以演示地震對房屋的破壞；或者打印天氣現(xiàn)象的運動模型，用以表現(xiàn)氣旋、冷鋒、暖鋒等天氣現(xiàn)象的運動；再比如使用模型層層分離的展示方式，展示不同地帶的地形地貌、山岳的形狀等。

通過打印圖2的恒星系統(tǒng)，如太陽系（組件均來自3D打?。＝處熆梢越Y(jié)合課本介紹太陽系，并且移動地球等行星，以及對節(jié)氣等知識點進行介紹。還可以從系統(tǒng)中拆卸地球模型，取出內(nèi)部的每一層結(jié)構(gòu)進行細致地講解，讓學(xué)生從宏觀到局部系統(tǒng)地了解太陽系的結(jié)構(gòu)。通過實物化的可運動太陽系系統(tǒng)，可以使知識生動形象，加深學(xué)生的認識。

2.2.2 3D打印在物理課程的應(yīng)用 在物理的課程學(xué)習(xí)中，物理的許多電路、定律皆可由3D打印模型演示。如對自由落體、胡可、彈性碰撞等定律進行驗證，或是合力的箭頭模型、同步衛(wèi)星模型、地球模型、實驗電路模型的演示以及電阻、電容、電感等模型的類比演示等。同時，制作的3D模型可以與電子電路相結(jié)合，使模型能夠完成相應(yīng)的演示功能，如模型的LED發(fā)光、自行水平移動、垂直移動和旋轉(zhuǎn)等。

通過打印如圖3設(shè)備（含打印的無蓋盒子、機械結(jié)構(gòu)、排液管等，除了電壓表、電源以及導(dǎo)線外，其他結(jié)構(gòu)均由3D打印而成）的零件，可以引導(dǎo)學(xué)生在宏觀上對電容有一個深刻的認識。在盒子里倒入導(dǎo)電液體，與電源、電壓表連成閉合電路后，旋轉(zhuǎn)可移動間距的旋鈕，調(diào)整盒子的間距，或者調(diào)整排液旋鈕，排出一定量液體，觀察電壓表的電壓示數(shù)變化。隨后教師可以通過聯(lián)系所學(xué)知識，解釋實驗現(xiàn)象。學(xué)生能調(diào)整盒子間距、導(dǎo)電液體的量、以及更換“電容”介質(zhì)等進一步加深對電容的重要公式及相關(guān)知識的理解。3D打印類似的實驗裝置可以很好地應(yīng)用于教學(xué)，不僅可以驗證理論的正確性，還能培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，激發(fā)他們的想象力和興趣。只要有3D模型就能隨時打印并組裝，快捷且方便。

2.2.3 3D打印在生物課程中的應(yīng)用

在生物課程的學(xué)習(xí)中，能應(yīng)用到大量的實體模型。使用3D打印的技術(shù)，可以打印出可拆卸的細胞、細菌、病毒的結(jié)構(gòu)模型、可拆卸的多肽鏈、多糖、蛋白質(zhì)、核酸等大分子的化學(xué)球形結(jié)構(gòu)模型或者可運動的細胞膜的結(jié)構(gòu)模型。打印理解難度較大的細胞有絲和無絲分裂等模型可以很好地解決學(xué)生的理解問題。

通過打印出細胞模型，如圖4所示的半截面的植物細胞模型。3D打印出層1（細胞壁）、層2（細胞液）外殼以及各種不同的細胞器（使用不同顏色材料的打印，以增加細胞器的區(qū)分度）后，再組合起來。因為打印的難度不大，整體耗材少，所以可以打印出整班的數(shù)量。教師進行相關(guān)知識的講解前，可以把打印好的模型分發(fā)給所有的學(xué)生。學(xué)生除了能在課堂上結(jié)合老師的講解和課本的介紹，利用細胞的立體模型對植物細胞的知識進行深入了解外，課下還可以用模型做進一步的對照復(fù)習(xí)。通過拆卸細胞模型，可充分調(diào)動學(xué)生的視覺、觸覺等感官，加深其對知識的理解。

在中學(xué)階段，除了在課堂教學(xué)上使用結(jié)合3D打印的教學(xué)用具外，可以適度舉行涉及3D打印的競賽，競賽可以采用外觀設(shè)計、組合結(jié)構(gòu)、教學(xué)用具創(chuàng)新等形式?？紤]到中學(xué)生的3D設(shè)計能力并沒有良好的基礎(chǔ)，因此學(xué)?；虮荣惻e辦方可以提供相關(guān)的模型給學(xué)生參考。如在機器人DIY競賽中，比賽舉辦方提供種類繁多的3D模型包，學(xué)生可以自行設(shè)計機器人的結(jié)構(gòu)圖，并從模型包中取出相應(yīng)的3D模型并打印，最后根據(jù)結(jié)構(gòu)圖組裝起來。

2.3 大學(xué)教學(xué) 在目前的大學(xué)教學(xué)中，3D打印技術(shù)使用比較廣泛。涉及到實物的外觀、結(jié)構(gòu)、機械、電路等的課程，皆可使用3D打印技術(shù)。除了在高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、機械原理與設(shè)計、材料力學(xué)等基礎(chǔ)課或?qū)I(yè)課程的教學(xué)中使用3D打印的教學(xué)模型外，也能在實驗、課程設(shè)計中使用3D打印。

隨著各專業(yè)學(xué)科的交叉與融合，以及3D打印技術(shù)的日益成熟，它與各相關(guān)學(xué)科的結(jié)合會越加緊密，其作為“橋梁”性質(zhì)的實現(xiàn)方式會越來越重要。各高校的專業(yè)設(shè)置雖涉及到3D打印，但并沒有開設(shè)3D打印技術(shù)的相關(guān)課程，因此學(xué)生建模水平不高，設(shè)計出的成品與實際需求相距甚遠。

3D打印本科專業(yè)建設(shè)的核心是“創(chuàng)新、設(shè)計、建模”。由于3D打印的接口面廣，因此專業(yè)課設(shè)置要在不同方向上有所側(cè)重。要學(xué)習(xí)的課程分為公共基礎(chǔ)課、專業(yè)基礎(chǔ)課、專業(yè)課以及課程設(shè)計。公共基礎(chǔ)課包括高等數(shù)學(xué)、大學(xué)英語、大學(xué)物理、工程制圖、線性代數(shù)、機械原理及設(shè)計、電工電子技術(shù)等。鑒于目前缺少適用于大學(xué)教學(xué)的3D打印教材，在此僅提供基礎(chǔ)專業(yè)課的教學(xué)課程有：3D打印導(dǎo)論、3D打印原理、常規(guī)3D打印機的結(jié)構(gòu)及組裝、3D打印基礎(chǔ)設(shè)計、3D建?；A(chǔ)與提高（使用目前流行的3DMAX、MAYA、Rhino等軟件進行學(xué)習(xí)與應(yīng)用）等。

學(xué)生自行選擇不同行業(yè)方向的專業(yè)課，如動漫、機械、建筑、汽車、首飾等。以首飾專業(yè)課為例，它涉及到首飾設(shè)計、加工工藝、創(chuàng)意設(shè)計以及結(jié)構(gòu)美學(xué)等課程。在選擇相應(yīng)的方向后，應(yīng)增加該行業(yè)的相關(guān)知識的課程，以提高學(xué)生的基礎(chǔ)。公共基礎(chǔ)課、專業(yè)基礎(chǔ)課作為學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，專業(yè)課則作為所學(xué)知識的綜合運用。課程由淺至深，逐層遞進和深入，最終促使學(xué)生掌握創(chuàng)新、應(yīng)用的技能。教師在教授專業(yè)課時應(yīng)注重引導(dǎo)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力、發(fā)散思維能力，在實驗、課程設(shè)計上應(yīng)設(shè)計彈性大的題目。

至此，可以通過表1總結(jié)出小、中、大學(xué)不同學(xué)習(xí)階段學(xué)生特點、教學(xué)基礎(chǔ)、教學(xué)目標和教學(xué)內(nèi)容。教學(xué)實踐中的問題與建議

3D打印在本質(zhì)上是多媒體技術(shù)的延伸，是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的延伸，它拓展了人的感覺和知覺，促進了人的思維能力的進一步發(fā)展，它與教學(xué)的融合勢在必行[7]。

目前，3D打印在教學(xué)實踐中存在諸多問題或空白，拓寬教學(xué)實踐的各環(huán)節(jié)將促使3D打印與教學(xué)實踐進一步的融合與發(fā)展。以下提出相關(guān)的建議。

3.1 學(xué)校安裝相關(guān)配套的3D打印機 目前大多數(shù)學(xué)校沒有配備相關(guān)配套的3D打印機，而3D打印機是進行教學(xué)、研究的基礎(chǔ)設(shè)備。如果教學(xué)條件允許，還可以配備相關(guān)的外圍設(shè)備，如3D Camega、KinectDIY等專業(yè)3D掃描儀。此外政府可以出臺相關(guān)的政策，為大中小學(xué)配備3D打印機及相關(guān)設(shè)備。據(jù)了解，我國政府計劃將在兩年內(nèi)為全國四十萬所小學(xué)安裝3D打印機，用于學(xué)校的教學(xué)和研究。未來可能會在大、中學(xué)推行進一步的相關(guān)政策。

3.2 編撰規(guī)范化的教材 3D打印技術(shù)雖然不是一門新興的技術(shù)，發(fā)展的時間也相應(yīng)的比較長，但目前的教學(xué)中仍然缺少內(nèi)容豐富、案例經(jīng)典的教材作為教學(xué)的參考。因此可編寫適合大中小學(xué)使用的3D打印技術(shù)的書籍作為教學(xué)的材料。但不強制要求各學(xué)校必須采用，學(xué)校也可以自行編寫符合自身教學(xué)要求的教材。規(guī)范化教材編寫的主要出發(fā)點是用于規(guī)范化的教學(xué)。

3.3 對教師進行培訓(xùn) 3D打印教師應(yīng)該在技術(shù)和教學(xué)設(shè)計等層面進行學(xué)習(xí)和提高，做好領(lǐng)路人的角色。課程設(shè)計應(yīng)該圍繞“切合實際、拓展思維和激發(fā)想象力”的目的。在中小學(xué)教師的培訓(xùn)上，培訓(xùn)人員除了教授相應(yīng)的3D打印原理、機械結(jié)構(gòu)、耗材等知識外，應(yīng)該將重點放在培訓(xùn)教師對學(xué)生的思維與想象力進行引導(dǎo)的方法和技巧上。培訓(xùn)大學(xué)和職校教師，應(yīng)該使其“各習(xí)所長”，即在他們的專業(yè)方面，針對性地教授不同專業(yè)的結(jié)構(gòu)、建模、耗材、支撐等方面的知識和經(jīng)驗，輔以典例為佳。

3.4 相關(guān)競賽設(shè)計 在各類大中小學(xué)競賽中，學(xué)生往往只能使用舉辦方所提供的配套組件進行組裝和二次開發(fā)，這在很大的程度上阻礙和限制了學(xué)生想法的表達，不利于學(xué)生在實踐中自由發(fā)揮和拓展。3D打印能很好地提供解決方案，學(xué)生可以根據(jù)自己的想法設(shè)計并打印出相應(yīng)的模型，并組裝在自己的參賽作品中。此外，為了使3D打印能更好地與教學(xué)、實踐等融合，可以舉行不同主題的比賽。競技類型，如機器人足球、機器人籃球、機器人搏擊比賽、競速、花樣飛行、搶奪比賽等；解決任務(wù)型，如智能輔助；開拓思維型，如組合聯(lián)動結(jié)構(gòu)。也可以舉行開拓參賽團隊思維的比賽，設(shè)計并打印出新穎、獨特、具有創(chuàng)造性的機器人零部件、外殼、骨架等。鼓勵比賽優(yōu)秀的作品進行進一步的研發(fā)。這樣的比賽除了能促進3D打印的技術(shù)更新和發(fā)展外，還能拓展學(xué)生對控制芯片的編程、機械結(jié)構(gòu)、模擬電路的認識。

3.5 成立相關(guān)委員會 目前的3D打印并沒有很好地納入規(guī)范化的組織和管理中，成立相關(guān)的委員會是行之有效的方法。通過成立相關(guān)委員會，創(chuàng)立評選制度，可以支持大中小學(xué)的學(xué)生對感興趣的方向進行創(chuàng)新。可以通過評選項目提供必要的資金，并配給相應(yīng)的指導(dǎo)老師。再者，如果學(xué)生能夠靠自身的能力切實改進了3D打印的技術(shù)，并有相應(yīng)的展示方式，通過委員會的審核后，可報銷其費用，并給予相應(yīng)的獎勵。

3.6 其他 授課老師引領(lǐng)學(xué)生發(fā)揮想象力，記錄下他們對3D打印的想法（學(xué)習(xí)方法、技術(shù)的改進）等，將想法在大中小學(xué)校的網(wǎng)絡(luò)共享平臺上進行匯總，讓不同的想法互相“碰撞”。也可以邀請相關(guān)方面的專家來校演講，或是組織學(xué)生到政府、公司等開設(shè)的3D打印展區(qū)進行參觀，使學(xué)生能接觸到3D打印行業(yè)的新方向，了解3D打印的最新進展。總結(jié)

重視3D打印，就是要發(fā)揮一切積極的因素，使3D打印的課程和實踐在學(xué)校教學(xué)中進行交叉與融合，不斷循環(huán)發(fā)展。在3D打印教學(xué)的創(chuàng)新中，可以結(jié)合現(xiàn)在的在線教育、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)，不斷挖掘3D打印在課程教學(xué)的潛能和優(yōu)勢。在建設(shè)3D打印課程的體系中，需要多方協(xié)調(diào)和政策的支持，才能形成良好的教學(xué)和研究的氛圍。

未來3D打印在教學(xué)、研究、設(shè)計、制造等方向的應(yīng)用和實踐將會進一步的深入和發(fā)展，它將以其獨特的方式影響著人們生活的方方面面。

參考文獻：

[1]王萍.3D打印及其教育應(yīng)用初探[J].中國遠程教育（綜合版），2013（8）.[2]劉翠.3D打印技術(shù)及其在職業(yè)教育領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].電子制作，2014（6）.[3]王娟.3D技術(shù)教育應(yīng)用創(chuàng)新透視[J].現(xiàn)代遠程教育研究，2015（1）.[4]Vasilis Kostakis.Open source 3D printing as a means of learning： An educational experiment in two high schools in Greece [J].Telematics and Informatics，2015（32）.[5]黃敏.3D打印向基礎(chǔ)教育走來――訪南京市秦淮區(qū)校園3D研究社團[J].中小學(xué)信息技術(shù)教育，2014（10）.[6]楊潔.3D打印在教育中的創(chuàng)新應(yīng)用[J].中國醫(yī)學(xué)教育技術(shù)，2014（1）.[7]童宇陽.3D打印技術(shù)在中小學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2013（12）.