3D打印技術(shù)在中學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用研究

賈艷梅

(西華師范大學(xué)網(wǎng)絡(luò)與信息化管理中心，四川南充637002)

美國(guó)新媒體聯(lián)盟(New Media Consortium，NMC)的地平線報(bào)告(2013基礎(chǔ)教育版)指出，3D打印技術(shù)將在4-5年內(nèi)獲得廣泛應(yīng)用。地平線報(bào)告連續(xù)3年提到3D打印，并預(yù)測(cè)3D打印將作為重要的技術(shù)走入教學(xué)。隨著研究人員的持續(xù)關(guān)注和不斷普及，3D打印被創(chuàng)造性地應(yīng)用在國(guó)內(nèi)外中學(xué)教學(xué)中，促進(jìn)中學(xué)生創(chuàng)造能力、空間想象能力等高階思維的發(fā)展。

1 3D打印及其發(fā)展

3D打印(3D Printing，三維打印)是一種快速成形技術(shù)，它以數(shù)字化模型為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過(guò)逐層打印的方式構(gòu)造物體。由于其在制造工藝方面的創(chuàng)新，被認(rèn)為是“第三次工業(yè)革命的重要生產(chǎn)工具”[1]。與傳統(tǒng)加工方式相比，3D 打印技術(shù)將三維實(shí)體加工變?yōu)橛牲c(diǎn)到線、由線到面、由面到體的離散堆積成形過(guò)程，極大地降低了制造復(fù)雜度。

2013年，美國(guó)制定并實(shí)施MENTOR項(xiàng)目，將3D打印推廣普及至高中教學(xué)中，在引起學(xué)生對(duì)工程設(shè)計(jì)類課程興趣的同時(shí)提升其綜合知識(shí)與能力。3D打印技術(shù)在我國(guó)有一個(gè)逐漸推廣與普及的過(guò)程。2015年2月，工業(yè)和信息化部、發(fā)展改革委、財(cái)政部關(guān)于印發(fā)《國(guó)家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)計(jì)劃(2015-2016年)》的通知指出：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[2]。

隨著信息技術(shù)和“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)的快速發(fā)展，3D打印技術(shù)在各行各業(yè)的應(yīng)用備受歡迎，促進(jìn)了很多領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展，解決了許多實(shí)際問(wèn)題。例如，在教育領(lǐng)域，3D打印課程的開(kāi)設(shè)，讓學(xué)生看到自己創(chuàng)造的作品變成實(shí)物，在學(xué)習(xí)實(shí)踐過(guò)程中，學(xué)生的動(dòng)手能力、空間想象能力、思維能力、創(chuàng)新能力等得到全面發(fā)展與提高。

2 3D打印技術(shù)在中學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

在美國(guó)賓夕法尼亞州的一所中學(xué)，教師將一年級(jí)和八年級(jí)的學(xué)生異質(zhì)分組，利用3D打印技術(shù)共同完成了“走向綠色社區(qū)”的學(xué)習(xí)活動(dòng)。自2013年起，南京市秦淮區(qū)率先在南京基礎(chǔ)教育系統(tǒng)中引入3D打印技術(shù)，馬府街小學(xué)成為實(shí)驗(yàn)基地。3D打印技術(shù)應(yīng)用在教育實(shí)踐學(xué)習(xí)活動(dòng)中的步伐不斷加快，以某中學(xué)3D打印在教學(xué)中的應(yīng)用為例，利用3D打印創(chuàng)設(shè)一個(gè)任務(wù)驅(qū)動(dòng)的學(xué)習(xí)環(huán)境，讓學(xué)生體驗(yàn)在做中學(xué)的快樂(lè)，培養(yǎng)中學(xué)生的“創(chuàng)客”精神。

教師為學(xué)生創(chuàng)設(shè)3D打印與創(chuàng)意的課程環(huán)境，將工程和設(shè)計(jì)的核心概念和準(zhǔn)則教授給學(xué)生，在解決實(shí)際問(wèn)題的過(guò)程中，加強(qiáng)對(duì)抽象概念的理解和應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)思維。教師布置任務(wù)，學(xué)生分小組協(xié)作，利用3D打印設(shè)計(jì)有創(chuàng)意的實(shí)物作為最終考核的作品。小組展示打印的作品模型，各小組之間進(jìn)行評(píng)價(jià)，教師做最終的評(píng)價(jià)和總結(jié)。例如，打印橋梁模型，首先要了解橋梁的構(gòu)造、承重、立體圖形的設(shè)計(jì)等工程學(xué)知識(shí)。在設(shè)計(jì)建立三維模型環(huán)節(jié)，利用中小學(xué)常用的3D設(shè)計(jì)軟件例如3Done、123D等，將設(shè)計(jì)模型利用3D打印設(shè)備制作成實(shí)物，如圖1所示：

圖1 3D打印創(chuàng)意課程的教學(xué)流程

3D打印的模型具有快速生成的能力，設(shè)計(jì)好的模型可以直接快速生成實(shí)物，在真實(shí)的環(huán)境中激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力。STEAM領(lǐng)域的相關(guān)研究認(rèn)為，空間能力是學(xué)生創(chuàng)新能力表現(xiàn)的重要影響因素。3D設(shè)計(jì)的創(chuàng)造力表現(xiàn)需要具備相當(dāng)?shù)目臻g能力，空間能力高的學(xué)生在3DCAD設(shè)計(jì)中知道如何運(yùn)用構(gòu)成對(duì)象的不同組件間的空間關(guān)系，他們?cè)诋a(chǎn)品創(chuàng)意設(shè)計(jì)與制作活動(dòng)中的創(chuàng)造力表現(xiàn)更突出[3]。

3D打印技術(shù)將教師和學(xué)生的關(guān)系從教與學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)閳F(tuán)結(jié)協(xié)作，為學(xué)生提供了更多的參與學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)。在實(shí)踐學(xué)習(xí)活動(dòng)中，學(xué)生的動(dòng)手能力、設(shè)計(jì)能力、空間想象能力和創(chuàng)新能力等得到全面發(fā)展和提高。3D打印創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室以“創(chuàng)客精神”、“觸覺(jué)教育”為理念，由3D打印設(shè)備、教學(xué)平臺(tái)和專業(yè)指導(dǎo)人員構(gòu)成，為教學(xué)的發(fā)展和學(xué)生的學(xué)習(xí)提供了一個(gè)創(chuàng)意的平臺(tái)和學(xué)習(xí)方式。

3 3D打印教學(xué)創(chuàng)新應(yīng)用的特征

隨著信息技術(shù)和“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)的快速發(fā)展，3D打印被應(yīng)用在各學(xué)科教學(xué)中，化工領(lǐng)域制作3D立體分子模型；生物和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域制作分子、病毒等微觀世界的模型以及器官、人工關(guān)節(jié)、頭顱和心臟等復(fù)雜器官；在航空領(lǐng)域，打印飛機(jī)的零部件以及整個(gè)飛機(jī)模型進(jìn)行試飛；在歷史和考古領(lǐng)域，對(duì)文物修復(fù)和還原起著重要作用。3D打印技術(shù)發(fā)展與普及很快，運(yùn)用到基礎(chǔ)教育中的案例越來(lái)越多。

3.1 3D打印起到認(rèn)知工具的作用

3D打印為正式學(xué)習(xí)和非正式學(xué)習(xí)提供創(chuàng)意的情景，為學(xué)生提供更多參與學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)，體驗(yàn)“看得見(jiàn)的創(chuàng)意”。在中學(xué)的課堂上講立體幾何，為了幫助學(xué)生更好地建立立體感，可以將立體的圖形打印成實(shí)體，便于學(xué)生對(duì)立體概念的認(rèn)知和理解。在小學(xué)的科學(xué)課程上，為了給學(xué)生講力學(xué)的概念，學(xué)生分小組協(xié)作設(shè)計(jì)橋梁的結(jié)構(gòu)，并將設(shè)計(jì)好的三維橋梁圖形，用3D打印設(shè)備打印出實(shí)物，檢驗(yàn)橋梁的承重能力，在整個(gè)過(guò)程中培養(yǎng)了學(xué)生的探究和小組協(xié)作能力。

3.2 3D打印豐富和創(chuàng)造多樣化的教學(xué)方法

傳統(tǒng)的教學(xué)方法比較單一，學(xué)生的知識(shí)和能力水平提高有限。而3D打印在教學(xué)中的創(chuàng)新應(yīng)用，促使教學(xué)在方式和模式上朝著多融合、多樣化的方向發(fā)展。例如，3D打印技術(shù)將生物課上抽象的DNA鏈轉(zhuǎn)化成可觀察的、可觸摸的實(shí)體模型，為教師的教學(xué)提供更直觀的教具，有利于教師的教和學(xué)生的學(xué)。應(yīng)用3D打印進(jìn)行創(chuàng)新的教學(xué)方法，可以分成基于3D打印技術(shù)的創(chuàng)造性活動(dòng)的教學(xué)法、基于3D打印形成技能技巧的教學(xué)法、基于3D打印技術(shù)的任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法和基于3D打印技術(shù)的學(xué)生獨(dú)立自主學(xué)習(xí)法。

3.3 3D打印轉(zhuǎn)變了學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)的方式

學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)，是根據(jù)明確的目標(biāo)，采用科學(xué)的方法，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)按照一定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行量化，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況做出價(jià)值性判斷。3D打印技術(shù)在中學(xué)創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用，為學(xué)生提供了創(chuàng)意的學(xué)習(xí)環(huán)境，豐富了學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)容，加強(qiáng)了課堂交互活動(dòng)和協(xié)作學(xué)習(xí)。在教學(xué)過(guò)程中加強(qiáng)了教師和學(xué)生、學(xué)生和學(xué)生之間的互動(dòng)與協(xié)作，使評(píng)價(jià)主體多元化。3D打印在教學(xué)中的應(yīng)用，促使學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力增強(qiáng)，學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)貫穿整個(gè)教學(xué)過(guò)程，可以對(duì)學(xué)生設(shè)計(jì)模型、打印模型、后期處理、最終作品等過(guò)程進(jìn)行多元化的評(píng)價(jià)，這是不同于傳統(tǒng)的結(jié)果評(píng)價(jià)方式，更有利于對(duì)學(xué)生進(jìn)行合理客觀的價(jià)值評(píng)價(jià)。

4 結(jié)語(yǔ)

3D打印成功地運(yùn)用到教學(xué)中，不僅提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，而且促進(jìn)了學(xué)生動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力的提高，豐富和創(chuàng)造了多樣化的教學(xué)方法和評(píng)價(jià)方式。3D打印技術(shù)與教育的深度融合，需要不斷提高3D打印的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法以及教學(xué)模式。3D打印技術(shù)的普及還面臨諸多困難，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，相信3D打印技術(shù)的普及指日可待。