以建构主义为视角分析3D打印在教育中的应用——以人物动作模型制作为例

☆李淑立 陈仕品 张姗姗

（西华师范大学教育学院，四川南充 637000）

前言

3D打印技术近几年已家喻户晓，并在2013年由新媒体联盟发布的《地平线报告》中被提上日程，列为近4～5年内可能会对教育教学产生重大影响的新兴技术。与传统打印相比，由于其别出心裁的快速成型制造工艺，3D打印被誉为“第三次工业革命最具标志性的生产工具”。3D打印技术的出现在飞速发展着的信息时代留下了浓重的一笔。

一、3D打印简介

3D打印技术已不再鲜为人知，其原理很简单，类似于二维打印机。在传统打印中，我们只需点击电脑屏幕上的“打印”按钮，一份数字文件便被传送到一台喷墨打印机上，它将一层墨水喷到纸的表面以形成一副二维图像。而在3D打印时，通过电脑辅助设计技术（CAD）完成一系列数字切片，并将这些切片的信息传送到3D打印机上，3D打印机会将连续的薄型层面堆叠起来，直到一个固态物体成型。3D打印机与传统打印机最大的区别在于它使用的是实实在在的原材料。

3D打印技术又被称为快速成型技术，是一种可以通过电脑辅助设计（CAD）、三维建模软件、计算机断层成像术（CAT）等软件工具，将三维数字信息转换成实物的技术。3D打印技术以数字模型文件为基础，通过逐层打印的方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料等可粘合性材料设计制造成型，主流技术有立体光刻造型技术（简称SLA）、熔融层积成型技术（简称FDM）、选择性激光烧结（简称SLS）。3D打印机通过逐层打印将电子文件变成实体模型，主要有两种方式：一种是“挤压”型，即将塑料或其他柔性材料像挤牙膏一样做成模型；另一种是“喷墨”型，即将黏合剂像喷墨一样喷到可黏合粉末层上，使其成型。[1]

二、3D打印在教育中的创新应用

目前，3D打印技术已在各学科领域都有所涉及，例如：电子、化学、生物、医疗、数学、航空航天、国防、地理、烹饪、机电工程、建筑设计、历史、考古、动画设计、天文、力学、消费产品等领域。3D打印技术的引入，为教育教学的创新开启了一扇大门。3D打印可以激发学生们无限的创造力，帮助他们在现实世界中了解、保留并测试自己的创意。作为一种通用的技术，它可以应用到大部分的学科中去，涵盖正式学习、非正式学习和培训等类型的教育，尤其适用于设计、工程相关领域或是需要快速制作模型的领域。[2]今后，工程师、设计师和问题解决者需要尽一切可能打造光明的未来。

在建筑领域中，教师可通过CAD软件绘制出建筑模型，将相应的数据信息输入至3D打印机中，即可打印出所设计建筑的缩微模型。学生可以根据教师的制作方法和步骤直接观测到建筑模型，直观又有效。最后，学生可模仿教师，在此基础上制作自己的建筑模型，并可以进一步创新。

在动画设计中，学生可以利用3D建模软件对动漫人物的形象，如：外貌、服饰、发髻等，进行个性化设计和创新性设计。然后，利用3D打印的快速成型技术生成所需的动漫模型。

在历史、考古中，有些文物是独一无二的，专家可以使用3D打印机制作出更多的文物模型，分派到其他博物馆，供更多中华儿女欣赏，以开阔眼界，并对中国浩瀚的历史进一步了解。对于易碎或残缺的历史文物，专家同样可以利用3D打印技术将其复原并保存。

在医学领域中，医生可以利用3D打印技术制造人类器官，为病患移植。还可以制作人体构造的简易模型、DNA空间结构模型、细胞结构模型等，供医学院学生形象直观地进行学习。

三、以建构主义为视角分析人物动作模型制作案例

以北卡罗莱纳州立大学利用3D打印技术制作人物动作模型为例。[3]作为美国的顶级研究机构之一，北卡罗莱纳州立大学在广泛的研究领域中拥有超过580项的专利。该所大学拥有推动创新和协作学习的良好环境，其工业设计系的创新氛围尤为突出。在这里，教师侧重于使用设计和技术解决从交通设计到医疗仪器等各种领域的问题。教师可以指导工业设计系的学生如何利用可视化技术和快速原型技术来创造性地切实解决松散定义的设计问题，并类似于在现实世界中。

（一）制作人物动作模型案例简介

北卡罗莱纳州立大学工业设计系助理教授Spencer Barnes在他的“先进的数字化产品建模”课程中给工业设计系的本科生和研究生们提出了一项特殊的挑战，要求他们使用三维表面建模程序和3D打印机创建人物动作模型。

利用3D打印制作人物动作模型的项目得益于夏季电影大片《变形金刚》的启发，其目的是教学生如何利用工作流操作来完成具有挑战性的设计任务。工作流操作涉及到一个设计问题，即使用软件和输出流程的新组合，有效且高效地完成任务。因此，该项目要求学生创新使用3D打印机来制作人物动作模型。

学生们可以以电影、卡通或漫画中的人物为模型，也可以独创一个新的人物为模型。在学生们开始建模之前，需要对人物形象展开设想，且绘出参考草图。模型设计可高达六英尺，所以，必须有大量的细节描述以供建模。在塑造好人物动作模型后，学生将之转换为可打印的文件格式并送到3D打印机打印即可。待打印完成后，学生便可展示他们的作品。

在项目最终评审中，学生可以展示他们的设想和人物参考草图，以及人物动作模型。同学之间可进行评价，同时，教师给予评价，最后再做出总结。

（二）以建构主义为视角分析人物动作模型制作案例

3D打印技术对于教育的重要价值之一，在于它能够创造对事物更真实、可靠的探索机会，而这样的机会对于大学来说可能非常难得。[4]3D打印在教育教学中的创新应用，使得对教师的要求有所提高，教师需要从技术和教学设计等层面进行改善和学习，起到带头的关键作用。一方面，教师自身是3D打印的使用者，可以通过3D打印制作个性化的教学模型；另一方面，教师要进行3D打印课程应用的教学设计，帮助和引导学生展开学习活动。[5]

1.任务之初

北卡罗莱纳州立大学工业设计系助理教授Spencer Barnes设计的项目适用对象是本科生和研究生。3D打印机的使用以及人物动作模型的设计制作对参与的对象有较高要求，不仅在自主学习能力上有所要求，而且在技术制作水平上亦是如此。而项目研究的对象是本科生和研究生，恰好符合了所需学习者的特征。从建构主义理论视角来看，教师正是以学生为中心，提出了人物动作模型制作的项目，该项目富有挑战性，可激发学生的学习动机，培养学生的学习兴趣和意识。教师在提出任务之初，遵循了建构主义理论中注重学生为中心的原则，而这一原则又是贯穿于项目始终的。

2.分析设计

待任务提出之后，学生们便开始了探究之路，他们打开思绪，以电影、动漫等为素材，挑选人物造型，或开动自己的想象进行原创设计，充分发挥了学习的主动性，体现出了学生的首创精神。在富有挑战性的情景活动中，教师有必要给学生提供丰富的信息资源，学生可以利用资源进行探索，且学生之间通过协作共同寻找设计思路。这一过程也是学生在原有知识基础上进行意义建构的过程。在分析设计阶段中，该项目活动遵循了建构主义学习环境下，教学设计强调以学生为中心的原则，强调情境对意义建构的重要作用，强调了协作学习对意义建构的重要作用，强调对学习环境设计的重要性，强调要提供各种信息资源以支持学生的“学”。[6]

3.设计制作

在各种信息资源的支持下，学生们对之前的设想付诸实施，绘制参考草图，然后，利用3D建模软件对人物动作模型进行建模。待建模完成后，将之转换成可打印格式发送至3D打印机进行打印即可。在利用3D打印机制作模型的过程中，教师可以用各种设计问题来吸引学生们的注意。例如：在模型的稳定性问题中或者是模型的站立和平衡问题中，如何对所有运动部件的草图和间隙进行绘制和设计。此外，3D打印机协同其他要素对学生的创作起到了关键作用，其优势和潜能为项目所重视。在人物动作模型设计制作过程中，遵循了以学生为中心的原则，强调了协作学习对意义建构的重要性，强调各种信息资源支持学生“学”的建构主义教学设计基本原则。

4.分享交流与评价

学生可以与其他学生分享自己的设计思路，展示自己的作品，相互之间可以交流参加制作模型之后的心得。在向他人展示分享之后，教师和其他学生可以对该作品进行客观公允的评价，指出作品的成功与不足之处。该阶段是学生与学生之间相互学习、取长补短的阶段，也是学生开始自我反思的阶段。据Spencer Barnes教授所说，学生们的成果是优秀的和多样化的，一些人物动作模型是受电影的启发，其他的则是学生们的原创。人物动作模型功能正常，虽是静态的姿势，却传达出很强的运动感。最终阶段遵循了建构主义理论中以学生为中心的原则，以及强调学习过程的最终目的是完成意义建构(而非完成教学目标)的原则。[8]

3D打印机使师生完成了看起来几乎不可能完成的事情，那就是制作可活动的动作玩偶，而且成本较低，不用通过服务机构，也不会产生相关的延时和生产成本。3D打印机有效地实现了设计人员的想法可视化，以推动设计流程走向创新。它为设计者评估和优化他们的模型提供了精确参考。

四、总结

随着智能技术的发展，3D打印技术也将逐渐走向成熟，“任何技术都倾向于创造一个新的人类环境”，3D打印技术将继续在教育领域熠熠生辉。从长远来看，对3D打印技术的研究有助于我们把握和预见技术在教育领域中的应用方式和应用前景，并进一步探讨如何充分发挥新技术的特点和优势，通过技术在教育中的应用体现和提升其价值。[9]从建构主义的视角表明，3D打印在教育中的应用充分体现了“以学生为中心”以及其他建构主义教学设计原则，促进了教育创新。

[1]3D打印[J].上海教育,2013(26):22-24.

[2]李青,王青.3D打印:一种新兴的学习技术[J].远程教育杂志,2013,(4):29-35.

[3]Stratasys.North Carolina State U Case Study[EB/OL].2013-03-15.http://www.stratasys.com/resources/case-studies/education/north-carolina-state.

[4][7]Johnson,L.,Adams Becker,S.,Cummins,M.,etal(2013).NMC Horizon Report:2013Higher Education Edition.Austin,Texas：The New Media Consortium.(参见中文版:张铁道,殷丙山等译.国际教育信息化2013地平线报告(高等教育版)[J].北京广播电视大学学报,2013,(2):8-30.

[5][9]王萍.3D打印及其教育应用初探[J].中国远程教育,2013,(8):83-87.

[6][8]何克抗.建构主义的教学模式、教学方法与教学设计[J].北京:北京师范大学学报(社会科学版),1997,(5):74-81.