3D打印技术在创新实验教学中的学习活动设计框架研究

白伟伟+方海光+杨志亚+焦宝聪

摘要：3D打印技术的普及和应用，为创新教育提供了新资源、新工具。创新实验教学作为创新教育的关键环节，引入3D打印技术，构造出虚拟实验室和实体实验室相结合的教学平台，能够促进学生的设计思维和创新能力。本研究首先阐述了创新实验教学的概念，然后，基于学习理论、“做中学”理论及活动理论，构建出3D打印技术应用在创新实验教学中学习活动设计的框架。最后，设计并展示了数学实验正多面体学习活动的教学案例，以验证其有效性。

关键词：3D打印技术；设计思维；创新能力；创新实验教学；学习活动

中图分类号：G434 文献标识码：A 论文编号：1674-2117（2016）23-0066-05

引言

在创客运动的大浪潮下，以信息技术为基础的创新教育，融合了项目学习活动、体验式教育及DIY理念的思想。3D打印作为创客运动中的重要的一部分，近年在建筑、材料、医学和教学科研等领域，逐渐引起广泛关注与研究。尤其是中小学基础教育领域，3D打印技术为创新实验教学提供技术支持，优化实验教学过程。

创新教育是指设计并实施创新的教学活动来提高学生的创新思维，进而实现新的思想和理念、新的发明、新的方式以及新的学说与技术等新事物的教育，是以培养学生的创新思维和动手实践能力为价值导向的教育模式。培养创新型高级人才，关键在于创新教学，其重要环节就是实验教学创新。

创新实验教学

实验教学是指在教师的指导下，学生根据课题规定的任务，使用专门的设备和仪器对研究对象进行操作、控制和模拟，在最有利的条件下对其进行观察，将抽象思维和具象思维、接受知识与训练技能相结合，从而获得经验事实的一种教学形式。根据文献调查法得出的结论，本研究将创新实验教学类型主要分为基本理论类实验、问题解决类实验和创新综合类实验。本研究从多个维度对创新实验教学与传统实验教学进行比较，其异同点如表1所示。

3D打印技术与设计思维

3D打印技术以数字模型文件为基础，通过“积层造型法”逐层打印材料层创建实体模型，主要用于原型设计及产品制造。常用的3D设计软件有SketchUp、AutoCAD、Blender等，亦可通过Kinect、goSCAN等专业的3D扫描设备，获得物体的三维数据。3D打印常用的材料有：尼龙玻纤、石膏材料、橡胶类，甚至是食物材料等，采用粘合剂为物体上色。

在二维的设计思维模式下，经常出现平面、立面、剖面数据差错的现象，这实质上是二维的设计工具限制了设计者的思维所致。人脑接收到感官感觉到的直观形态的信号，经过三维到二维的思维转化过程，极可能出现偏差。如图1所示，大脑的思维初始状态是简单的、零散的，培养设计思维的最终状态是达到系统、创新、全面综合的水平。

教师在培养学生设计思维的过程中，首先应培养学生用立体思维方式进行思考的能力和空间想象能力。3D设计软件是设计工具的进步，更是对固有思维模式进行重建，它能更好地帮助学生构造空间思维。学生对所设计的物体内部结构进行观察、体验、修改，从设计对象中抽取元素，其与之后进行重组的过程是设计思维的关键阶段，此阶段可以帮助学生在抽象与具象思维之间转换。模型中的所有数据相互关联，改变其中某一数据值，与其相关的数据会相应变化，简化了繁重的修改过程。

构建3D打印技术在创新实验教学中的学习活动设计框架

在3D打印技术支持下的学习活动中，对学生和教师的能力要求，以及活动对资源和工具的要求与传统课堂均有异同。本研究设计和探索可操作性强的学习活动，为基于3D打印技术的创新实验教学提供参考和指导。

1.理论基础

（1）建构主义学习理论。在基于3D打印技术的创新实验教学中，3D打印机制作的教具使学习情境更接近于真实情境。学生利用3D设计软件动手操作，自主构建知识的意义，认知过程更完整。

（2）杜威的“做中学”理论。学生利用3D设计技术开展观察、实验、探究、设计、操作等学习活动，将抽象的知识打造成实体模型，获得直接的学习经验。

（3）活动理论。活动理论的关注单元是一个超出学生个体的“活动系统”。上页图2为基于3D打印技术的学习活动系统结构图，如图可知活动系统包括主体、客体、共同体、工具、劳动分工和规则6个要素。系统的核心成分为主体、客体和共同体，与另外3个要素共同组成交流子系统、生产子系统、消耗子系统和分配子系统。

2.3D打印技术在创新实验教学中的学习活动设计的框架

本研究根据学习活动系统中六要素的关系，综合教学设计的ADDIE模式，构建了3D打印技术在创新实验教学中的学习活动设计的框架，如图3所示。在创新实验教学中，每个阶段都离不开结构化、序列化的学习活动。

（1）学习目标分析。教师要对学习目标进行分析，确定特定的学习任务，充分利用3D设计和3D打印技术的优势，使用3D打印技术支持环境下的实验教学满足特定的教学需求。

（2）准备阶段。将学习任务按照知识点设计为不同的学习子任务，如理论知识学习、实物考察、3D设计软件的操作学习、测试题、课堂练习等。在学习共同体及任务分工设计阶段，学生和教学组织者师共同组成学习共同体，在实体实验环境中或虚拟平台上，教学组织者师会制定制订学习计划，安排学习主体进行小组学习或个体学习。此时，教学组织者师会根据学习个体的兴趣和特点对其进行学习分工，在学生原有的认知发展水平基础上建立教学活动。

（3）实施阶段。教师首先要对学习主体的初始技能和原有认知结构进行测试，根据测试情况，设计有效的教学内容，选择合适的媒体工具，以及对媒体工具所具有的技术约束进行调试，确保技术因素不会影响教学效果。制定协作交流规则、使用3D打印技术的操作规范以及评价规则等，然后进行教学过程的设计。

（4）评价阶段。教学组织者师对整个学习活动流程进行过程性评价，并依据反馈结果对各学习阶段进行修改。

3.3D打印技术在创新实验教学中的教学流程设计

如下页图4所示，教师首先要创设问题情境，将具体的活动任务融入到真实学习的生活情境中，从学生已有知识经验出发，激发学生探索解决方案的动机，使学生在掌握知识的同时提高设计思维能力。学生基于原有的认知结构，查阅相关资料，进行猜想与假设，设计可行的实验方案。学习共同体进行评价，并及时反馈与指导。当设计方案可行时，教师在虚拟平台上进行学习资源的呈现，给学生提供学习支架，对实验原理进行3D动画模拟演示，回顾先决性知识。学生按照可操作的实验方案，利用3D软件设计实验的工具和材料。实验教学的目的不只是让学生掌握实验结论，更注重学生探索和解决问题的过程中思维能力的提高。在虚拟平台上设置了异步讨论功能，学生要定期汇报设计的进度，教师也要及时答疑解惑。在讨论中，学生要认识到自己设计中出现的错误，并加以改正。教学组织者师应积极创设支持学生自主学习和协作学习的条件，这是培养设计思维的有力保证，让学生进行自主的意义建构。针对不同难易程度的实验内容，合理安排在虚拟平台上自主学习的时间。

在实体实验室进行合作学习时，对于设计阶段学生存在的软件操作功能问题，教师给予技术指导，并且对设计过程进行引导，使其更有利于知识的建构，这对教师掌握3D设计的能力和扎实的学科知识有很高的要求。完成设计作品时，使用3D打印机打印出个性化的实验工具和材料，3D打印作品的材料、大小不同，消耗的时间就不同。在实验操作阶段，教师在实验前应重点讲解实验目的及注意事项，辅助学生理解问题。在实验过程中，教师注重对学生进行点拨和启迪，让学生的思维向解决问题的方向思考。教师组织学生利用3D打印出的实验工具和实验材料进行实验，若实验结果错误，反思出现问题的环节，进行迭代设计。若实验成功，组织小组讨论，探索实验结论。学习共同体围绕有关的设计内容及问题从不同角度进行点评，提出修改意见。学生在虚拟实验室中自主学习，再次进行迭代设计，对作品进行完善，撰写设计报告和实验报告。教师整理优秀作品，在虚拟平台上分享教学案例，在实体空间中展示3D打印作品，组织参观与展览。

3D打印技术在创新实验教学的案例应用

本案例基于高中数学实验课程，旨在利用3DOne软件探究正多面体的种类及特征。3DOne软件是一款适合于中小学生创意设计的3D建模设计软件，操作简单，功能丰富。在学生已掌握了正多面体概念（每个面都是有相同边数的正多边形，每个顶点为端点都有相同棱数的凸多面体。）的前提下顺利开展了打印活动。欧拉多面体公式为：V（顶点数）+F（面数）-E（棱数）=2。根据以上学习活动设计框架，探究正多面体的种类及特征的学习活动设计过程，如上页表2所示。学生在学习活动结束后，对立体几何的内部空间构造以及立体图形的顶点、棱、面等元素的关系认识更清晰，立体空间思维得到提升。

总结

本研究对3D打印技术在创新实验教学中的学习活动进行设计，为创新实验教学中使用3D打印技术的学习活动提供了参考模型，在一定程度上提高了学生的设计思维和动手操作能力。本研究的后续研究方向是探讨如何建设特色课程内容，需要精准了解学生在基于3D打印技术支持下的创新实验中的学习需求，对3D打印技术应用在创新实验教学中设计模型的大数据的收集和分析，如学生个体及学生总体的3D设计模型、3D打印记录，以及网上现存的3D模型，掌握学生设计思维学习过程中的特征。目的是为了定位困难学生群体、影响学生学习的因素，设计更好的创新实验的教学方法，以期能够为大数据背景下的信息技术与课程整合提供更多实践性参考。