中小学3D打印课程设计与实践研究

许玄玄

摘 要：3D打印技术作为近年来备受关注的新型技术之一，对STEAM教育、创客教育等新教育模式有着重要的影响。目前，我国各地的中小学也在逐步以各种形式开展3D打印课程，用于重点培养学生的空间能力，提高学生的创新、创造能力。文章基于戴尔的“经验之塔”、杜威的做中学、DIY思想以及项目式学习的理论与方法，设计出中小学3D打印课程的具体教学模块及3D打印课程的教学模式并进行了实践，以期为3D打印课程的建设与研究提供参考，为一线教师的教学实践提供借鉴。

关键词：创客教育;STEAM;3D打印;课程设计

中图分类号：G420        文獻标志码：B          文章编号：1673-8454（2019）08-0021-04

一、引言

3D打印技术是一种新型的快速成型技术，是利用计算机辅助设计软件或实体扫描设备形成数字化模型，运用粉末状金属、塑料或面粉等可粘合材料，通过逐层打印的方法来实现物体创建的技术[1]。其与学习分析技术、大规模网络课程、可穿戴技术等同时被《2013地平线报告》列为影响高等教育的六大技术。

3D打印在教学中的应用主要有三种模式：用于制作增强型的立体教具、学具，用于辅导学生进行创新，用于强化课堂交互活动和协作学习[2]。随着 3D 打印技术的不断完善和进步，3D打印从象牙塔里的高科技，发展成为融入学校、家庭和社会教育常态的具有革命性影响的技术，成为技术支持教育应用创新不可或缺的元素[3]。

在《新媒体联盟地平线报告（2015基础教育版）》中，将3D打印列为未来2-3年技术驱动K12教育的重要趋势[4]。在国内外，3D打印技术已经逐步融入到了K12教育的探索实践和研究之中。

在国外，自2013年以来，美国有超过20个州的K12教育机构以3D打印技术与开源硬件平台为基础，建设创客空间（Maker Space）或创新实验室（Fab Lab）[5];Gaia 3D公司与英国教育和科学部合作开发了多种K-12 3D教学课件，并不断开发运动传感器和语音识别技术在教室中使用，如微软Kinect[6];英国教育和科学部还开展了一项为期一年的试验项目（2012年10月-2013年9月），以21个学校为试点，以3D打印作为一种课程资源，将数学、物理、计算机科学、工程和设计等课程融入进去，推动了教学创新[7]。

随着STEAM教育、创客教育等新教育模式的提出，3D打印也受到了国内教育者们的重视。杭州采荷第三小学教育集团提出“第三教育空间”理念并开设“3D打印创意工作室”[8];广州“智创空间”（ZC Space）的创始人提出以智能机器人设计制作、3D打印技术应用和Scratch与机器人融合作为创客教育“三剑客”[9];上海、武汉等地的中小学都在逐步配备3D打印机并建立3D打印实验中心或开设3D打印课程[10]。

3D打印引起国内外的广泛关注。2013年以来，3D打印技术在教育领域的研究越来越多，但大都集中在对其原理、发展现状、各学科教与学及应用模式等方面的研究。3D打印技术在教育领域中的实际应用仍存在着很大的挑战。入门级3D打印机的工作效率很低 ，一个不太复杂的小物体都要数个小时才能打印出来，需要同时配备多台3D打印机才能满足一个30人小教学班的一次教学活动需要[2]。

3D打印课程与一般的学科课程不同，对教师提出了新的要求。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[11]。本文基于相关的理论与方法，对中小学3D打印课程进行了设计与实践，希望为广大教育工作者在课程设计上提供参考，在教学实践中提供借鉴。

二、相关理论与方法

1.“经验之塔”理论

“经验之塔”理论源于美国教育家戴尔在 1946 年所著的《教学中的视听方法》，它是“具体经验”到“抽象经验”的综合，一共上下10层，塔的最下层是最具体的经验，越往上经验越抽象，即言语符号是最抽象的经验，而位于塔中层的视听媒体较语言、视觉符号更能为学生提供具体和易于理解的经验，并能冲破时空的限制，弥补其他直接经验方式之不足[12]。

“经验之塔”（见图1）可分为三个层次的经验，分别是“做”的经验、“观察”的经验、“抽象”的经验。所谓“做”的经验，就是实践的经验，即学习者通过自己动手操作、直接参与，从实践活动中获取到的学习经验，比如说动手用橡皮泥捏一个东西、参与项目活动等。

3D 打印技术不仅可以与学科进行结合，快速生成教具，弥补上层“抽象”经验的不足，还可以让学习者自己动手设计并制作模型，促进学生的创新思维和视觉素养的发展，也充分发挥了“做”的经验的优势。

2.做中学和DIY

“做中学”既是一种教学方法也是一种教学理念。美国著名教育家杜威认为，“做中学”即从生活经验中积累知识、从实际活动中进行学习，在情景化的教学场所中，让学生通过亲身体验，在不断地观察、实验、探究、创作中解决真实问题[13]。杜威的“教育即经验”“教育生活”“教育即生长”三个核心命题[13]也体现在3D打印课程中。

学生可以通过三维建模软件将自己的设计进行建造，然后通过3D打印机快速成型，学生的想法真正变成了实物，而不只是脑海中的构想或草纸上的构图。这是一件很美妙也很有意义的事情，学生从教育的消费者转变成教育的创造者。同时，这也是一种DIY（Do It Yourself）思想，自己设计、自己动手制作，全程都是自己操作，注重过程与实践、知识与能力，在做的过程中，真正做到“做中学”。

3.项目式学习

项目式学习（Project-Based Learning，简称PBL）是一套系统的教学方法，它是以解决真实、负责的问题为目的，对项目任务进行精心设计、探究、实施的过程。在这个过程中，学生能够进行设想、验证、完善、创造出某种东西，从而培养创新能力和动手操作能力[14]。基于项目的学习强调对学生动手能力的培养，强调“经验”“学生”和“活动”这三个中心[15]。

在3D打印课程中，这里的项目并非完全意义上的项目，它可以是一个生活中的实际问题，可以是学生感兴趣的点，也可以理解成一项有意义的实践活动。在基于项目的学习中，学生通过各种探究活动及与小组交流交互，制作作品來完成知识的学习及解决实际问题，促进学生从消费者向创造者转变。图2是一个基于项目式学习的模式图，全程都是以项目驱动的，这个模式也可以应用在3D打印课程的学习中。

三、研究方法

本文采用的研究方法主要是实证研究法与问卷调查研究方法。本次实证研究的场所是在北京一所中小学的计算机室，参与者是4名大学教师、3名研究生、1名中学教师以及23名学生（其中包括21名七年级学生，2名八年级学生）。

本次3D打印课程的设计是由北京邮电大学教育技术研究所的4名教师和3名研究生组成的课程设计研究团队完成的，其中一名教师和3名研究生具体负责课程的设计和课程的实践，另外3名教师是课程设计的指导专家和3D打印专业技术的专家。

3D打印创客教育的形式通常包括兴趣班、校本课程以及教科研项目[17]。本次课程学习，是以兴趣班的形式进行，也就是说这23名学生是对3D打印有一定的兴趣且自愿参加的。该课程时间安排是每周一小时，长达4个学期。

首先，由1名教师和3名研究生负责3D打印课程的具体设计;其次，相关专家进行审核和指导，再对开发的课程进行设计优化;然后，对修改后的课程进行实践;最后，进行实践之后，收集学生和教师的反馈，促进下一步课程的设计与安排。本文对3D打印课程的实践进行研究，设计出3D打印课程的具体模块及教学模式。

  四、3D打印课程的设计与实践

1.3D打印课程教学模式设计

根据上述理论与方法并结合具体的课程实践，提出了一个3D打印课程教学模式图（见图3）。该课程模式主要分为两个部分：课内和课外。课内主要是进行教学活动，课外主要是在网上进行的一些互动，以弥补课内学习时间不足的问题。

在课堂教学中，先由教师创设一定的生活情景进行情景点拨，在引入模型的同时激发学生的兴趣，学生对学习内容有兴趣，才会产生更强的学习动机达到更好的学习效果;接着，在兴趣的引导下，教师带领学生讨论和分析需要设计的模型，并将整个模型分解成一个个小模型;然后，把学生分成5个小组，并选出善于交流具有领导能力的学生作为小组长，让他们在小组内进行合作，构建课程内容模型;学生完成教师设定好的模型后，教师应注重拓展学生的思路、发挥学生的想象力和创造力，在原模型的基础上进行重新设计;初步设计好模型之后，学生独立自主地进行分析建模，然后再设计、再建模，以此类推直到完成满意的作品。

课内的全过程都会有教师指导和学生反馈（主要采用问卷法和访谈法），教师根据学生每一阶段的反馈不断完善课程。例如，在制作杯子模型时，我们创设生活中的场景，将普通马克杯这一设定好的模型引入，然后分析模型并建模。

一个普通杯子的模型建好之后，为拓展学生的思路，让学生思考使用者在使用杯子时都有哪些需求，如何尽量满足这些需求？杯子主要是用来喝水的，水的温度对使用者的影响较大，那如何才能在没喝水之前就知道温度呢？又如何对杯子的外形进行改变使其更有趣呢？

再比如，学生长期使用笔写字，导致手指长茧子或手指变形，如何解决这种问题，笔应该怎样设计才好？一系列生活中的问题抛出去，不仅激发了学生的兴趣，同时也拓展了学生的思维。

在课程中，教师应更加注重学科融合，也就是要将语文、数学、物理、化学、美术等多学科的知识跟3D打印课程融合。比如，设计汉诺塔、小算盘或过滤装置的模型，让学生用自制的模型进行操作，在3D打印课程中提高学生运用多学科知识的能力。

在课外，为了鼓励学生发挥想象进行创意设计，在他们基本掌握建模软件功能后，我们建立了一个QQ群和百度网盘，在网盘里学生可以用已有的知识设计作品，并把作品分享给其他学生，同时学生和教师都可以把网络上的一些优质资源放到网络社区进行分享。在QQ群里，学生之间可以进行互相提问和解答，必要时可求助教师的指导，也可以对他人的作品作出评价。

本次课程学习的重点不是把学生培养成建模高手，而是让学生通过接触3D打印这一新兴技术来培养创新思维、空间思维、设计思维或者是视觉素养，同时让学生体会创新与分享的快乐。

为充分激发学生们的创造力和想象力，我们开展了作品创意比赛项目，在小组之间及组与组之间进行创意比拼，使用一定的奖励机制，让学生对不同作品点评投票，发挥网络社区的更多优势，充分调动学生的积极性和参与性，真正让学生成为创造者、发明者。网络社区是学生交流互动的空间，当然也离不开教师对学生的指导和对空间的维护。

该教学模式不仅关注到课内的教学活动，更考虑到课外网络上的活动。课内主要是“教师教授-学生学习”“教师指导-学生发散思维”的过程;而课外则是学生在生活中“发现创意-创意变为现实”以及学生交流互动的过程。生活中处处有创意，创意不应该只局限于课堂上。课外时间，学生有了灵感或创意也可以通过网络与教师或同学进行交流，更容易捕获创意、激发学生的积极性。

2.3D打印课程模块设计

一般来说，通过3D打印机获得一件物品需要经历建模、分割、打印和后期处理四个主要阶段[18]。根据这四个阶段，我们进行了课程体系设计。关于建模软件，我们选择的是免费的123D Design软件，并且课程的重点和难点也在建模这一部分。

关于分层部分，我们根据不同的打印机选择不同的切片软件，在建模课程学习的部分会把切片的知识穿插进去;关于打印和后期处理部分，主要是将构建并分层好的模型进行打印并美化的过程，这一过程也会体现在课时中。

根据3D打印的四个阶段，设计了课程模块。从表1课程模块的教学课时中可以看出，其主要集中在3D建模软件的学习与应用及动手打印两个部分。虽然课程重点不是将学生培养成建模高手，但3D建模软件是学生把创意可视化的一个重要工具，且对于中小学生来讲，这类软件的学习有一定难度，因此我们会用较多时间进行软件的学习。

掌握基本的建模软件知识之后，学生可以将一些简单想法或新奇的创意展现出来，还可以利用现有的3D打印机打印出来。当看着一个个创意一层一层地打印出来，学生一定会对3D打印技术有更深刻的理解。

五、讨论与结语

本文提出了一种基于3D打印理论与方法并结合教学实践的全新教学模式，设计实践了以教师引导为基础，以兴趣培养为导向，以提高学生创造能力和空间想象能力为目标的课内教学活动与课下互动探讨紧密结合的课程教学模式。

我们将这一模式应用在教学实践中，发现其中82.6%的学生认为该课程能够启发他们的思维，培养他们的动手能力，并且80%以上的学生表示他们通过该课程的学习有不同程度的收获。在问卷调查中发现，约70%的学生会在课堂上给其他学生帮助以及65%的学生需要其他学生的帮助，78%的学生认为网络上的资源对他们的学习是有帮助的。

虽然本次3D打印课程取得了一定的成效，基本达到了预设的目标，但本文中所构建的课程体系及教学模式设计也有一些不成熟的地方。如何更好地与其他学科融合以及激发学生自行想象、创造能力，在接下来的教学实践中还需要进行不断完善。我们会进一步结合3D打印课程教学，探索更加行之有效的课程体系与教学模式，并将3D打印技术与其他课程有机结合，推进教育教学效果，以期为我国初高等教育的课程建设与研究以及教育理论革新提供参考。

参考文献：

[1]卜娟娟，肖瑞雪，麻娟等.3D打印技术在中小学教育中的应用研究[J].软件导刊（教育技术），2014（12）：94-95.

[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]孙江山，吴永和，任友群.3D打印教育创新：创客空间、创新实验室和STEAM[J].现代远程教育研究，2015（4）：96-103.

[4]L.约翰逊，S.亚当斯贝克尔，V.埃斯特拉达等.新媒体联盟地平线报告（2015基础教育版）[J].北京广播电视大学学报，2015（S1）：54-98.

[5]王志强，卓泽林.美国中小学创客教育的现状、理念与挑战[J].比较教育研究，2016（7）：27-31.

[6]王娟，吴永和，段晔等.3D技术教育应用创新透视[J].现代远程教育研究，2015（1）：62-71.

[7]3D打印技术在英国学校试点 由教育部门发起[EB/OL].http：//www.zhizaoye.net/3D/dong/2013-01-04/20495.html.

[8]王美，王良辉，刘中晓等.基于3D打印技术的特色课程研究——以“3D打印创意工作室”课程为例[J].现代教育技术，2015（8）：120-126.

[9]王同聚.智能机器人制作与程序设计[M].北京：教育科学出版社，2015.

[10]丁焱.中小学开设3D打印课程的意义[J].中国现代教育装备，2014（14）：84-85+88.

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

[12]焦丽珍.神奇的“经验之塔”——《视听教学法之理论》[J].现代教育技术，2012（6）：126.

[13][美]约翰·杜威著，王承绪译.民主主义与教育[M].北京：人民教育出版社，1990.

[14][美]巴克教育研究所著，任伟译.项目学习教师指南——21世纪的中学教学法（第2版）[M].北京：教育科学出版社，2008.

[15]刘景福，钟志贤.基于项目的学习（PBL）模式研究[J].外国教育研究，2002（11）：18-22.

[16]Haonan Wang，Chun Zhou，Youghe wu. Smart Cup，Wisdom Creation：A project-Based Learning Initiative for Maker Education[J].International Conference on Advanced Learning Technologies，2016（11）：486-488.

[17]姚毅锋，吴道吉.3D打印在中小学创新教育中的实践探索[J].廣东科技，2016，25（14）：75-76.

[18]王灿才.3D打印的发展现状分析[J].丝网印刷，2012（9）：39-43..  （编辑：李晓萍）