3D打印在教育中的应用解析—基于文献的共词可视化研究

张临英

陕西师范大学教育学院， 西安 710062

3D打印是一种增材制造技术。即以三维数字模型为参数，由3D打印机配置的专业软件分层切割三维模型，将高分子粉末、陶瓷、光敏树脂、食品和尼龙等打印耗材自动化逐层喷涂或熔结到三维空间中，最终通过固化、分离、整理和着色等程序完成三维模型的制作[1]。早在20世纪90年代中期就出现了3D打印技术：1991年，麻省理工大学的Scans E M和Cima M J等申请了3D打印专利，标志着3D打印技术的正式确立[2]。经过20多年的探索和发展，3D打印技术更加成熟，其打印方式由传统的自下而上扩展到自上而下打印[3]，丰富了打印技术类型。随着技术的发展，3D打印不仅仅活跃于专业人员中，非专业人员亦可通过3D Slash、3D One Plus、Auto CAD、Sketch Up等软件或网页站内小程序设计感兴趣的三维模型，通过3D打印机转化成实物。最近，该技术得到推广、普及，主要应用在工程设计、生物医学、食品加工等领域，引起了各界的关注，普遍认为是第三次工业革命的重要表现形式之一[4]。同时，3D打印技术引起教育研究者的特别关注，逐渐应用到教育领域，成为我国教育领域的研究热点。文章通过分析3D打印技术在教育中的研究现状和发展趋势，以期为3D打印有效应用于教育领域的研究提供参考。

1 研究设计

1.1 研究数据来源

在CNKI全文数据库中采用专业检索，检索表达语法为“SU=‘3D打印’AND SU=‘教育’”，统计时间为2013—2018年(具体截止时间为2018年7月31日)，共检索出与主题相关的文献233篇；通过人工初步筛选，摘除会议通知、广告等与研究主题关联不大的文献，最终获得214篇有效文献。该研究通过CNKI题录信息导出功能，将214篇文献的题录导出，并保存成Note First格式，为后续相关的研究工具提供数据支撑。

1.2 研究方法与工具

该研究采用混合研究方法，既包含量化研究又包含质性研究，以共词可视化为研究思路，具体使用社会网络、聚类、多维尺度等分析方法。以CNKI导出的Note First文件为基础，利用BICOMB 2.0提取关键词和共词矩阵，随后采用UCINET 6.0绘制关系图谱，在此基础上通过SPSS 21.0数据统计分析软件对关键词等进行多维尺度分析，从而了解主题结构和热点趋势等深层信息。

2 数据统计与结果分析

2.1 文献发文量分析

文献发文量在一定程度上能够反映当前主题的理论发展程度。据统计，2013—2018年共发表3D打印与教育直接相关文献214篇，为精确描绘发文量趋势线，考虑到2018年仍未结束，故将2018年现有25篇文献不计在发文量分布图中(如图1所示)。由图1可知，3D打印在教育中的应用研究逐渐受到国内研究者的持续关注，发展态势良好；通过相关系数R2=0.9724，其数值接近1，描绘的幂趋势线y=5.7353x1.5989相对可靠。根据幂趋势线可预测，未来3D打印在教育中的应用研究将继续受到研究者的关注，发文量将保持增长趋势。

图1 2013—2017年发文量统计图

2.2 高频关键词统计分析

关键词是作者从文中摘录出来能反映核心内容的词汇，在很多方面能起到比较重要的作用，能够对该领域中的发展热点、脉络等快速定位。该研究将先前保存好的Note First格式文件导入BICOMB 2.0书目共词分析软件，提取关键词，并对关键词数据进行清洗与统计。该研究选择词频≥4的24个关键词，其累计频次为45.4756%(大于40%，研究学者提出高频关键词的选择截止标准高达累计百分比的40%[5])。如表1所示，去除检索的“3D打印”和“教育”相似的关键词，排名靠前的关键词主要有创客教育、STEAM教育、教育创新、职业教育、中小学教育和教学改革等。高频关键词反映了3D打印在教育中的应用研究已从早期的理论研究转向实践研究，关注3D打印在教育中具体的应用人群、学科、创新及教学改革和教学设计等。

2.3 社会网络分析

为进一步了解3D打印与教育相结合的研究热点间的内部关系特征，该研究以高频关键词为源分析数据，通过书目共词分析软件BICOMB 2.0，以高频关键词为关键字段，频次阈值≥4，生成共现矩阵。随后利用UCINET 6.0社会网络分析软件对共现矩阵数据进行数据转换，生成UCINET 6.0软件可识别的“.##h”数据文件，采用软件的Visualize里的NetDraw功能，将“.##h”中的高频关键词共现矩阵数据可视化，并对其进行Degree点度中心度分析，调整可视化图谱布局，最终形成图2社会网络分析图谱。

表1 高频关键词统计表(前24名)

图2 高频关键词社会网络分析图谱

社会网络分析图谱中每个节点代表一个关键词，节点面积越大，中心度越大，代表该节点在此社会网络中较为重要；节点间的有向箭头线表示各关键词之间的共现关系[6]。由图2可知，29个高频关键词构成了以“3D打印”节点为核心的有向网络关联图，不存在孤立的网络节点：一方面，从节点大小来看，“创客教育”“STEAM教育”“创新”“中小学教育”“高等教育”“人才培养”等相对较大的节点代表了3D打印在教育领域中的研究热点；另一方面，根据节点间连线的数量观测密度并确定其在网络中的地位。该研究利用UCINET 6.0软件对共现矩阵进行点度中心度计算，其计算结果如图3所示。Out Degree表示个体在网络中主动建立关系的能力；In Degree表示个体对网络中其他个体的作用。其数值越大，则作用越强[7]。“教学应用”的Out Degree和In Degree的值都是5，相对较低。可见3D打印在教育领域中的研究不断深化，但其具体的教学应用仍处于探索阶段，须进一步关注。

2.4 高频关键词聚类分析

聚类分析是一种多元计量分析方法，能够按照同质性和异质性将研究对象进行归类处理[8]。SPSS中的聚类分析主要包括K均值、两步和系统等聚类方法。该研究采用最常用的系统聚类法，进一步探究3D打印与教育相结合的研究主题结构。首先，通过SPSS 21.0数据统计分析软件将BICOMB 2.0中导出的共现矩阵转换成相似矩阵；其次，在Excel表格中，通过函数计算“1-ABS(相似矩阵中的值)”，得到相异矩阵；最后，采用系统聚类法对相异矩阵进行分析，分析过程中具体采用Ward法，选择Euclidean distance为度量标准区间，将变量值按照全距从-1到1的标准进行转换，消除量纲影响，绘制水平树状图，如图4所示。图4显示，将高频关键词聚类分为3类或4类较为合理。类间距离越大，则区别越大。为精确分析聚类主题结果，可将聚类结果分成3大类，即三个研究主题，具体阐述如下：

图3 高频关键词点度中心性计算结果图 图4 高频关键词聚类树状图

①3D打印在职业教育、中小学教育中的创新应用研究。3D打印、创客教育、STEAM教育、教育创新、职业教育、中小学教育、教学设计等17个高频关键词形成了第一类主题。为培养创新型人才，提高国民素质教育质量，3D打印逐步进入职业院校和中小学。在3D打印与职业教育、中小学教育相结合的大背景下，教学研究者将3D打印植入到创客教育和STEAM教育等新的教育教学理念中，关注3D打印与创客教育、STEAM教育进行整合的具体实践教学问题，如教学设计、课程设计、学习分析和教学应用等，促进了教育创新，为新型课程建设提供了可能。

②3D打印在工业设计领域中的教学实践研究。打印机、打印设备、工业设计教育和领域等4个高频关键词形成了第二类主题。根据文献分析，3D打印与工业设计领域的教学紧密联系。工业设计专业领域的教学更多地涉及到实验教学，在实验教学中培养学生的动手实践能力。借助3D打印设备，一方面，学生能够将自己设计的三维模型在相对较短的时间内打印出来，缩短研制周期，便于学生通过实物模型快速发现问题并解决问题；另一方面，3D打印设备能够打印出相应的教学辅助用具，如燃气传输设备等，有效保障了学生的安全，使实验教学顺利开展。

③计算机支持下融入3D打印的高等教育实证研究。教育教学、教学改革、创新、高等教育、教育应用、设计、CAD/CAM技术和兴趣等8个高频关键词形成第三类主题。通过3D打印的工作原理可知，计算机与3D打印息息相关，计算机辅助的设计能够建立数字模型，为后续打印工作奠定坚实的数据基础。信息化时代下，与计算机相关的课程是高等教育中接触较多的课程之一。在高等教育中，CAD/CAM(计算机辅助设计/计算机辅助制造)是一种与计算机紧密关联的学科，将3D打印与传统的CAD/CAM教学相结合，可以克服传统教学中教学内容单一、教学设备不完善等弊端，起到事半功倍的效果。教育研究者逐渐将3D打印融入高等教育领域，依托一定的理论基础，不断进行教育创新应用研究，为教育改革开创了新局面。

2.5 多维尺度分析

通过聚类分析，可以对3D打印在教育领域中的主题结构进行分类分析，但无法确定其空间位置关系。为了更加准确地分析3D打印在教育领域中的研究热点及趋势，该研究把多维尺度分析作为聚类分析的辅助方法，起到矫正作用。

利用SPSS 21.0软件中的度量功能绘制多维尺度图谱。首先，将高频关键词相异矩阵导入SPSS；然后，应用软件的“分析”功能，选择度量中的“多维尺度分析”(multidimensional Scaling，即ALSCAL)，以“序数”为度量水平，采用“Euclidean距离”模型，设置“正对称”形状；最后，输出“组图”，获得3D打印在教育领域中研究的高频关键词多维尺度可视化分析图谱。根据输出的结果“Stress=0.25575，RSQ=0.73671”可知，多维尺度分析图谱可靠、有效。图谱将高频关键词按照测定距离分布在二维空间中，用封闭的曲线根据聚类结果将其分为三大类。为便于之后分析，根据坐标划分的4个区域，从右上角开始，逆时针方向旋转，依次标记为第一、第二、第三和第四象限，如图5所示。

图5 多维尺度分析图谱

①占据4个象限的是“3D打印在职业教育、中小学教育中的创新应用研究”类团。该类团主要分布在第二象限，占用空间较大，且距离坐标中心最近，受到的关注最多。中小学教育、STEAM教育、教育创新、创客教育等高频关键词处在该类团的核心位置，是该类团的研究热点。今后，教育研究者将进一步围绕3D打印在职业院校和中小学进行教育应用研究。

②占据第一象限、第三象限和第四象限的是“3D打印在工业设计领域中的教学实践研究”类团。该类团中的高频关键词分布相对分散，与第一类团相比，距离坐标中心较远，研究热度相对较低。通过观察图谱可知，基于3D打印的工业设计研究主要通过打印设备实现，该主题研究较为匮乏，处于探索尝试阶段。

③占据第三象限和第四象限的是“计算机支持下融入3D打印的高等教育实证研究”类团。该类团处于第一类团和第二类团之间，距离坐标中心相对较近，研究较热。高等教育、教学改革等高频关键词处在该类团的中枢位置，是该类团的研究重点。通过图谱可知，未来3D打印在高等教育中的教育改革实证研究将受到更多关注，是研究的必然趋势。

3 研究结论与启示

通过发文量、高频关键词统计与高频关键词的社会化网络、聚类和多维尺度等多种分析方法，该研究能够发现当前3D打印在我国教育领域的研究热点并预测未来发展趋势。通过可视化分析，发现3D打印在我国教育中的研究将持续受到教育学者的关注，创客教育、STEAM教育、中小学教育、高等教育等是3D打印在教育领域中研究的热点。结合内容分析，研究主要集中在以下几个方面：①3D打印在职业教育、中小学教育中的创新应用研究，该主题研究较热，今后几年该主题仍会受到研究者的广泛关注；②3D打印在工业设计领域中的教学实践研究，其研究相对分散，未能形成成熟的研究主题，但3D打印在设计域中发挥的作用及其教学效果是未来研究的重点；③计算机支持下融入3D打印的高等教育实证研究，其研究相对较热，是高等教育改革研究的一种趋势。根据以上研究结论，该研究对今后我国3D打印融入教育领域的发展研究得出以下启示：

3.1 加强理论基础研究

3D打印作为一种新型技术，虽然早在20世纪末就已经被正式确定该技术的存在，但是我国关于3D打印的学术理论研究发展相对缓慢。《地平线报告》是有关信息技术与教育应用的前沿预测性报告，具有一定的信服性。2013年，3D打印在教育中的应用首次被加入到《地平线报告》的新技术列表，由此引起学者的关注，3D打印被逐渐引入到教育领域中[9]。通过CNKI检索可知，有关3D打印的理论研究相当丰富，其发文量在近几年高达上千篇，而3D打印的教育应用研究则相对匮乏，2013年至今发文量仅为百篇，且在核心及以上期刊中的发文量不足10%。因此，加强理论基础研究迫在眉睫，只有3D打印的教育应用理论研究盛行，才能推进一线3D打印的教育实践研究。

3.2 深化3D打印与创新教学理念的融合

3D打印可实现个性化制作、缩短研制周期、提高材料利用率等特点，为教育创设了新的教学活动，丰富了学习者“做的经验”的获得[10]。3D打印独特的教学优势与创客教育(产学研相结合，培养创新型思维)、STEAM教育(多学科融合，培养综合型人才)等创新教学理念存在教育交叉区，应充分发挥各自的优势，将3D打印与创新教学理念进行深度融合，弥补创新教学理念的不足，为创新教学理念的发展奠定基础。随着社会发展的需要，融入3D打印的创新教学理念也将进入中小学、职业院校和高等院校中。为了针对性地培养学生的核心素养，提高人才培养质量，须深化3D打印与创新教学理念的融合。

3.3 拓宽3D打印的教育应用范围

3D打印作为一种新兴技术，其应用前景广阔，已应用到金属加工、服装设计与定制、建筑、生物医疗、食品加工等领域[11]。3D打印的高速发展也为创新教育提供了新视角，增添了教育教学的活力。该研究发现3D打印在教育中的研究主要集中在工业设计领域，与具体的CAD/CAM课程相结合，其他专业领域的研究相对较少。通过文献内容分析可知，3D打印不仅仅应用在CAD/CAM课程，还应用在数学、物理、工程等课程中，部分学校甚至将3D打印单独作为一门课程引入到课堂中[12]，为教育教学改革提供了契机。因此，未来需要拓宽3D打印的教育应用范围，挖掘3D打印的教育应用潜能，较全面地发展3D打印在教育中的应用研究。