三维打印教育的分级

朱瀛

近年来，随着技术的进步与对工科实践教育内容的需求，三维打印技术正在越来越多地走进教学领域，在小学、中学、职业教育、高等教育与成人教育的广度上被教师与学生们广泛地接受。就像传统的数学、英语等课程一样，三维打印教育作为一种新兴的教学内容具有相当的深度和广度，对于不同阶段的学生存在分级教学的必然需求，本文将通过对以熔融沉积式（FDM）三维打印技术为例的三维打印技术的系统内容与知识点的分析及其与各教育阶段的教学目的与学生学习特点的结合进行讨论提供一种明确的教学分级思路，并以具体的 校本课程案例说明其应用于课程设计的方法。

一、三维打印技术简介

三维打印技术是一种通过对加工材料（即耗材）进行控制性相变和可控动态积累以得到接近目标形体的实体模型的加工方式，是直接从数字三维模型通过分层堆积和增材制造来制造任意复杂内外表面形状的工件的技术。区别于传统机加工所需要的基础建设、设备支持、材料储备等，三维打印是一种对基建无要求，无噪音、废液、异味污染，可良好支持异形件制造的加工手段。使用FDM、SLA、DLP等技术的三维打印机，相对于切削机床而言，其设计更接近于一件中小型电器，可被放置于办公室或教室中，是一种很适宜推广于学校的设计与加工手段。

二、三维打印技术知识树拆解与分级

三维打印技术是一门机-电一体化的系统科学，也是一种应用加工技术，这使得针对三维打印技术的教育自然地存在原理与应用的两条教学线条。从原理的角度出发，三维打印技术所涉及到的知识点包括三维打印与层基制造技术、机械设计原理、创意造型与艺术设计、单片机与电子设计等；而从应用的角度出发，则牵扯到三维打印机的操作、三维设计软件的使用、模型的前处理与后处理等。对于总体的教学而言，这两条线条应被设计为互相交织并相辅相成的，对于一个层级的教学，应该配置近似深度的原理课程与应用课程。

每一个具体的教学点也有不同的深度分级，例如对于“三维打印与层基制造技术”这个教学点为例，即可拆分成如下的教学目标：

（1）对增材制造技术有基本的了解，知道一些典型应用。

（2）知道增材制造技术下属的不同制造技术的原理，对其分类、区别和具体技术的特定应用场景有明确的了解，能够在设计时主动引用其中的加工方法。

（3）对全部或部分的具体成型技术有更深刻的了解，了解其现状、技术沿革与具体工程设计的细分与取舍，能够主动利用三维打印技术的优缺点并将其体现在加工模型的设计和设备的改良中。

根据建构主义的理论，学生学习的过程是学生在原有知识和经验的基础上，对新的知识进行理解和编码，重新构建自己的知识体系的过程。在工程教育中，学生对老师教授的知识进行吸收理解，将新的知识合并到大脑中的图式之中，新知识过难或过易都会对学生的构建不利。因此，三维打印教育的课程设计需要根据学生的实际水平，考虑不同等级学生的学习能力、大脑发育情况和起点、需求，针对学生的年龄与教育水平不同带来的认知能力特性与基础课程区别进行特异性的设计，将教学点进行取舍、分层与打包，得到一個更有针对性的以三维打印为核心的课程包。

三、三维打印技术课程与学生学习特性的双向结合

不同年龄层次和学习目标的学生根据其具体情况有着不同的学习需求和特性。在开展三维打印教育时，需注意其课程设计从正向影响因素和反馈影响因素的两个角度与学生特性的结合。其中，正向影响因素指学生的学习阶段所决定的、其所已有知识的深度限定的课程深度与难度；而反馈影响因素指在三维打印教育开展期间，在此课程中学到的知识与思维工具对学生所处教育阶段的其他课程的影响与帮助。在针对具体教学需求进行课程设计时，需要将两个方面的因素都考虑在内，以使三维打印课程能够提供足够的知识点而不至于由于架构外知识点过多而打击学生的学习积极性，并能够对学生的其他课程和思维模式进行反馈。以上海市普陀区同济二附中（高中）的三维打印

同济二附中采取这样的课程设计是基于其教学目标和学生学习特性的综合考量。对于高中学生而言，其拥有一定的认知和自我学习能力和基础的空间几何与电子学常识，但是缺少正规的工具使用训练和综合性机电知识入门，故而在课程设计时对深度要求低、对广度要求高，并且在三维打印和三维建模的课程中额外增加了与高中立体几何知识相结合的部分，便于学生理解的同时培养了学生的空间想象能力，在提升学生动手能力、创造能力之外，对其他课程的学习起到了反馈的作用。

四、总结

随着社会和科技的不断进步，传统的教学模式难以满足学生的学习需求。将三维打印技术这种新兴的加工技术引入不同教学层次的学校，是响应国家政策的一项举措，也是是顺应信息时代发展需求的一项教学革新。在三维打印课程体系设计与校本课程设计中，需要以学生特性为本进行教学目标的订立，并由教学目标为纲，灵活地根据双向结合的思路从三维打印技术的知识树与知识点中选择合适的课程内容与分级，是降低课程设计难度、增加课程目的性、提升课程教学效果的理想方法。

参考文献

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