3D打印融合学科教学实践研究

陈海涛　陈继培

【摘 要】随着科学技术与教育领域的紧密融合，新的技术不断颠覆传统的教育方式，3D打印技术前景广阔，将引领一个革命性时代的到来。由于3D打印技术的探究性和趣味性，它与学科教学深度融合具有明显优势，可以在多学段多学科广泛应用，可以改善课堂环境，丰富教学手段和方法，个性化定制教具学具，培养学生的创新能力。3D打印技术融合学科教学中也出现了一些新的问题，需要我们进一步思考和解决。

【关键词】3D打印;融合;学科教学;个性化定制

【中图分类号】G632  【文献标识码】A  【文章编号】1671-8437（2019）22-0195-03

1   3D打印

3D打印是快速成型技术的一种，又称“增材制造”技术，是“一种与传统的材料去除加工方法相反的，以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可固化材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印技术是当前最为热门的新兴技术之一，它在很多领域都有很好的应用前景。在教育领域，特别是中小学基础教育领域，3D打印技术的推广和应用还是一个崭新的领域。

2   3D打印的原理

3D打印制作过程主要分为四个环节，即建模、切片、打印和后期加工。其中最重要就是建模，建模就是利用三维制图软件设计作品图纸。目前国内常用建模软件有很多，如Autodesk，123D Design，3D 0ne，Sketchup等，其中3D 0ne是国内第一款面向基础教育的3D建模软件，它界面简洁、功能强大，特别适合零基础中小学师生快速上手。如果有实物对象，也可以使用3D扫描仪建模。切片就是将模型切分成一层层的薄片，需要利用切片软件把模型（STL格式）转换成打印机能识别的语言（Gcode格式），目前比较主流且免费好用的切片软件有Cura。打印就是利用3D打印机把建模设计好的图纸最终变为实物。3D打印机可分为桌面级打印机和工业级打印机。桌面级打印机价格较便宜，但打印精度和打印尺寸有限，主要针对初学者和要求不高的用户;工业级打印机价格较昂贵，但在精度和打印尺寸上体现出较高的水准。后期加工就是在实物模型打印完成后一般都会有毛刺等，需要对模型进行打磨、抛光、上色、固化等，最终形成比较完善的作品。

3   3D打印融合学科教学的理论基础

3.1  “从做中学”理论

杜威认为，“所有的学习都是行动的副产品，所以教师要通过‘做，促使学生思考，从而学得知识。”3D打印融合学科教学的学习活动系统中，师生以3D建模软件和3D打印机作为新型的学习工具，教师充分发挥引导者和组织者的作用。学生通过观察、体验等方式，获得研究物体的三维数据，再通过3D打印机创作出模型实物，体现出DIY的本质属性。因此，3D打印将“教”“学”“做”三者合一，真正实现了杜威的“从做中学”理论[1]。

3.2  “经验之塔”理论

美国视听教育专家戴尔认为，人的学习经验分为三类，即做的层次、观察的经验和抽象的经验。3D打印技术本身就是一个融合做、观察、抽象的过程，从建模、切片、打印到后期加工，都在学习、积累和利用经验。不管是基于项目的设计还是个性化定制的教具学具，都让学生获得了丰富经验和学科知识，大大改善了传统的教学手段和方法，也为学生的想象力插上了创新的翅膀[1]。

4   3D打印融合学科教学的优势

4.1  适用学段多，适合学科范围广

3D打印作为一种通用的技术，由于在教学方面的探索性和趣味性都很强，它可以应用到基础教育各学段，包括中小学、高中教育。中小学生是对立体实物认识的关键阶段，可以通过课堂将3D打印的实物立体展示，也可以让学生参与设计生活中的小物品，比如小挂件、个性杯子、积木塔等，增加学生学习的兴趣。还可以布置项目实践，让学生以项目为引领，自主去探究项目相关信息和设计图纸，最终通过3D打印机制作模型。高中阶段可以开设3D打印校本课程，教会学生3D打印的整个流程，并要求学生把3D打印融合到学科学习中，尝试设计教学中的一些教具学具或创新创意作品。

3D打印作为一种通用的技术，它可以融合到大部分的学科教学中去（表1），涵盖了正式学习、非正式学习，大大丰富了各学科的教学手段和方法，不仅可以让学生享受到这种最新技术辅助教学的便利以及各种创新用法，还可以培养学生的创新思维，提高学生的技术素养。比如：物理学科可以试着制作各种简单机械、齿轮、连杆等模型;化學学科可以制作分子、原子结构等模型;生物学科可以打印出人体骨骼、器官、关节等模型;数学学科可以打印勾股定律演示器、数学方程等模型;地理学科可以制作立体的地形、地貌、板块图等模型;历史学科可以打印一些易碎工艺品、古文物等模型[2]。

4.2  丰富教学手段和方法

3D打印作为通用技术，它本身并不是教学的重点，它只是教学辅助手段。它的使用将抽象的概念变成可视化的模型，进而帮助教师和学生理解抽象概念。如在物理校本课程中要求设计一个新能源车的项目，将物理学、工程学的一些抽象概念和动手制作巧妙地融合起来。传统的教学无法展示实物，最多展示图片或视频讲解风力发电机结构和原理，学生更多只能从网上查找资料设计实物模型，费时费力且制作出的模型可靠性差。借助3D打印技术，打印实物组件，让学生观察、触摸和组装这些组件，再结合视频资料，多维度的增强学生对设计项目的理解。如果学生先期有3D打印建模基础，更是可以发挥学生的想像力，让学生大胆创新设计，并及时通过设计图纸反复修改模型的可靠性、科学性等，达到最优设计后才打印模型，教学效果自然比传统方法好得多。

4.3  个性化定制教具、学具

学校的教具学具等器材一般由专门的教学仪器厂制作，教育行政部门统筹配发，批量大，规格统一，但更新慢，缺少个性化定制，不够实用，容易老旧废弃。教学中经常会遇到抽象的概念和陌生的事物，特别是理科教学，由于缺少直观的教具学具，教师往往只能用语言、图片或者课件视频描述教学内容，教学效果较差，3D打印提供了更多的创造空间，教师可以个性化设计制作某些教具学具，如初中数学勾股定律演示器（图1），初中物理轮轴演示器（图2），初中化学分子模型（图3），通过3D打印把教科书中苍白二维信息转换成生动的三维格式展示，显著提高了教学效率和教学效果。由于多数教师都缺乏制作教具或设计教具的能力，但互联网中有大量免费的3D模型素材分享，如3Done社区（http：//www.i3done.com）、3D虎（http：//www.3dhoo.com），教师可以在这些网页中找到大量实用的教学模型图纸，直接打印出来，充分发挥它们的作用。

利用3D打印技术还可以改进实验器材不足的问题，提高实验的成功率。如初中物理第六章《质量与密度》实验过程中经常要用到镊子夹砝码，但学校配置的镊子存在明显不足（图4）。镊子表面光滑，容易打滑，且锁定口设计太小太浅，非常不合理，导致夹重的砝码很容易滑掉或夹到半程掉落。针对传统镊子的不合理设计，利用3D打印技术进行个性化改进：一是使用PLA材质，不容易打滑;二是把锁定口变大，并设计成上下两层半圆形（图5）;三是增大着力面积，手拿着更舒适（图6）。

4.4  培养学生创新能力

3D打印作为一种辅助学科教学的新兴手段，它的使用大大改善了传统课堂的学习环境，对学习者的信息素养也提出了更高的要求，这促使他们不断研究学习，激发他们学习的积极性和创造力，进入到不断升级的创新活动空间，为他们日后发展打下坚实基础。

5   3D打印融合学科教学的问题与建议

5.1  3D打印的普及与推广

首先，3D打印软硬件环境配备价格高昂。一般入门级3D打印机要3000-6000元，如极光尔沃的603Z，威布三维的Idea;工业级3D打印机要15000元以上，如极光尔沃的A8S，威布三维的Company pro300。其次专业的三维建模软件版权价格高昂，如3Done，50个节点三年使用费就要30000元。另外3D扫描仪、三维模型的素材库、展示柜等配套软硬件也需要购买。如果要满足一个40人左右的普通教学班开展3D打印校本课程或社团活动，建立3D打印创新实验室，投入至少需要10万以上，这就需要教育行政部门、企业和学校大力支持、共同努力才可能实施。

5.2  对教师的要求

3D打印融合学科教学的实践过程中，教师起到非常重要的作用。教师是3D打印的使用者，既需要根据教学需要设计个性化的教学模型，同时还要引导有能力有兴趣的同学开展3D打印相关课程学习，帮助和引导学生进行简单设计和创新活动。因此，这就需要教师积极参加各种3D打印的教师培训，树立创客理念，改变传统的教学思想，提高自身的创新能力和信息素养，做学生学习道路上真正的引路人[3]。

5.3  3D打印与学科教育的融合形式

目前3D打印技术与学科教学的融合形式多以丰富课堂教学手段方法或者校本课程的方式出现，基于项目的3D打印技术与教育的融合非常少。学校可以开发多种形式，如开设3D打印的选修课，组织校内3D打印社团，开展竞赛、夏令营等活动，有条件的学校可以建立3D打印创新实验室，供学生学习和研究3D打印技术、创客活动等，培养学生的创新精神和工匠精神。

【参考文献】

[1]徐平.3D打印在中小学课堂中的应用[J].世界教育信息，2017（8）.

[2]熊金泉.3D打印在教育领域的应用研究[J].南昌師范学院学报，2017（6）.

[3]牛一帆.3D打印在教学中的应用研究[J].塑料包装，2015（1）.

Research on the Combination of 3D Printing and Subject Teaching Practice

Haitao Chen 1; Jipei  Chen 2

（1. Jindao Middle School， Guangzhou， Guangdong， 510370;

2. Guangzhou University， Guangzhou，Guangdong， 510006）

Abstract：With the close integration of science technology and education， Traditional education methods are continuously to be overturned by new technologies ， 3D printing technology has broad prospects and will lead to a revolutionary era.  Because of the characteristic of 3D printing technology- inquiry and interesting， it has obvious advantages in deep combination with subject teaching. It can be widely used in multi-section and multi-discipline： improving classroom atmosphere，enriching teaching means and methods， customizing teaching aids and tools individually， and cultivating students'innovative ability. There are also some new problems in the the combination of 3D printing and subject teaching， which need us to think about and solve ulteriorly.

Key words：3D printing; combination; subject teaching; personalized customization