基于国内外现状分析的小学3D打印课程研究

（上海市徐汇区康健外国语实验小学 上海 200030）

1 研究的背景和意义

1.1 研究的背景

3D打印技术发展的源头可以追溯到30年前，但之前的很长一段时间内，我国对这项技术似乎都无人问津，这几年随着3D打印技术在我国的推广，越来越多的人了解到了这项技术，并在各个领域中都尝试运用这项新兴技术。3D打印目前广泛运用的领域包括：工业制造、航空航天、生物医疗、建筑工程、个人定制、教育等方面。

3D打印，又称三维打印，是一种快速成型技术，为用户提供了新的设计、创作和制作方法。由于物体通过材料一层层地累积打印出来，3D打印技术也被称为增材制造或加式制造。3D打印支持高性能复合材料、光敏树脂材料、ABS树脂、尼龙等多种材料。正是3D打印这种快速成型的特点，3D打印技术的应用延伸到了教育方面。学生可以通过建模，自己动手打印，快速的把自己的想象转化为实体，让学生在教学中感到乐趣，使得学生对3D打印充满了浓厚的兴趣。在整个过程中，学生的创造力得到了充分的发挥，3D空间的思维能力也得到了锻炼，同时更激发了他们对于未来技术的浓厚兴趣。

美国几乎所有的大中小学都开设了3D打印课程，培养青少年的创新意识和应用技能。在香港，因为被学校的“迷你版”3D打印机所吸引，陈南昌纪念中学师生利用网上软件绘图、构思及设计各种“得意”立体图形，整个制作过程为他们带来无穷乐趣。学生季铭谦直言：“如果无3D打印机(制作产品)，我们不会开软件绘图。”

国内很多中小学都认识到这是一门培养学生综合能力的课程，纷纷开设了3D打印课程。围绕如何更好的激发3D打印技术在教学方面的潜能，对于3D打印技术的研究也在国内进行了开展。

1.2 研究意义

中国的传统应试教育中，并没有过类似3D打印这种能够让学生的想象力和创造力得到充分锻炼的课程。随着现在教育的改革，越来越多的学校和教育专家意识到传统应试教育只会将学生思维禁锢，这也是为什么越是高年级的学生想象力越不如低年级学生的原因。3D打印技术的出现，让很多教育专家和学校看到了曙光。3D打印机可以让枯燥的课程变得生动起来，它是一种同时拥有视觉和触觉的学习方式，具有很强的诱惑力，在触觉学习中，学生不是在黑板或显示器上简单地看文字或图形，而是通过他们的触觉抓住核心概念的三维模型，这样能够吸收和消化知识，使学生不再遗忘所学的课程。开发3D打印课程对我国的教育改革大有益处。

在美国，几乎所有的大中小学已经开设了3D打印的课程，因此本文主要研究目的是基于对国外优秀3D打印课程的分析，探索适合我国小学生学习3D打印课程的教学设计和课程开发方式。

2 国内外研究现状

2.1 国内研究现状

随着3D打印技术在国内的发展，关于这项新兴技术在不同领域的发展前景也得到了越来越多的关注。付昱等针对3D打印技术，在分析3D打印技术原理与特点的基础上，结合机械教学及生活中的实际，探讨了3D打印在机械教学领域中的应用。3D打印技术应用于机械教学中对机械基础课程和专业课程的学习有着巨大帮助，有助于提高学生的空间想象能力、学习积极性、创新性。当前计算机3D打印教学应用还属于探讨、研究阶段，广大开放大学教师应发挥探路者的角色，推动在创新技术支持下的开放大学教育教学发展。3D打印产业的发展自然也离不开政府的大力支持。国家领导人对于将3D打印设为国家重大科技项目建议作出重要批示。科技部也将3D打印编入《国家高技术研究发展计划（863计划）》、《国家科技支撑计划制造领域2014年度备选项目征集指南》。

王萍在分析3D打印技术原理与特点的基础上，探讨3D打印在教育领域的应用。基于3D打印的教与学将建构Solid learning教学模式，帮助教师进行个性化教学模型制作，创新学生课程学习设计，推动STEM教育发展。3D打印基于学习将有助于提高学习者的动手能力、学习积极性和创新性。当前，3D打印教育应用的普及和推广还有待深入开展，教师应发挥领路人的角色，推动教育教学改革。

在3D打印课程的教育实践方面，上海市闸北区和田路小学的《虚拟创造》3D打印课程，作为学校的特色校本课程，由教师自主开发，上海师范大学黎加厚团队指导，已经形成了比较完整的课程体系，包括：数字化教学材料、网络学习平台和TED创意活动，主要教学内容包括3D打印技术知识与使用操作、设计软件的使用操作、创新设计、问题探究、实物打印、修改和使用。课程受到学生和家长的欢迎，并得到来访教师的充分肯定。

2.2 国外研究现状

从设备数量上看，美国目前各种3D打印设备的数量占全世界40%，并且随着美国“再工业化、再制造化”的口号呼喊，3D打印所打造的少劳动力制造将给美国极大的动力去发展。目前，在欧美等发达国家，3D打印技术的应用已较为广泛，大到飞行器、赛车，小到服装、手机外壳、甚至是人体组织器官。尤其在一些交叉学科领域中，3D打印的应用更加明显。美国的3D打印课程开发得较早，弗吉尼亚大学一直在通过一些项目来推广3D打印机产品，该校在夏洛茨维尔市的幼儿园到12年级的各个年龄的学生中推广该技术，并希望学生能够具备未来制造业技术的相关知识。弗吉尼亚大学教授兼科技和教师教育中心主任的格兰·布尔（GlenL.Bull）表示：“我们将3D打印机带入课堂，比如我们教幼儿园的孩子们如何设计和打印弹弓，然后孩子们就会分析如何把弹弓设计得更有效率。我们认为，美国的每个学校都将在未来几年里在课堂上配备3D打印机。”

美国和欧洲在3D打印技术的研发及推广应用方面处于领先地位。美国是全球3D打印技术和应用的领导者，欧洲十分重视对3D打印技术的研发应用。3D打印技术在教育领域独一无二的应用也是其他技术不可替代的。教师可以利用3D打印机打印出上课所需的模型。许多国外学校很好地将3D打印技术与其他课程做了结合。国外的3D打印课程整体理念以及教学内容和教学模式都比较超前，国内的相对来还有很大的进步空间。

3 3D打印课程设计研究

3.1 课程安排

本课程在小学教学阶段属于拓展性课程，旨在提高学生的软件操作能力、培养学生的创造力、开发学生的想象力，同时也能锻炼学生的合作沟通能力。建议和中小学的其他兴趣课一样，每周开展一次。另鉴于软件操作课程的特殊性，小学生直接操作3D建模软件有一定的难度，在教学过程中的前期，教师需要大量的运用演示法让学生充分掌握软件的操作方式，然后学生再上机进行操作自行发挥创意建模。因此建议每次课程设置至少在2个课时以上，以保证大部分学生设计出一个完整的作品。

考虑到上课效率及教师管班的难易程度，建议一个班由20-30名学生组成，进行小班化教学。

3.2 教学方法

由于3D打印课程的综合性，教师在教学方法方面也有多种选择，并且可灵活运用多种教学方法。主要如下：

讲授法。讲授法是教师通过口头并借助形体姿态，向学生传递知识的一种方式。利用这种方法，教师可以把课程中的一些理论性较强，要求学生知道、了解或理解的知识系统地传授给他们。例如讲解3D打印的发展史、常见的3D打印机的优劣对比。这一方法能让学生在短时间内获得3D打印机的一些背景知识，激发学生的学习兴趣。

演示法。演示法主要是指教师在上课时，利用教学设备（如幻灯机、投影仪、电视等）或利用某个软件来链接教师和学生的计算机，这样教师可以展示所要传授的知识。在前期进行软件教学时主要采取这一方式让学生尽快熟悉建模软件的菜单和各项功能操作，教师可展示3D打印机以及打印成品，让学生对3D打印这项技术有直观的认识。演示法即包含教师的演示，也包含学生的演示。适当采取学生的演示能充分调动学生的积极性。

小组讨论法。小组讨论法就是在教师的指导下，小组成员围绕某个问题发表自己的看法，通过互相讨论、辩论，对问题获得新的理解和认识。小组学习在项目制作环节是一种主要的学习形式，教师给定一个项目，然后由小组讨论提出方案，分工实施。例如在设计标志这一项目的过程中，学生们进行讨论，由一位同学手绘出草图，一位同学负责运用建模软件设计出模型，一位同学负责3D打印机的操作，最后由一位同学负责向全班交流阐述设计思路和设计过程。小组讨论的教学中，学生的个性能够得到充分的体现，同时学生的交流合作能力也得到了锻炼。

实验法。实验法是在教师的指导下，学生通过仪器设备，通过操作、观察、研究获得知识或形成技能的教学法。3D打印课中的实验法主要用于设计阶段。例如在让学生设计最小风阻的汽车模型时，可通过让学生仔细观察两种不同车型的汽车模型在同样条件下的抗风能力，为后面的设计找到灵感。在实验法的过程中，教师的指导作用非常重要，教师要通过不同的教学话术技巧循序渐进地引导学生去思考。

3.3 教学目标

通过3D打印技术的教学，主要是为了提高学生在以下方面的能力：

知识与技能：了解3D打印机的工作原理，掌握建模软件的操作方法，掌握3D打印机的操作方法。

过程与方法：培养学生的三维空间想象能力，创新能力，动手操作能力，交流能力以及团队合作意识。

情感与态度：激发学生对于新兴未来科技的浓厚兴趣。

3.4 教学内容

3.4.1 建模软件操作教学

通过对常用几款3D建模软件的简单研究后，推荐使用Autodesk123DDesign这款软件。123DDesign设计理念简单易懂，用最原始的方式将建模和编辑功能合二为一，具备零学习成本的优势，用户不需要任何时间就可以把这款应用程序玩转。同时，相对那些大型的应用软件，123D Design具备的另外一个优势即免费向用户提供，并且支持包括iOS、Windows和Mac OS X等多个操作平台。使用平板电脑进行教学的学校也可以使用这款软件。

3.4.2 3D打印机使用教学

3D打印机的使用教学，主要由教师演示和学生自己操作构成。在介绍3D打印知识时，教师可演示给学生如何使用3D打印机进行打印的一个完整过程：建模—转换格式—进行打印—后期打磨。在平时的案例学习中，教师则可选取几组设计较好的同学，进行3D打印机的使用。3D打印机的喷头在工作时会产生高温，有一定的危险性，因此在学生的使用过程中，教师全程在一边进行观看，如有操作不当，给予及时指正。在整个过程中，加强学生的安全意识。

4 研究结论

作为在国内的新兴技术，3D打印技术在教育方面拥有巨大潜力，3D打印课程的开展将会给我国的教育改革事业起到推进作用。然而我国对于3D打印的课程开发还有很大的空间，国内的3D打印课程还未形成一个完整的体系，3D打印教材更是少之又少。笔者有幸接触到了3D打印课程并对此产生了浓厚的兴趣，因此对3D打印的课程开发进行了初步研究。本文仅仅对于小学教育中3D打印课堂教学的设计做了初步探索和尝试，还需要不断实践的基础上进行完善。

本文结合对国外现状的分析，根据国内学生的特点，制定了相应的教学目标，课程的内容安排遵循了由易到难的规律。先让学生对3D打印这门技术有一个初步的概念，再通过各种案例的学习逐步掌握建模软件的使用，直至能够熟练建模。最后设计的项目学习是学生之前做学知识的综合运用，并且给了学生发挥想象的空间，让学生将自己的设想一步步转变为实物的平台。

3D技术将来还会有更大的突破和发展，因此本文的研究结果具有一定是适用时限。对于3D打印课程的开发设计，需要越来越多人的努力和付出。

本文对3D打印课程的设计和开发的见解还不够成熟，还希望能有热衷于此事业的相关人士或者教师多多指教。