3D打印技术在科学教育专业课程中的应用——以长沙师范学院为例

李扬艺　张 银

3D打印技术在科学教育专业课程中的应用——以长沙师范学院为例

李扬艺张 银

（长沙师范学院初等教育学院，湖南 长沙 410100）

近年来，3D打印技术得到了各个行业的青睐，特别是教育行业。随着创客教育、STEAM教育的提出以及学生对创新需求的增加，中小学对科学教师的要求也逐步提高。因此在高等院校中开设3D打印技术相关课程尤为重要。文章以长沙师范学院为例，在基于已开设此类课程的基础上，探讨了在高等院校科学教育专业中开设3D打印有关课程的价值与意义。

3D打印；科学教育；课程应用

引言

3D打印技术始于20世纪80年代的美国。1986年，美国科学家Charles W. Hull开发了第一台商业3D印刷机后，3D打印技术逐渐得到了发展[1]。近年来，由于互联网行业的发展与推动，使得3D打印的“软件核心”，即“数字模型”得到快速发展。再加上社会发展、技术革新、劳动生产力进步等因素，3D打印机的成本不断降低，3D打印的“硬件基础”成型，这意味着3D打印的黄金时代正式到来。

3D打印作为一种新兴的快速成型技术，目前正受到越来越多的关注。2012年4月21日出版的英国《经济学人》杂志，制作专题论述了全球范围内工业领域正在经历的“第三次革命”，认为此次革命是互联网和新材料、互联网和新能源相结合的工业革命，而3D打印技术作为“第三次革命”的重要标志，将成为改变未来世界的一种新的创造性科技[2]。

1 科学教育专业课程中开设3D打印课程的价值与意义

1.1 有利于培养契合中小学要求的科学教师

科学教育专业是高校为中小学培养“具有良好科学素养，富有科学探究能力、创新能力、思维能力和实践能力”的高素质科学教师而设置的。在国内，一方面近年3D技术在生产制造领域的应用前景逐渐被看好，另一方面随着创客教育、STEAM教育的提出与发展，学生不再是单一地接受知识，而需发展其综合能力。面对学生及社会、学校对创新需求的提高，作为专门为中小学培养科学教师的高等院校，也应在人才培养理念方面作出相对应的改变，以便更好地达到中小学对科学教师的要求，符合中小学对科学教师的设定与目标，达到与时俱进的教学效果。

1.2 有利于培养学生的创新精神和实践能力

目前大力提倡与发展的STEAM教育，不同于传统的教育模式，它是一种注重跨学科、综合性的教育，以问题解决、项目学习为导向，以培养学生的解决问题和自主创新能力为目标，有机融合了S（科学）、T（技术）、E（工程）、A（艺术）、M（数学）。目前，SETAM教育的活动形式主要有：3D打印技术、Arduino项目式、Scratch编程等[3]。我国在推广STEAM教育、创客教育的同时，以3D打印技术为基础的创客教育模式，同样也受到了老师和学生们的青睐。

在中小学里，采用开设3D打印相关课程的形式来丰富课堂教学，并构建开放、创新、创造的信息化创客教育空间，为学生提供更有效、更专业的创客教育课程。目前，国内对于3D打印技术相关课程的开发与教学还处于起步阶段，尤其对于设有科学教育专业的高等院校来说，仍需不断探索。但可以明确的是，3D打印技术可以将技术与创新实践能力、创造性学习相联系，学生在体验新兴技术的同时，能在项目中体会创新与创造的乐趣，从而达到培养学生的创新精神和实践能力的效果，激发学生想象力和潜能，为培养创新型复合人才奠定良好的基础。

1.3 有益于中小学科学课程的学习

科学课程是一门集实践性、创新性、综合性于一体的核心课程，在科学教材中涉及的实验及教具很多，在学生学习的过程中，适当地引入3D打印技术，可以将抽象的学习内容转化成立体的，从二维过渡到三维，加深学生对知识内容的理解，给予学生一个直观的体验。比如在进行《制作指南针》课程教学时，学生在了解地磁的概念、指南针的结构后，可以利用3D打印技术构建模型并打印，做一个可以真正使用的指南针。科学课程中融合3D打印技术，不仅可以自制教具，还能利用三维软件给予学生更直观的学习过程，提高学生的学习积极性，丰富学生的想象力。

2 3D打印技术在科学教育专业课程中的教学内容

2.1 3D打印的概念及流程

3D打印（3D Printing）是一种以数字模型文件为基础，运用塑料、橡胶类材料、粉末状金属等可黏合材料，以逐层打印的方式构造3D实物的快速成型技术[4]。随着技术的不断成熟，现已在航空航天、医疗、建筑、食物及教育等方面有所应用。

3D打印的操作流程如图1所示。其主要包括两个板块，即建模和打印。在建模板块中，利用三维软件进行建模，完成后在切片软件中进行分层切片。在打印板块中，利用切片软件导出的文件在3D打印机中直接打印即可。在整个流程中，打印过程可以通过打印机自动完成，而最重要的是建模过程，它需要掌握一定的理论知识并融合三维思维，再构建模型。

图1 3D打印操作流程图

2.2 3D打印的工作原理

与普通打印机相比，两者的工作原理基本相同，不同的是所使用的打印材料。普通打印机的打印材料是墨水和纸张，而3D打印机内装有金属、陶瓷、橡胶等不同的“打印材料”。通俗地讲，3D打印机是一种可以“打印”出真实3D物品的设备。称其为“打印机”的主要原因是，其参照了普通打印机的技术工作原理，因为分层加工的过程与喷墨打印机也十分相似。在打印的过程中，只能自下而上打印，这与生活中砌房子的过程十分相像。

2.3 3D打印的优势

2.3.1 缩短产品研制时间，降低生产成本

在传统的制造业中，需要经过开模、粗加工等步骤，得到了样品之后才能发现设计方案中的问题，对照问题才能修改设计方案，再重复制样过程，反反复复，最终才能得到一个较好的设计方案及产品。而3D打印技术不需要任何的机械加工，也不需要使用任何的模具，可以直接通过计算机中的图形数据生成任何形状的零件，从而缩短了产品的研发周期，提高了生产率，降低了生产成本及人力成本。例如在2019年，由非营利性组织New Story与建筑技术公司Icon合作开发的名为Vulcan Ⅱ的3D打印机器人，为墨西哥贫困地区仅花48小时打印了一套三居室（如图2所示）。

图2 3D打印房屋

2.3.2 能打印一些传统生产技术无法制造的物体

随着3D打印技术的发展，其应用也越来越广泛，包括艺术品领域。3D打印技术能打印出传统生产技术无法制造出的物体，既符合设计者的要求，又能体现美感。例如，图3的创意镂空椅子，利用传统的生产技术很难实现。

图3 3D打印作品之创意镂空椅子

2.3.3 可以实现个性化需求

时代在发展，技术在进步，人们的需求和理念也在更新迭代，现在的人们尤其是年轻人，越来越青睐个性化的产品，而3D打印技术，能更好地适应大众的需求，达到实现个性化的目的。

2.4 3D打印机

自长沙师范学院在2013年设立科学教育专业以来，先后引进了创想三维CR-3040打印机、极光尔沃A9打印机（如图4所示）。这两种设备的打印类型都是基于熔融沉积成型技术（FDM），操作简单，既符合高等院校对科学教育专业学生对3D打印技术基础知识及操作的要求，又能满足中小学对STEAM创客教育的发展理念。

图4 两种不同类型的3D打印机

2.5 3D One软件介绍

3D One软件是一款针对青少年开发的三维创意设计软件，以极简的操作受到了广泛师生的喜爱，且易于学生的学习和使用。青少年三维创意社区是国内第一个以学生为对象，面向全国青少年提供基于STEAM理念的3D One三维创意设计系列软件，以三维创意、3D打印为核心的校园创客教育社区。实际上，它也是一个融合线上线下资源的教育类网站，线上提供不同版本的3D One软件供大家下载，如3D One教育版、3D One家庭版；线下教师可以利用3D One软件授课。操作简单，但又能达到培养中小学科学教师关于3D 打印基础知识的目的与要求。

2.6 切片软件介绍

创想三维CR-3040打印机的切片软件是Creality Slicer软件，极光尔沃A9打印机配备的切片软件是JGcreat软件，这两种切片软件在安装完成后，直接将画好的模型载入到切片软件的操作界面中，若不需要更改模型的大小，直接保存格式为“.gcode”的文件即可。这两种软件均操作简单便捷，学生在学习的时候所花费的时间不多，并能达到很好的教学效果。

2.7 现阶段教学成果及思考

学校目前开设了《小学科学实验与制作》，课程性质为方向课，在两次课程学习的基础上，学生对3D打印有了一个基础的认识，基本掌握了3D打印技术的基础知识，能利用3D One软件构建简单的模型并熟悉3D打印机的操作流程打印出实物（如图5和图6所示），在学习的过程中，学生也对此表现出了极大的兴趣。但此门课程现正处于发展阶段，涉及的学生范围不广，数量不多，学校虽然配有专门的实验室和3D打印设备，但整体来说，设备的使用频率不高，对于未接触此门课程的学生，缺乏积极性与主动性。在下一阶段的授课过程中，一方面可以增加课程的受众对象，争取让更多的学生能了解3D打印，来学习3D打印技术；另一方面，可以适当增加教学时周，让学生有更多的时间来学习和操作设备。此外，教师在授课过程中，在简单模型的基础上激发学生潜能和创造力、想象力，根据学生的学情开展个性化的指导，培养学生将3D打印技术与小学科学教材中的内容相联系的意识，争取构建并打印出符合科学教材中的创新性教具，这样有助于拓宽中小学科学老师的教学视野，培养学生的创新与实践能力。

图5 利用3D打印技术打印的校徽和骰子

图6 利用3D One软件构建的学校平面图

3 将3D打印技术应用到科学专业课程的措施

3.1 加强学生的软件学习

软件作为技术的基础，扎实的软件知识和动手操作能力是最重要的环节之一。当前对于3D打印技术，用的较多的软件有SolidWorks、3D Max、3D one等，这些软件在互联网平台上有丰富的学习资源可供学生学习，学生可结合自身需求和实际情况，选择适合自己的绘图软件，解决学习3D打印技术的入门问题。

3.2 开发符合本校特色的3D打印校本课程

教师，相对于学生而言，是知识的传播者、学生学习的引导者；相对于课程而言，是课程的执行者、开发者、评价者和建设者。目前来说，3D打印技术在教育行业中的应用研究较少，对于3D打印进课堂更是充满挑战与机遇。作为高校教师，应该转变自己的教育观念，充分结合学生的实际情况和本院校的办学特色、人才培养目标，在网络资源的基础上，开发适合高等院校中科学教育专业学生发展的有关3D打印的校本课程，并建立完善的课程评价体系，帮助讲授此课程的教师更好地掌握课程目标，帮助学生更好地理解学习目标，在获取新知识的同时，增强学生的学习兴趣，给与学生更多的鼓励与创新。

3.3 加大3D打印机投入与加强校校合作

（1）加入对3D打印机的投入，加快3D打印设备的更新。目前，在高等院校及中小学校园里，涌现了越来越多的有关创客理念的平台，如X小学创客实验室、创客中心、X大学大学生创新创业工作室等，大都配有3D打印机以供学生使用。但是随着学生的数量与需求增加，3D打印机显得供不应求，3D打印技术的发展与进步，涌现了越来越多的与时代发展相结合的3D打印设备，现有的设备无法满足创客成员在数量上和技术上的要求，从某种程度来看，降低了学生的积极性。因此，在开设有科学教育专业的高等院校中加大对3D打印机的投入或更新现有的3D打印设备，跟上时代的发展，显得尤为迫切且重要。学校也可以开展相关的比赛，吸引更多的学生参与，让学生有更多的获得感。

（2）加强与中小学校之间的校校合作。学生进入高等院校学习，最终的目的是就业，因此，要从根本上提高3D打印技术在教育中的推广与应用，可以与中小学校开展校校合作，甚至可以与企业开展校企合作。当前，部分中小学校已经建立了创客实验室，需要大量的技术人才，这也正好是高等院校的一个良机。作为师范院校，学生在毕业前有一个学期的实习环节，指导老师可鼓励学生在实习期间，向小学创客实验室中有经验的教师学习，了解小学对此项技术的一些观点、理念、需求与授课模式，帮助学生在工作期间更有针对性地开展工作。加强与中小学校的合作，可以使高等院校培养的人才最大利用化，也使中小学校需要的人才在质量和数量上最优化。

3.4 加大对3D打印技术的普及

社会公共资源丰富且公开透明，能弥补学校科普资源的局限性，政府及其他部门可以整合社会公共资源，通过设立一系列的有关3D打印的比赛或者科普活动，让3D打印技术进校园、进课堂，让更多的高校学子和中小学生参与，让学生家长从根本上认识3D打印，既达到了宣传与普及的目的，又能提高学生的积极性与主动性，给与学生更多的机会与体验，培养学生的创新思维。

4 结束语

STEAM教育和创客教育是激发学生兴趣、培养学生创新与实践能力的重要理论基础。现如今，3D打印技术已风靡全球，让学生接触并学习3D打印技术的有关知识对于培养高质量的创新型人才具有重要意义，因此，对于以培养中小学科学教师为目标的高等院校来说，3D打印技术在科学教育专业课程中显得尤为重要。

对高等院校科学教育专业初次接触3D打印技术的学生来说，其工作原理、三维模型的建构是课程的难点，从模仿别人的模型到创造自己的模型需要一定的理论基础和时间；对教授这门课程的教师来说，在提高学生对此技术的认知的基础上，更多更大的挑战是激发学生的潜能与兴趣，使学生达到学以致用的学习效果，并能开发适合该院校的有关3D打印技术的课程。当然，这也是一个教学相长的过程，学生在教师的指导下能学习新的知识、新的技术，教师在教授的过程中，可以提升自己的教学水平、教学能力、拓宽教学思路。

[1] 刘若淼. 3D打印技术在小学教学中的应用[J]. 教育论坛，2016(8): 11.

[2] 周洪宇. 教育如何应对第三次工业革命[N]. 中国教育报，2013-01-18(3).

[3] 肖一. 基于STEAM教育理念的小学3D打印校本课程开发与实践研究——以D小学为例[D]. 成都: 四川师范大学，2021.

[4] 张琳. 浅谈如何将3D打印技术应用到职业教育中[J]. 科学教育，2016(3): 357.

Application of 3D Printing Technology in Science Education Curriculum——Taking Changsha Normal University as an Example

In recent years, 3D printing technology has gained lots of traction in fields, especially the education industry. With the proposal of maker education and STEAM education, and the increase of students' demand for innovation, the requirements for science teachers in primary and secondary schools have gradually increased. Therefore, it is particularly important to set up courses related to 3D printing technology in colleges and universities. Taking Changsha Normal University as an example, this paper discusses the value and significance of offering 3D printing courses in science education majors in colleges and universities on the basis of the existing courses.

3D printing; science education; course application

G65

A

1008-1151(2022)05-0134-04

2022-02-22

湖南省大学生创新创业训练计划项目（S202113806014）。

李扬艺（2000－），男，长沙师范学院初等教育学院学生，研究方向为科学教育。

张银（1995－），女，长沙师范学院初等教育学院助教，硕士，研究方向为科学教育。