美國新媒體聯盟發布的《地平線報告（gào）》（The Hori­zon Report）從2013 年起連續三年提到（dào），3D 打印（3DPrinting）將成為（wéi）教學的主要技術，並指出未來（lái）2—3 年內3D打印將走進教學[1]。隨著3D 打印技術（以下簡稱3D 打印）的不斷普及和創新應用，教師和研究人員（yuán）對其關注日益增加。因此，本文基於3D 打印的基本特征（zhēng）和國（guó）內外教學應用現狀，深入分析國外3D 打印的教（jiāo）學案例，得出（chū）3D 打印的教學創新應用的新趨勢。

 

 

一、3D打印（yìn）與特點

 

3D 打印（yìn）是（shì）利用塑料或樹脂等可粘連的原（yuán）料進行（háng）層層打印形成（chéng）物件的增材製造技術[2]。它的工作原理是將3D 打印機與計算機連接，通過設計輔助軟件進行（háng）數字建模，再（zài）將數字信息（xī）傳輸給打印機，利（lì）用（yòng）打（dǎ）印機中的絲狀、粉狀或是液體狀的材料以（yǐ）逐層堆（duī）疊的方式製作出（chū）產品。3D 打印技術具（jù）有三個明顯的特點（diǎn）：第一（yī），因為是通過將材料堆積疊加（jiā）形成的，避免了材（cái）料的浪費[3]； 第二（èr），能夠在時間短、空間有限的情況下打印出物件， 提高了加工（gōng）製造的（de）效率；第三，能夠將人們創意的想法和設計快速呈現，實現了個性創新製作。

 

二、國內外3D打印教學創新應用現狀

 

3D 打（dǎ）印作為一種新興（xìng）的可視化的技術和工具，能夠（gòu）更好地幫助學生將抽象事（shì）物形象化，因此已經被引入到教育教學中。2013 年，美國製定並且實施MEN-TOR 項目，將3D 打印推廣普及至高中教學中，在引起學生對工程設計類課程的興（xìng）趣的同時提升其綜合知識與能（néng）力[4]。2014 年，美（měi）國白宮舉（jǔ）辦第一次創客嘉年華， 美國總統奧巴馬宣布全美（měi）引進3D 打印（yìn）產業，並強調利用3D 打印推動中小學的教育變（biàn）革[5]。這不僅全麵推動（dòng）3D 打印在教育教學中（zhōng）的應用，而且推動STEM 教育的（de）發展，同時也為美國的（de）教育帶來（lái）一股新鮮力量。

英國教育部為在（zài）教（jiāo）育教學中推廣和普及3D 打印並探索其創新教學方（fāng）式，開展了一（yī）年的實驗探究[6]。想利用3D 打印提升教學效果，培養學生創新思維（wéi）和能力，教師必須先掌握3D 打印（yìn）的相關技（jì）能（néng），這樣才能更好地實現教學創新改革。於（yú）是，為上千（qiān）名中小學教（jiāo）師提（tí）供3D 打印的培訓（xùn）以便更好地幫助學生獲得知識（shí）且提高技能、素養等。隨後，將3D 打印列為國（guó）家課程（chéng），促（cù）使中小學開展相關活動，進而培養學生（shēng）的自（zì）主動手設計能力和創（chuàng）新思維。

我國（guó）正（zhèng）在（zài）逐步開展3D 打印的教學應用工作。2014年，國務院推出“3D 打（dǎ）印創新教育播種”計劃（huá），意在（zài）為學生的創新創造（zào）提供良好的氛圍，以培養其“創客” 精神和（hé）提升（shēng）其“創客”能力 [7]。2014年，為了加快3D 打印在（zài）教育領域的普及，成立“中國係統仿真（zhēn）學會3D 教育與裝備專業委員會（huì）”[8]。2015 年國家工業和信息（xī）化部出台《國家增材製造產業發展推進計劃（2015— 2016 年）》，旨在促使3D 打印深入教學實踐，進而引發創新教學方式的產生[9]。同時，許（xǔ）多省市也在積極開展3D 打印的創新教學。如南京馬（mǎ）府街（jiē）小學開展3D 打印的創新教學的係統研究[10]；北京朝陽區實（shí）驗小學（xué）引入3D 打印，助力課程整合和課程改革[11]。國內3D 打印的教（jiāo）學應用（yòng）的步伐正（zhèng）在加快，但不可否認的是（shì），雖然部分地區已經應用3D 打印開展教（jiāo）學（xué），可由（yóu）於缺乏一定的理論指導和實踐經驗，還未能實現利（lì）用3D 打印進行的創新性教學。

 

 

三、3D 打印（yìn）教學創（chuàng）新應用案例分析

 

目前很多發達國家在K-12、高等教育中（zhōng）已經開展3D打印的教學實（shí）踐。本研究將以美國賓夕法尼亞州州立學院學區中小學的“走（zǒu）向綠（lǜ）色社區”學習活動（dòng）項目和羅徹斯特理工學院應（yīng）用3D 打印的力學橋梁（liáng）課為（wéi）例（lì）進一步分析3D 打印的教學創新應用情況。

（一）“走向綠色社區”學習活動項目

賓夕法尼亞州州立學院（yuàn）學區的（de）中小學教師Ron（羅恩）和Michelle（米歇爾）頗具創新地將八年級的學生和一年級的學生劃（huá）分為同一小組，利用3D打印（yìn）合作完（wán）成（chéng）主題為“走向綠色社區”的學習活動[12]。

具體教學過（guò）程是這樣的（如圖1 所示）：首先， 一年級學生在八年級學生的指導（dǎo）和幫助下繪出家居草圖；然後，小組進行頭腦（nǎo）風暴，評估並修改（gǎi）草圖，記錄問題（tí），以便後期繼續修改；接著，教師（shī）組織（zhī）學生分享設計圖，小（xiǎo）組間進行交流，進（jìn）而促進問題的（de）解決。其（qí）次（cì），小組成員根據交流結果修改草圖並在（zài）八年級學生的帶領下進行（háng）3D 建模。再次，利用3D打印機得到相關物件， 小組（zǔ）討（tǎo）論不斷修改進而完善設計。最後，小（xiǎo）組（zǔ）間進行展示交（jiāo）流，學（xué）生和（hé）教（jiāo）師可以進行自評、互（hù）評、點評。

3D 打印在“走進綠色社區”項目中發揮了很（hěn）大的作用，具體（tǐ）表現在（zài）以下兩個方麵：第一，快（kuài）速生成模型， 獲（huò）得直觀感受，節約時間和成本；第二，激發學生興趣， 3D 打印將學習者設計的想（xiǎng）法轉變為實物，學習（xí）者通過（guò）實物學（xué）習能更快更好地發現不足，不斷（duàn）修改和完善。

 

 

 

（二）力學橋梁結構分析的案例

羅徹（chè）斯特理工學院（RIT）的（de）教師KyleManchester （凱爾·曼徹斯特）在他所教授的力學課程中講授橋梁結構受力時，利用（yòng）3D 打印機打印出實物[13]。他的教學過程是這（zhè）樣的（如圖2 所示（shì））：首先，教師布置任務，小組合作建立一個具有桁架的非金屬材料的橋；接著， 學生通過CAD 設計軟（ruǎn）件畫橋，再使用（yòng）3D 打印機打（dǎ）印出（chū）各個部分並進行組裝；然後，學生進行試驗，遇到問題利用互聯網或是通過和教師的交流尋求解決方法； 最後，各小組分別進行交流展示和承重測試，大家分享經驗並獲得橋梁結構的分析（xī）和設（shè）計能力（lì），同（tóng）時可以（yǐ）進行（háng）學生互評和教師評價。

 

 

 

其教學創新之處在於（yú）：第一，3D 打印為（wéi）工程課程的教（jiāo）學（xué）提供了切（qiē）入點，使學生的想象和創意得以實現。課程中利用模型（xíng）試驗承重，來（lái）檢驗學生設（shè）計的橋梁結構是否科學穩定，將學生的設計與效果建（jiàn）立起聯係，促使學生增強對工程設計的興趣。第二（èr），提高學習者的綜合能力，課程學習中，從橋梁結構的（de）設計、打印、分析到修改等過程都要學（xué）生參與完成，學生的綜合知識和能力得（dé）到提高（gāo）。

從上（shàng）述案例中（zhōng）可以（yǐ）發現3D 打（dǎ）印在創新教學中發（fā）揮（huī）著重要作用，不僅為學生營（yíng）造（zào）真實的問題情境、激發學生（shēng）學習的積極性，而且（qiě）為學生提供創造（zào）實踐的（de）平台和空間，使得學生創（chuàng）新、實踐能力（lì）得到培養。

 

四、3D 打印教學創新應用的新趨勢

 

隨著3D 打印的不（bú）斷發（fā）展，其在教育教學中的應用也不（bú）斷增加。從上述的案例中可以發現，3D 打印教學創新應用會有以下發展趨勢。

（一）從簡（jiǎn）單的學（xué）習目標，向培養“21 世紀技能”轉變

“互聯網+ 教育”的教育形態使（shǐ）得知識的獲（huò）取變得更加容易，更新的速度（dù）也不斷（duàn）加快。為適應21 世紀的（de）學習和生活，學校的教育教學不僅要促使學生掌握理論（lùn）知識，還需要以培（péi）養（yǎng）學生（shēng）的“21 世紀（jì）技能”為目標， 讓學生在學習（xí）與創新方麵、數字素養方麵、職業和生活技能方麵[14] 都有所提升，以便其能更好地（dì）運（yùn）用這些（xiē）技能去理解知識和解決真實世界的各種問題，以適（shì）應信息化的社會。3D 打印應用教學中，以其（qí）獨特的優勢， 可以幫助學生將抽象觀點形象化、腦海的想法實物化、動手（shǒu）的技能高級化，進而幫助學生實現創新（xīn）創造能（néng）力的（de）提（tí）升。因為（wéi）使用3D 打印完成某一學習項目時，一（yī）般都是以（yǐ）小組合作的（de）形式進行，通過項目完成（chéng）的過程， 學生的溝通意識（shí）、協作意識和能力也得以增強。同時，在合作（zuò）探究時需要收集、加工和處理各種信息，以（yǐ）及應用其他的媒體來輔助完成，在這個過（guò）程中，學生的信息素養、媒體素養等都（dōu）會得以提高。

（二）從單科知（zhī）識的學習，向跨學科知識（shí）融合轉變

沃爾特曾經說過，“人們（men）需要具備跨（kuà）學科的知識和能力來創造性地將科學、技術、工程、藝術和（hé）數學結合在一起”，這與（yǔ）“21 世紀技能”所提出要（yào）培養學生三個（gè）方麵技（jì）能的觀念是（shì）一致的，即學生需要將多種知識和技能融（róng）合掌握。3D 打印（yìn）應用於教學中，能夠實現教（jiāo）學內容的（de）豐富和跨學科知識的融合，比如上文（wén）中提到的羅徹斯特理工學院（yuàn）橋梁結構的案（àn）例（lì）中（zhōng），學習（xí）者不僅需要掌握工程技術方麵的知識，還需要掌握數學、科學方麵的知識，這就使得課堂的教學內容更加豐富多樣，而3D 打印在教學中的應用（yòng）作為一個平台促使這些（xiē）內容進行融合（hé）。3D 打印教學創新會使得學生的學習不再僅僅是單一的學科知識，而是將（jiāng）多門學科知識和技能通過相關的教（jiāo）學活動，與學生原有認知結構形（xíng）成連接，進（jìn）而轉化（huà）為新（xīn）的認知結構，實現（xiàn）多方麵知識的增加和技能的提高。

（三）從單一（yī）的教學方法，向創（chuàng）造多樣化方法轉（zhuǎn）變

一般的教學方式方法較為單（dān）一（yī），導致學生知識和能力的提高有限。3D 打印應用於教學中，促使教育教學在方式和模式上（shàng）朝著多元化（huà）和支持學生個性化的趨勢發展。依據國內外3D 打印的教學應用案例（lì），本研（yán）究總結歸納出三種應用3D 打印進行創新（xīn）的教學方法，分別是基於3D 打印的項目教學法、基於3D 打印的任務驅（qū）動教學法、基於3D 打（dǎ）印的問題教學法。

基於3D 打印的（de）項目教學法是以項目為中心（xīn）開展學習（xí）活動，利用3D 打印幫助學生將抽象內容具象（xiàng）化，進而幫助學生更（gèng）好（hǎo）地理解知（zhī）識、解決問題。如“走向綠色社區”案例（lì）就是采用項目式教學，在教學過程（chéng）中3D 打印為學生營造了一個真實的問（wèn）題情境，學生（shēng）通過形成（chéng）小組，參與到模型的設（shè）計、打印、觀察、評價（jià）、改進等活動過程中建構新知和技能。

基於3D 打印的任務驅動教學法是學習者在教師的指導和幫助下利用3D 打印完成任務以獲（huò）得新（xīn）知和（hé）技能。學習者在完成任務的過程中利（lì）用3D 打印可以幫助將一（yī）些抽象的或是難以理解（jiě）的內容具象化，進而促進理解（jiě）和完（wán）成任務，同時提高學生的知識和技能。

基於3D 打印的問題教學法是讓學生（shēng）帶著問題去思考、去分（fèn）析（xī）、去學習，使得學生的學習從被動接受到主動創（chuàng）造，同時利用3D 打印幫助學習者利用具體形象的物件來理解和分析問題（tí），或（huò）是打印出一些（xiē）難以得到的模型以輔助（zhù）學習（xí）。如3D 打印用在骨科教學中，根據（jù）課前掌握的教學知識，結合3D 打印模型去推斷（duàn）病患（huàn）的起因、症狀和體征，使得學生可以直觀地學習解剖結構[15]。因此，在3D 打印的教學創新應用中（zhōng），教學方式將變得更加多元化（huà）。

（四）從技（jì）術支撐（chēng）的學習，向技術深度融合的創造性學習轉變

3D 打印應用於教學中，不僅可以（yǐ）為（wéi）學生營造（zào）有趣的學（xué）習（xí）情境，而且為學生進行學習探究提供新興的技術工具，使得學生（shēng）可以根據自身需（xū）求選（xuǎn）擇合適的學習方式。首先，學生可以使用（yòng）3D 打印進行自主學習去解決對自身而言有難度的問題，以提（tí）高學生的學習能力和問題解（jiě）決能力。其次，學習者可以以小組合（hé）作方式進（jìn）行協商（shāng）、討論，通過合作的方式既能提高學習者的合作（zuò）探究和溝通表達能力，又能調動學生學習的積極性。最後，學生（shēng）在學習過程中會不斷產生各種問題，讓學生（shēng）基於這些問題去探究學習會比（bǐ）教師的解答效（xiào）果更好。同時，3D 打印也能幫助學生適（shì）當（dāng）地解決某（mǒu）些問題，在解（jiě）決（jué）問題的過（guò）程中，學生的認（rèn）知水平、思維能力、探究能力都會得到（dào）提高。因此（cǐ），3D 打印的教（jiāo）學創新將會為學（xué）生提供多樣（yàng）的學習形式，促使學生更好地成長。

（五）從單向的學（xué）習評價，向多維綜合評價轉變

3D 打印的創新教學不僅改變了教學方法，創新了學習方式，而且形成多維綜合的評價機製（zhì）。首先，基於3D 打印的創新教（jiāo）學的評價不同於傳統課堂的評價機製，教學過程中增加了學生與教師互動、與同伴合作， 評價主體更加多元化。其次，評價的內容是多樣化的，傳統（tǒng）的教學（xué）評價隻針對學生知識掌握的狀況進行（háng）評價（jià）， 而忽視了知識和能力掌握過程的評價，以及學生如何處理和使用信息的數字素養或者（zhě）學（xué）習的主動性等（děng）職業技能的評價。基於3D 打印創新教學技能既能促使學生進行自（zì）主學習，在自主學習過程中發揮其自主探究和學習的能力，而且（qiě）會為學生提供合作學習的機（jī）會，讓學生在合（hé）作中提高（gāo）溝通、表達、協作的能力。最後，不同於一般的（de）教學過程，基於3D 打印的創新教學的（de）評價（jià）是貫穿（chuān）於整個教與（yǔ）學的過程之中，不僅會對學生作品進行評價，而且會對學生（shēng）在合作、打印過程（chéng）中（zhōng）的表現給予及時的反饋和評價，更好地促進學生的學習（xí），同時保證評價結果的合理性。

 

五、結束語

 

3D 打印的教學（xué）應用不僅（jǐn）是新興技術在教學中（zhōng）的運用，也是創新性教學的大膽探（tàn）索[16]。3D 打印的（de）創新性應用於教學之中，不僅提高了（le）學生學習的積極性，提高了學生的綜合知識和能力，而且為教（jiāo）師帶來（lái）了多元化的教學（xué）方式、多層次的評價方式等。3D 打印與教育教學深度（dù）融合，其實就是技術與教育教學結合的方式， 但是想將其深（shēn）入應用於教育（yù）教學中，就必須（xū）在（zài）學科教（jiāo）學的過（guò）程中尋求（qiú）多樣（yàng）化的教學方法和模（mó）式，同時在課程設置和教學設計上建構創新性的模式。隻有不斷提高3D 打印的創新教學（xué）的內容、方法、模式，才有可（kě）能更好地實現其創新教學的目標，為學生的多層次、多方麵、個性化發展和成長，更好地適應（yīng）社會的需求奠定更堅實的基礎。