美國新媒體聯盟發布的《地平線報告》（The Hori­zon Report）從2013 年起連續三年提到，3D 打印（3DPrinting）將成為教學的主要技術，並指出未來2—3 年內3D打印（yìn）將走進（jìn）教學[1]。隨著3D 打印技術（shù）（以（yǐ）下簡稱3D 打印）的不斷普及和創新應用，教師和研究人員對其關注日益增加。因此，本文基（jī）於3D 打印的基本特征和（hé）國內外教學應用現（xiàn）狀，深入分析國外3D 打印的教學案例，得（dé）出3D 打印的教學創（chuàng）新應用的新（xīn）趨勢。

 

 

一、3D打印與特點

 

3D 打印是（shì）利用塑料或樹脂等可粘連的原料進行層層打（dǎ）印形成物件的增材製造技術[2]。它的工作原理是將3D 打印機（jī）與計算機連接，通過設計輔助軟件進行數字建模，再將數（shù）字信息傳（chuán）輸給（gěi）打印機，利用打印機中的絲狀、粉狀或是液體狀的材料以逐層堆（duī）疊的方式製作出（chū）產（chǎn）品。3D 打印技術具有三個明顯的特點：第一，因為是通過將材料堆積疊加形成的，避免了材料的浪費[3]； 第二，能夠在時間短、空間有限（xiàn）的情況下打印出物件， 提高了加工（gōng）製造的效率；第三，能（néng）夠將人們創意的想法（fǎ）和設計快速呈現，實現了個性創新製作。

 

二、國（guó）內外3D打印教學創新（xīn）應用現狀

 

3D 打印作為一種新（xīn）興的可視化的技術和工具，能夠更好地幫助學生將抽象事物形象化，因此已經被引入到教育教學（xué）中。2013 年，美（měi）國製定並且實施MEN-TOR 項目（mù），將3D 打印推廣普（pǔ）及至高中教學中，在引起學生對工（gōng）程設計類課程的興趣的同時提升其綜合知識與能力[4]。2014 年，美國白宮舉辦第一次創客嘉年華， 美國總統奧巴馬宣布全美（měi）引進3D 打印產業，並強調利用3D 打印推動中小學的（de）教育變革[5]。這不僅全麵推動3D 打印在教育教學中的應用，而且推動STEM 教育的發（fā）展，同時（shí）也為美國的（de）教育（yù）帶來一（yī）股新鮮（xiān）力量（liàng）。

英（yīng）國教育部為在（zài）教育教（jiāo）學中推廣和普及（jí）3D 打印並探索其創新（xīn）教學方式，開展了一年的實驗探究[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（wò）3D 打印的相關技能，這樣才能更好地（dì）實現教學創新改革。於是，為上千名中小（xiǎo）學教師提供3D 打印的培訓以便更好（hǎo）地幫助學生獲得（dé）知識且提高技能、素養等。隨後，將3D 打印列為國家課程，促（cù）使中（zhōng）小學開展相關活動，進而培養學生的自主動手設計能力和創新（xīn）思維。

我國正在逐步開展3D 打印的教學應用工作。2014年，國務院推出“3D 打印創（chuàng）新教育播種”計劃，意在為學（xué）生的創新創造提供良好的氛圍，以（yǐ）培養其“創客” 精神和提升其“創客”能力 [7]。2014年，為了加快3D 打印在（zài）教育領域的普及（jí），成立“中國係統仿真學會3D 教育與裝備專業委員會”[8]。2015 年國（guó）家工業和信（xìn）息化部出台《國家增材製造產業發展推進計（jì）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，許多省市也在積極開展3D 打印的創新教學。如南（nán）京馬府街小學開展3D 打印的創新教學的係統研究[10]；北京（jīng）朝（cháo）陽區實驗小（xiǎo）學引入（rù）3D 打印，助（zhù）力課（kè）程整合（hé）和課程改革[11]。國內3D 打印的教學應用的步伐正在加快，但（dàn）不可否（fǒu）認的是，雖然部分地區（qū）已經應用3D 打印開展教學，可由於缺乏一定的理論指導（dǎo）和實踐經（jīng）驗，還未能實（shí）現利用3D 打印進行的創新性教學。

 

 

三、3D 打印教學創新應用案例分（fèn）析

 

目前很多發達國家在K-12、高等（děng）教（jiāo）育中已經開展3D打印的教學實踐。本研究（jiū）將以美國賓夕法尼亞州州立學院學區中（zhōng）小學的“走向綠色社區”學習活動項目和羅徹斯特理工學院應用（yòng）3D 打印的力學橋梁課為例進一步分析3D 打印的教學創新應用情況。

（一）“走向綠色社（shè）區”學習活動項目

賓夕（xī）法尼亞（yà）州州立學院學區的中小學教師Ron（羅恩）和Michelle（米歇爾（ěr））頗具創新地（dì）將（jiāng）八（bā）年級的學（xué）生和一（yī）年級的學生劃分為同一小組，利用3D打印合作完成主題為“走向（xiàng）綠色社區（qū）”的學習活動[12]。

具體教學過程是這（zhè）樣的（如圖1 所示）：首先（xiān）， 一年級學（xué）生在（zài）八年級學生的（de）指導和幫助下繪出家居草圖；然後（hòu），小組進行頭腦風暴，評估（gū）並修改草圖，記錄問題，以便後期繼續修改；接著，教師組織學生分享（xiǎng）設計圖，小組間進行交流，進而促進問題的解決。其次，小組成員根據交流結果修改草（cǎo）圖並在八年（nián）級學生的（de）帶領下進行3D 建模。再次，利用3D打（dǎ）印機得到相（xiàng）關物件， 小組討論不（bú）斷修改進而完善設計。最後，小組間進（jìn）行展示交（jiāo）流，學生和教（jiāo）師（shī）可以進行自評、互評、點評。

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

 

 

 

（二）力學橋梁結構分析的案例

羅徹斯特理工學院（RIT）的教師KyleManchester （凱（kǎi）爾·曼徹斯特）在他所教授的（de）力學課程中講授橋梁結構受力時，利用3D 打印機打印出實物（wù）[13]。他的教學過程是這（zhè）樣的（如（rú）圖2 所（suǒ）示）：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 設計軟件畫橋（qiáo），再使用（yòng）3D 打印機打印出（chū）各個部分並進行組（zǔ）裝；然後，學生進行試驗（yàn），遇（yù）到問題利（lì）用互聯網或是通過和教師的交（jiāo）流尋求解決方（fāng）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（qiáo）梁結構的分析和設計能力，同時可以進行學生互評和教師評價。

 

 

 

其教學創新之處在於（yú）：第一，3D 打印為工程（chéng）課程的教學提供了切入點，使學生的想象和創意得以實現。課程中利用模型試（shì）驗（yàn）承重，來檢驗學生設計（jì）的橋梁結構是否科（kē）學穩定，將學生的設計與效果建立起聯（lián）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（gòu）的設計、打印、分析到修改（gǎi）等過程都要學（xué）生參與完成（chéng），學生的綜合知識和能力得到提高。

從上述案例中可以發現3D 打（dǎ）印在創（chuàng）新教學中（zhōng）發揮著（zhe）重（chóng）要作用，不僅為學生營造真實的問題情（qíng）境、激發學（xué）生學習的積極性，而且為學生提供創造（zào）實踐的平台和空間，使（shǐ）得學生創新、實踐能力得到培養。

 

四、3D 打印教學創新應用（yòng）的新趨勢

 

隨著3D 打印的不斷發展（zhǎn），其在教育教學中的應用也不斷增加。從上（shàng）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（cóng）簡（jiǎn）單（dān）的學習目標，向培養“21 世紀技能”轉變

“互（hù）聯網+ 教育”的教育形態使得知識的獲取（qǔ）變得更加容易（yì），更（gèng）新的速度也不斷加快。為適應21 世紀的學習和生活，學校的教育教學不僅要促使學生掌握理論知識，還需（xū）要以培養學生的“21 世紀技能”為目標， 讓學生在（zài）學習與創新方麵、數字（zì）素養方（fāng）麵、職業（yè）和生活技能方麵[14] 都有所提升，以便其能更好地運用這些（xiē）技能去理解知識和解決（jué）真實世界的各種問題，以適應信（xìn）息化的社會。3D 打印應用教學中，以其獨特的優勢（shì）， 可以幫助學生將抽象觀點形象化、腦（nǎo）海的（de）想法實物（wù）化、動手的技能高級化，進而（ér）幫助學生實（shí）現創新創造能力的提升。因為使用3D 打印完成某一學習項目時，一般都是以（yǐ）小組合作（zuò）的形式進行，通過項目完成的過程， 學生（shēng）的溝通意識、協作意（yì）識和能（néng）力（lì）也得以增強。同（tóng）時，在合作探究時需要（yào）收集、加工和（hé）處理各種（zhǒng）信息，以及應用其他的媒體來（lái）輔助完成（chéng），在（zài）這個過程中，學（xué）生的信息素（sù）養、媒體素養等都會得以提高。

（二）從（cóng）單科知識的學習，向跨（kuà）學科知識融合轉（zhuǎn）變

沃爾特曾經說過，“人們需（xū）要具備跨學科的知識（shí）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（qǐ）”，這與“21 世紀（jì）技（jì）能”所提出要培養學（xué）生三個方麵技能的（de）觀念是一（yī）致的，即學（xué）生需（xū）要（yào）將多種知識和技能融合（hé）掌握。3D 打印應用於教（jiāo）學中，能（néng）夠實現教學（xué）內容的豐富和跨學科知識的融合（hé），比如上文中提（tí）到的羅徹斯（sī）特理工學院橋梁結構的案例中，學習者不僅需要掌握工程技術（shù）方（fāng）麵的知識，還需要掌握數（shù）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（xué）中的應用作為一個平台促使這些內容進行融（róng）合。3D 打印（yìn）教學創新會使得學生的學習不再僅僅是單一的（de）學科知識，而是將多門學（xué）科知識和（hé）技能（néng）通過相關的教學（xué）活動（dòng），與學生原有認知結構形成連接，進而轉化為（wéi）新的認知結（jié）構，實現（xiàn）多方麵知識的增加（jiā）和技能的提高。

（三）從（cóng）單一的教學方法，向創造多（duō）樣化方法轉變

一般的教學方式方法較為單一，導致學生知識和（hé）能力的提高有限（xiàn）。3D 打印應用於教學中，促使教育教學在方（fāng）式和模式上朝著多元化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，本研究總結歸納出三種（zhǒng）應用（yòng）3D 打印（yìn）進行創（chuàng）新的教學方法，分別（bié）是基於（yú）3D 打（dǎ）印的項目教學法、基於3D 打（dǎ）印的任務驅（qū）動教學法、基於3D 打印的（de）問（wèn）題教學法。

基於3D 打印的（de）項目（mù）教學法是以項目為中心開展學習活動，利用3D 打印（yìn）幫（bāng）助學生將抽象內容具象化，進而幫助學生更（gèng）好地理解知識（shí）、解決問題。如“走向（xiàng）綠色社區”案例就是采用項目式教學（xué），在教學過程中3D 打印（yìn）為學生營造了（le）一個真實的問題情（qíng）境，學生通過形成小組，參與到模型的設計、打印、觀察、評價、改進（jìn）等活動過程中建構新知和技能（néng）。

基於3D 打印的任務驅動教學法是學習（xí）者在教師的指（zhǐ）導和幫助下利用3D 打（dǎ）印完成任務以獲得新知和技能。學習者在完成任務的過程中利用3D 打印可（kě）以幫（bāng）助（zhù）將一些抽象的（de）或是難以理解的內（nèi）容具象化，進而促進理（lǐ）解和完成任（rèn）務，同時（shí）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帶著問（wèn）題去思考、去分析、去（qù）學習，使得學生（shēng）的學習從（cóng）被動接（jiē）受到主動創（chuàng）造，同時（shí）利用3D 打印幫助學習者利用具體形象（xiàng）的物件來理解和分析問題，或是打印出一些難以得到的模型以輔助學習。如3D 打印用在骨科教學中（zhōng），根（gēn）據課前掌握的教學知識，結合3D 打印（yìn）模型去推斷病患的起因、症狀和體（tǐ）征，使得學生可以直觀地（dì）學習解剖結構[15]。因此，在3D 打印的教學創新應用中，教學方式將變得更加多元化。

（四）從技術支撐（chēng）的學習，向技術深度融合的創造性學習轉變

3D 打印應（yīng）用於教學中，不僅可（kě）以（yǐ）為學生營造有趣的學習（xí）情境，而且（qiě）為學生進行學習探究提供新興（xìng）的技（jì）術工具，使得（dé）學（xué）生可（kě）以根據（jù）自身需求選擇合（hé）適的學習方式。首先，學生（shēng）可以使用3D 打印（yìn）進行自主學習去解決對自身而言有難度的問題，以提高學生的學（xué）習能力和問題解（jiě）決能力。其次，學習者可以以小組合作方（fāng）式進行（háng）協商、討論，通過合作的方式既能提高學習者的合作探究和溝通（tōng）表達能力，又能調動（dòng）學生學習的積極性。最後，學生在學習過程中會不（bú）斷產生各種問題，讓學生基於這（zhè）些問題去探究學習會比教師的解（jiě）答效果更（gèng）好。同時（shí），3D 打印也能幫助學生適當地解決某些問題，在解決問題（tí）的過程中，學生的認知水平、思維能力、探究能力都會得到提高。因此，3D 打印的教學創新將（jiāng）會為學生提供（gòng）多樣的學習形（xíng）式，促使學生更好地成長。

（五）從單向的（de）學習評價，向多維綜合評價轉變（biàn）

3D 打印的創新教學不僅改變了（le）教學方法，創（chuàng）新了學習方式，而且形成多維綜合的評價機製。首先，基（jī）於3D 打印的（de）創新教學的評（píng）價不同於（yú）傳統課堂的評價（jià）機製，教學過（guò）程中增加了（le）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，傳統的教學評價隻針對學生知識掌握的狀況進行評價， 而忽視了知識和（hé）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）學習的主動性等職業技能的（de）評價。基於3D 打印創新教學技能既（jì）能促使（shǐ）學生進行自主學習，在自主（zhǔ）學習過程中發揮其自主探（tàn）究和學習的（de）能力，而且會為學生提供合作學（xué）習的機會，讓學生在（zài）合作（zuò）中提高溝通、表達、協作（zuò）的能力。最後，不同於一般的（de）教學過程，基於（yú）3D 打印的創新教學（xué）的評價是貫穿於整個教與學的過程之中，不僅會對學生作品進行評價，而且會對學生在（zài）合作、打印過程中的表現給予及時的反饋和評價，更好地促進學生的學習，同時保證評價結（jié）果的合（hé）理性。

 

五、結束語

 

3D 打印的教學應（yīng）用不僅（jǐn）是新興技術在教學中的運用（yòng），也是創新（xīn）性教學的大膽探索[16]。3D 打印的創新性（xìng）應用（yòng）於教學之中，不僅提高了（le）學生學習的積極性（xìng），提高（gāo）了（le）學生的綜合知識和能力，而且為教師帶來（lái）了多元化的（de）教學方式、多層次（cì）的評價方式等。3D 打印與教育教學深度融合，其實就是技術與教育（yù）教學結合的方式， 但是想將（jiāng）其深入應用於教育教學中（zhōng），就（jiù）必須在學科教學（xué）的過程中尋求多樣化的教（jiāo）學（xué）方（fāng）法和模式，同時在課（kè）程設置和教學設計上建構創新性的模式。隻有不斷提高3D 打印的創新教學的內容、方法、模式，才有可能更好地實現其（qí）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，更好地適應社會的需求奠定更堅（jiān）實的基（jī）礎。