美國新媒體聯盟發布（bù）的《地平線報告》（The Hori­zon Report）從（cóng）2013 年起連續三年提到，3D 打印（3DPrinting）將成為教（jiāo）學（xué）的主要技（jì）術，並指出未來2—3 年（nián）內3D打印將走進教學[1]。隨著（zhe）3D 打印技術（以下簡（jiǎn）稱3D 打印）的不斷普及（jí）和創新應用，教師和研（yán）究人員對其關（guān）注日益增加。因（yīn）此，本（běn）文基於3D 打印（yìn）的基本特征和國內外教學應用現狀，深入分析國外3D 打印的教學案例，得出3D 打（dǎ）印的（de）教學創新應用的新趨勢（shì）。

 

 

一、3D打印與特點

 

3D 打印（yìn）是（shì）利用塑料或樹（shù）脂等可粘連的原料進行層層（céng）打印形成（chéng）物件的增材製造技術[2]。它的（de）工作原理是將3D 打印機與計算機連接，通過設（shè）計輔助軟件進行數字建模，再將數字信息（xī）傳輸給打印機，利用打（dǎ）印機中的絲狀、粉狀（zhuàng）或是液體狀的材料以（yǐ）逐（zhú）層（céng）堆疊的方式製（zhì）作出產品。3D 打印技術具有三個明顯的特點：第一，因為是通過將材（cái）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、空間有限的（de）情況下打印出物件， 提高了加工製造的效率；第三，能夠將人們創意的想法和設計（jì）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 打印作為一種新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（cǐ）已經被引入到教育教（jiāo）學中。2013 年，美國（guó）製定（dìng）並且實施MEN-TOR 項目，將3D 打印推廣（guǎng）普及至高中教學中，在引起學生對工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（kè）嘉年（nián）華， 美（měi）國總統奧（ào）巴馬宣布全美引（yǐn）進（jìn）3D 打印產業，並強調利用3D 打印推動中小學的教育變革[5]。這不僅全麵推（tuī）動3D 打（dǎ）印在教育教學中的應用，而且推動STEM 教育的發展，同時也為美國的教育帶來一股（gǔ）新鮮力量。

英國教育部為在教育教學中推廣和普及3D 打印（yìn）並探（tàn）索其（qí）創新教（jiāo）學方式，開展（zhǎn）了一年的實驗探（tàn）究[6]。想利用3D 打印提升教學效果，培養（yǎng）學生創新思維和能力，教師必須先掌握3D 打印的（de）相關技能，這樣才能更好地實現教學創新（xīn）改革。於是，為上千名中小（xiǎo）學教師（shī）提供3D 打印的（de）培訓以便更好地幫助學生獲（huò）得知識且提高技能（néng）、素養等。隨（suí）後，將3D 打印列為國家課程，促使中小學開展相關活動，進（jìn）而培（péi）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（yīng）用工作。2014年，國務院（yuàn）推出“3D 打印創新教育播種”計劃，意在為學生的創新創造提供良好的氛圍，以培養其“創客” 精神（shén）和提升（shēng）其“創客”能力 [7]。2014年，為了加快3D 打印在教育領域的普及，成立“中國係統仿真學會3D 教育與裝備專業委員會”[8]。2015 年國家（jiā）工業和信息化部出台（tái）《國家增材製造產業發（fā）展推進（jìn）計劃（2015— 2016 年）》，旨在（zài）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（xué）。如南（nán）京馬府街小學開（kāi）展3D 打印的（de）創新教學的係統（tǒng）研究[10]；北京朝陽區實驗小學引入3D 打印，助力課程整合和課程改革[11]。國內3D 打印的教學應用的步伐正在加快，但不可否認（rèn）的是，雖然部分地區已經應用3D 打印開展教學，可（kě）由於缺乏（fá）一定的理論指導和實踐經驗（yàn），還未能實現利用3D 打印進行的創新性教學。

 

 

三、3D 打印教學（xué）創新（xīn）應用案例分析

 

目前很多發達國家在K-12、高等教育中已經開展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（xué）區中小學的“走向綠色社（shè）區”學習活動項（xiàng）目和羅徹斯特理工學院應用3D 打印的力學橋梁課為例（lì）進一步分析（xī）3D 打印（yìn）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（lì）學院學區的中小學教師Ron（羅恩）和Michelle（米歇爾）頗具創新地將八年級的學生和（hé）一年級的學生（shēng）劃分為（wéi）同一小組，利用3D打印合（hé）作完成主題為“走向綠色社區”的學（xué）習活動[12]。

具體教學過（guò）程是（shì）這樣的（如圖1 所示）：首先， 一年級學生在八年級學生的（de）指導和幫助下繪出家（jiā）居草圖；然後，小組進行頭腦風（fēng）暴，評估並修改草圖，記錄問題，以便後期繼續修改；接著，教師組織學生分享設（shè）計圖，小組間進行（háng）交流，進而促進問題的解決。其次，小組成員（yuán）根據交流結果修改草圖並在八年級學生的帶領下（xià）進行3D 建（jiàn）模。再（zài）次，利用3D打印機得到相（xiàng）關物件， 小組（zǔ）討論不（bú）斷修改進而完善設計（jì）。最後，小組間進行展示交流，學生和教師可以（yǐ）進行自評、互評（píng）、點評。

3D 打印在（zài）“走進綠色社區”項目中發揮了很大的作用，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（yuē）時間和成本；第二（èr），激發學生興趣， 3D 打印將學習者設計（jì）的想法轉變為實物，學習者通過實物（wù）學習（xí）能更快更好地發現不足，不斷修改和完善。

 

 

 

（二（èr））力學橋梁結構分析的案例

羅徹斯（sī）特理工學院（RIT）的教（jiāo）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（dǎ）印出實物[13]。他的教學過程是這樣的（如圖（tú）2 所示（shì））：首先，教師布置任務，小組合作（zuò）建立（lì）一（yī）個具有桁架的非金屬材料（liào）的橋；接著， 學生通過CAD 設計（jì）軟件畫橋，再（zài）使用3D 打印機打印出（chū）各個部分並進行（háng）組裝；然後，學生進行試驗，遇到問題利用互（hù）聯網或是通過和教師的交（jiāo）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（yàn）並獲（huò）得橋梁結構的分析和設（shè）計（jì）能力，同（tóng）時可以進行學（xué）生（shēng）互評和教師評價（jià）。

 

 

 

其教學創新之處在於：第一，3D 打印為工程（chéng）課程的教（jiāo）學提供了切入點，使學生的想象和創意得以實現。課程中（zhōng）利（lì）用（yòng）模型試驗承重，來檢驗（yàn）學生設計的橋梁結構是否科學穩定，將學生的設計與效（xiào）果建立起聯係，促使學生增強對工程設計的興趣。第二，提高學習者的綜合能力，課程學習中，從橋梁（liáng）結構的設計、打印、分析到修改等過程都要學生參與完（wán）成，學生的綜合知識和能力得到提高。

從上述案例中可（kě）以發現3D 打印在創新教學中發揮（huī）著重（chóng）要作用，不僅為學生營造真實的問題情境、激發學生學習的積極性，而且為學（xué）生提供創造實踐的平台和空間，使得學生（shēng）創新、實踐能力得到培養。

 

四、3D 打印教學創新應用的新趨勢

 

隨著3D 打印的不斷發展，其（qí）在教育教（jiāo）學中的應用也不斷增加。從上述的案例中可以（yǐ）發（fā）現，3D 打印教學創新應用（yòng）會有以下發（fā）展趨勢。

（一）從（cóng）簡單的學（xué）習目標，向培養“21 世紀技能”轉變

“互（hù）聯網+ 教育”的（de）教育形態使得知識的獲（huò）取變得更加容易，更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（yào）促使學生掌握理論知識，還需要以培養學生（shēng）的“21 世紀技能”為目標， 讓學生在學習（xí）與創新方麵、數（shù）字素（sù）養方（fāng）麵、職業和生（shēng）活技能方麵[14] 都（dōu）有（yǒu）所提升，以便其能更好地運用這些技能去理解（jiě）知識和解決真實世界的各種問題，以適應信息化的社會。3D 打（dǎ）印應用教（jiāo）學中，以其獨特的優勢， 可以幫助學生將抽象觀點形象化、腦（nǎo）海的想法實物化、動手的技能高級（jí）化，進而幫助學生實現創新創造能力的提升。因為使用3D 打（dǎ）印完成某一學習項目時，一般都是以（yǐ）小組合作的形式進行，通過項（xiàng）目完成的過程， 學生的溝通意識、協作（zuò）意識（shí）和能力也（yě）得（dé）以增強。同時，在（zài）合作（zuò）探究時需要收集、加工和處理各種信息，以及應用其他的媒體來輔助完成，在這個（gè）過程中，學生的信息素養、媒體素養等都會得以提（tí）高。

（二）從單科知識的學習，向跨（kuà）學科知識融合轉變

沃爾（ěr）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（gōng）程、藝術和數學結合在一起”，這與（yǔ）“21 世紀技能”所提出要培養學生三個方麵技能的觀（guān）念（niàn）是一致的（de），即學生（shēng）需要將多種知識和（hé）技能融合掌握。3D 打（dǎ）印應用（yòng）於（yú）教學中，能夠實現教學內容的豐富和跨學科知（zhī）識的融合，比（bǐ）如上文中提到的羅徹斯特理（lǐ）工學院橋（qiáo）梁結構的案例中，學習者不僅需要掌握工程技術方麵的知識，還需要掌握數學、科（kē）學方麵的知識，這就使得課堂的教學內容更加（jiā）豐富多樣，而3D 打印在教學中的應用作為一個平台促使這些內容進行融合。3D 打印教學創新會使得學生的學習（xí）不再僅僅是單一的學科知識，而是將多門學科知識和技能通（tōng）過相關（guān）的教學活動（dòng），與學生原有認知結構形成連（lián）接，進而轉化為新的認知結構，實現多（duō）方麵知識的增加和技能的提高。

（三）從單一的教學方法，向創（chuàng）造（zào）多樣化方法轉變

一般的教學方式方法較為（wéi）單一，導致學生知識和能力的提高有限（xiàn）。3D 打印應用於教學中，促使教育教（jiāo）學在方（fāng）式和模式上朝著（zhe）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（de）教（jiāo）學（xué）應用案例，本研究（jiū）總結歸納出三種應用3D 打印進（jìn）行（háng）創新的（de）教學方法，分別是基於（yú）3D 打印的項目教學法、基於3D 打印的（de）任（rèn）務驅動教學法、基於3D 打印的問題教學法。

基於3D 打印的項（xiàng）目（mù）教學法是以項目（mù）為中心開展學習活（huó）動，利用（yòng）3D 打印幫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、解決問題。如“走向綠色社區（qū）”案例就是采用項目式教學，在教學過程中3D 打印為學（xué）生營（yíng）造了一個（gè）真實的問題情境，學生（shēng）通過形成小（xiǎo）組，參（cān）與（yǔ）到模型的設計、打印、觀察、評價、改進（jìn）等活（huó）動過程中建構新知和技能。

基（jī）於3D 打印（yìn）的任務驅動（dòng）教學法是學習者在教師的指導和幫助下利用（yòng）3D 打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（dǎ）印可以幫助將（jiāng）一些抽象的或是難以理解的內容具象化，進而（ér）促進理（lǐ）解（jiě）和完成任務，同時提高學生的知識和技能。

基（jī）於3D 打印的問題教學（xué）法是讓學生帶著問題去（qù）思考、去分（fèn）析、去學習（xí），使得（dé）學生的學習從被動（dòng）接受到主動創造，同（tóng）時利用3D 打印幫助學習（xí）者利用具（jù）體形象的物件（jiàn）來理解和分析問題，或（huò）是打印出一些（xiē）難以得到的模型以輔助學習。如3D 打（dǎ）印（yìn）用在（zài）骨科教學中，根據課前掌握的教學知（zhī）識，結合3D 打印模型去推斷病患的起因（yīn）、症狀和體征，使得學生可以直觀地學習解剖結構[15]。因（yīn）此，在3D 打印的教學創新（xīn）應用中，教學方式將變得更加多元化（huà）。

（四）從技術支撐的（de）學（xué）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，不僅可以為學生營造有（yǒu）趣的（de）學習（xí）情境，而且為學生進行學習探究提供新興的（de）技（jì）術工具，使得（dé）學（xué）生可以根據自身需求（qiú）選擇合適的（de）學習方（fāng）式。首先，學生可以使用3D 打印（yìn）進行自主學（xué）習去（qù）解決對自身而（ér）言有難度的問題，以提高學生（shēng）的（de）學習能力和問題解決能力。其次，學習者可以以小組合作方式進行協商、討論，通過合作的方式（shì）既能提高學習者的合作探究（jiū）和溝通表達能力，又能調動學生學（xué）習的積（jī）極（jí）性。最後，學生在學習過程中會不斷產生（shēng）各種問題，讓學（xué）生基於這些問題去探究學習會比教師的解（jiě）答效果更好。同時，3D 打印也（yě）能幫助學生適當地（dì）解決某些問題，在解決問（wèn）題的過程中，學生的認（rèn）知水（shuǐ）平、思維能力（lì）、探究能力都會得到提高。因此（cǐ），3D 打（dǎ）印的教學創新將會為學生（shēng）提供多（duō）樣的學（xué）習形式，促使學生更好地成（chéng）長。

（五）從單向的學（xué）習評價（jià），向多維綜合評價（jià）轉變

3D 打印的創新教學不僅改（gǎi）變（biàn）了教學方法（fǎ），創新了學習方（fāng）式，而且形成多維綜（zōng）合的評價機製。首（shǒu）先，基於3D 打印的創新教學的評價不同於傳統課堂的評價機（jī）製，教學過程中增加了學生與教師（shī）互動、與同伴（bàn）合作， 評價主體更加多元化。其（qí）次，評價的內容是多樣化的，傳（chuán）統的教學評價隻針對（duì）學（xué）生知識掌（zhǎng）握的狀況進行評價（jià）， 而忽視了知識和能力（lì）掌握過程的評價，以及學生如何處理和使用信息的數（shù）字素養或者學習的主動性（xìng）等職業技能（néng）的評（píng）價。基於3D 打印創（chuàng）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（jiū）和學習的（de）能力，而且會為學生提（tí）供合作學習的機（jī）會，讓學生在合作中提高溝通、表達、協作的能力。最後，不同於一般的教學過程，基於3D 打（dǎ）印（yìn）的（de）創新教學的評價是貫穿於整個教與學的（de）過程之中，不僅會對學生作品進行評（píng）價，而且會對學（xué）生在合作、打印過程中的表現給予及時的反饋和評價（jià），更好地促進學（xué）生的學（xué）習，同時保證評價結果的合理性。

 

五、結束語

 

3D 打印（yìn）的教學（xué）應用不僅是新興技術在教學中的運用，也是（shì）創新性教學的大膽（dǎn）探索[16]。3D 打印的創新性應（yīng）用於教學之中，不僅提高了學生學習的積極性（xìng），提高了學生的綜（zōng）合知識和能力，而且為教師帶（dài）來了（le）多元（yuán）化的教學方式、多層次的評價方式等。3D 打印與教育教學深度融合，其實就是技術與教育教學結合的方式， 但是想將其深入（rù）應用於教育教學中（zhōng），就必須在學科教（jiāo）學的過（guò）程中尋求多樣化的教學方法（fǎ）和模（mó）式（shì），同時在課程設置和教學設計（jì）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創新教學的目標，為學生的多層（céng）次、多方麵、個（gè）性化發展（zhǎn）和成長，更好地適應社會的需求（qiú）奠定更堅實的基礎。