第一篇：桌面3D打印技術在模具教學中的實踐應用

桌面3D打印技術在模具教學中的實踐應用

摘 要：3D打印技術不需要加工，就能通過計算機圖形數據快速生產任何形狀的物體，大大縮短了產品的生產周期，近年來得到社會的廣泛關注，并廣泛利用在汽車、航天航空、醫療教育、工業設計、模具制造等社會各個領域。將3D打印技術應用在傳統的模具教學中，能夠為學生提供更加直觀、形象的教學形式，提高教學效果。本文主要簡單闡述了3D打印技術的概念，以及它在模具教學中的實踐應用。

關鍵詞：3D打印技術 模具教學 實踐

隨著計算機、信息技術的進步，3D打印技術逐漸成為時下最熱門的一個話題，并廣泛利用在社會各個領域。比如模具制造，主要用于工業產品中，大大節省了產品研發成本和生產的周期。但是目前由于受到材料的限制，3D打印技術還沒有大面積的普及。將3D打印技術引用在模具教學中，能夠便于學生的理解和記憶，將枯燥的理論課堂與實際產品進行有效地結合，激發了學生學習的興趣，大大提高教學效率。

一、3D打印機打印原理

3D打印機又被稱為三維打印機，是一種快速成型技術。它將數字模型文件作為打印的基礎，通?^特殊的粉末狀金屬、蠟材、塑料等可黏合的材料，通過打印機將一層層的黏合材料打造成一個三維的實體物品。3D打印技術的原理，是通過計算機將數據信息和原材放入到打印機中，打印機按照設置的程序一層層地將產品打印出來。

二、桌面3D打印技術在模具教學中的實踐應用

桌面3D打印機的價格比較便宜，工藝簡單，材料選擇比較多，尺度精度好，易于裝配，能夠快速構建中空和瓶狀零件，比較適合模具教學。

1.桌面3D打印技術在課堂教學中的應用

3D打印技術歸根到底是虛擬現實技術的延伸。它拓展了人類的知覺和感覺，促進了人類思維的發展，將3D打印技術與課堂教學融合在一起，能夠刺激學生的感官，從而激發學生學習的興趣，提高教學效果。隨著3D技術的發展，目前3D打印技術已經比較成熟，將3D打印技術引入到模具教學中來，能夠在教學活動中，現場打印一些模具的模型，讓學生更加直觀地了解模具知識和技術，從而優化教學效果。

2.桌面3D打印技術在課程設計方面的應用

模具設計課程一般需要一個到兩個星期。教師讓學生利用所學的軟件，進行繪制模具圖形。教師對學生的設計圖形進行指導。如果學生的模具設計尺寸、大小等信息不符合實際要求，教師會給予學生一些指點并要求學生做出相應的修改，從而幫助學生加深對課堂知識的理解。在3D打印技術應用在模具設計課程中，學生設計作品完成以后，可以通過3D打印機將自己設計的作品打印出來，既可以提高學生學習的興趣，又能提高學生的動手能力。在打印的過程中，學生很容易發現自己設計圖紙存在的問題，從而進行修改和調整，進一步提高設計水平。目前，國內華南理工大學、華中科技大學等高校將3D打印技術應用在模具方面已經取得了一定的進展。比如華中科技大學成立了材料形成與模具技術國家重點實驗室，并建立了3D打印材料性能和精度控制方法，形成了一套比較完整的技術體系。

3.桌面3D打印技術應用在實踐環節

模具是一門實踐性和應用性很強的專業。學生不僅要掌握模具設計、制造，還有模具的安裝、維護和管理。很多高職院校由于受到資金與辦學條件的限制，無法大量購買設備。而桌面3D打印機的成本比較低，可以打印一些體積比較小的模型，也方便教師在課堂上進行演示，然后讓學生進行操作，能大大提高學生的動手能力。

三、小結

隨著3D打印技術的發展，未來3D打印機的成本會逐步下降，3D打印機將會得到進一步的普及和應用。所以，教學也要與時俱進，讓學生接觸到新技術、新設備，培養學生的創新能力和實踐能力，但是在教學中，也不能完全依賴3D打印技術，而是要將其與傳統教學模式結合起來，切實優化教學效果。

參考文獻：

[1]喬瑞麗，李海林.桌面3D打印技術在模具教學中的實踐[J].模具制造，2015，15（1）.[2]王娟，吳永和，段曄等.3D技術教育應用創新透視[J].現代遠程教育研究，2015（1）.[3] 張艷華.3D打印技術在模具設計教學中的實踐與探索[J].教育教學論壇，2016（12）.（作者單位：青島市技師學院）

第二篇：3D打印技術在小學教學中的應用

3D打印技術在小學教學中的應用

1986年美國科學家查爾斯?胡爾發明出世界上第一臺3D打印機。隨后胡爾成立了世界上第一家3D打印設備公司。然而，這一技術卻由于價格昂貴、不夠成熟等原因并沒有引起業界的重視。經過近30年的發展，3D打印技術已逐步走向成熟，且價格有所降低，開始風靡全球。2013年《地平線報告》的基礎教育版，首次將3D打印的教育應用列入了“待普及”的新技術清單。3D打印技術越來越受到教育界的關注。

一、小學階段開設相關課程的價值與意義

素質拓展課程是傳統課堂教學的必要補充，是全面推進素質教育的有效途徑，它注重個性塑造和創新能力的培養，旨在開拓學生視野和提升學生設計和動手的能力。隨著各地教育教學水平和科學技術水平的發展，越來越多“新鮮”課程走進中小學素質拓展課堂。

小學階段的學習是學生成長和成才的基礎，對學生今后的發展方向起到引領作用。3D打印作為二十一世紀的朝陽產業，理應在人群中推廣。“3D打印教育”由高等教育特定領域向基礎教育普通課堂過渡，逐漸推向中小學課堂是其發展的必然趨勢。目前，國內外對3D打印技術的教學應用處于起步階段，還需不斷摸索。可以明確的是，3D打印可以把新技術和創造性學習聯系到一起，讓學生體驗新技術帶來的巨大能量的同時，在項目探究中體會創新的樂趣。

二、3D打印技術在小學的教學內容

1.3D打印的定義

3D打印是以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的快速成型技術，它是一種增材制造技術。

2.3D打印的應用領域

與傳統的減材制造相比，3D打印技術擺脫了模型復雜程度的束縛，實現了完全數字化，降低了制造的難度，提高了制造的速度。近年來，3D打印被越來越多地應用于各個領域，如創業產業領域、制造業領域、航空航天領域、文物保護領域、醫療衛生領域等。

3.3D打印機

在小學教學中，我們主要使用了HOFI-X1 3D打印機。HOFI-X1 3D打印機是基于熔絲沉積制造（FDM）原理的3D打印設備，它與臺式電腦或筆記本電腦通過USB電纜連接就可以打印出三維實體模型。3D打印的方式是逐層打印，每一個層都在上一層上堆積而成，上一層起到支撐的作用。隨著打印時長的推移，3D打印作品逐步完成。學生可以清晰地看到打印的整個過程。這種設備結構一目了然，機器堅固耐用，性能穩定十分適用于小學教學。

4.制圖軟件介紹

Sketchup使用簡便，學生可以快速上手，是一個極受歡迎的三維設計軟件，它就像“鉛筆”一樣，可以畫出理想的圖形。TinkerCAD是一個基于瀏覽器的3D建模平臺，沒有軟件安裝條件的學生可以選擇這個繪圖方式。UG NX可以用于繪制二維和三維圖形，是一款專業級的制圖軟件，多用于工程制圖，功能強大，學生學習基本操作也不難上手。AutoCAD是一款計算機輔助設計軟件，同樣可以用于二維制圖和基本三維設計，使用無需懂得程序設計，即可自動制圖，因此它可以用于土木建筑、裝飾裝潢、工業制圖、工程制圖、電子工業、服裝加工等多個領域。

5.三維掃描儀

三維掃描儀可以掃描出靜態或者動態物體，由于三維掃描儀的掃描范圍有限，因此需要變換掃描儀與物體的相對位置或將物體放置于電動轉盤上，在光線充足的條件下經過多次掃描以拼湊物體的完整模型。三維掃描出的模型可以直接導入到3D打印機，并打印出來。

6.沙盤制作

學習了三維制圖和打印機的使用后，學生已經具備自己設計制作簡單模型的能力，他們不再滿足于制作個人的小物品。給學生分組，以團隊的形式分工合作制作沙盤，讓他們在合作中真正實現自主創意、自主管理、自主學習，通力合作。學生自主創意的作品有頗具天津特色的天塔湖公園等。

三、結語

3D打印技術的原理、電腦制圖是本課程的難點。小學生學起來還是需要一定時間，需要教師耐心教授。創意設計和模型制作是本課程的重點，教師應引導學生，并隨時對他們提出的問題給予指點和反饋。3D打印技術在小學是一門全新的課程，教學沒有經驗可循，教師可通過總結歸納的方式，把學生提問的知識點轉化為系統的知識結構。

素質拓展課程是激發學生興趣和培養小學生動手能力的重要途徑，這一階段的學習對其終身發展起著至關重要的作用，值得重視。如今，3D打印的風暴已經波及全球，讓學生接觸并學習3D打印技術對于我國的科技發展具有戰略性意義。

參考文獻：

[1]兀旦暉，趙晨飛.3D打印技術在教學中的應用研究[J].教學信息，2013.[2]童宇陽.3D打印技術在中小學教學中的應用研究[J].現代教育技術，2013.

第三篇：淺談3D打印技術在教學中的應用（寫寫幫整理）

淺談3D打印技術在教學中的應用

[摘 要]3D打印是一種新興的學習輔助技術，教學領域將是未來3D打印技術推廣應用的重要市場。本文首先從3D打印的原理著手，剖析了3D打印技術在教學中的作用，并探討了3D打印技術在教學實踐中的應用模式，以及為進一步研究3D打印技術在教學中的應用提供參考。

[關鍵詞]3D打印技術 教育應用 應用模式

中圖分類號：D170 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2017）11-0382-01 1、3D打印的原理

對于大多數人來說，提到“打印”，首先想到的是能打印文稿或照片等平面內容的普通打印機，事實上二維的噴墨打印和某些類型的3D打印在技術表現上確實比較相似，3D打印使用特制的設備將材料一層層地噴涂或熔結到三維空間中，從而讓打印的數字虛擬對象實現三維實體化。3D打印機的精確度相當高，可以打印出模型的大量細節，而且它比起鑄造、沖壓、蝕刻等傳統方法能更快速地創建原型，特別是傳統方法難以制作的特殊結構模型。一般來說，通過3D打印獲得一件成品需要經歷建模、分層、打印和后期處理四個主要階段：

（1）三維建模

通過GoScan之類的專業3D掃描儀或是Kinect之類的DIY掃描設備獲取對象的三維數據，并且以數字化方式生成三維模型。也可以使用3ds Max、Blender、AutoCAD、SketchUp等三維建模軟件從零開始建立三維數字化模型，或是直接使用已做好的3D模型。

（2）分層切割

由于描述方式的差異，3D打印機并不能直接操作3D模型。當3D模型輸入到計算機以后，需要通過打印機配備的專業軟件來進一步處理。即將模型切分成一層層的薄片模塊，每個模塊的厚度由噴涂材料的屬性和打印機的規格決定。

（3）打印噴涂

由打印機將打印材料逐層噴涂或熔結到打印臺的三維空間中，根據工作原理的不同，有多種流程方式。較常規的是先噴一層膠水，然后在上面撒一層粉末。如此反復；或是通過高能激光融化合金材料，一層層地熔結成模型。整個過程根據模型大小、復雜程度、打印材質和工藝流程耗時幾分鐘到數天不等。

（4）后期處理

由于3D打印機規格、打印材質、打印精度的不同，可能出現成品截面粗糙或有毛刺的現象，這時就需要對打印出來的模型進行必要的加工處理，如：表面打磨、剝離、上色、固化處理等。2、3D打印技術在教學中的作用

2.1 提高學生主動學習的積極性

3D打印是以計算機軟件生成或通過實體掃描獲得的數字模型文件為基礎，運用粉末狀的金屬或塑料等具有粘合性的材料，通過“積層造型法”逐層打印出實物的技術。該技術應用于課堂上能夠激發學生濃厚的興趣。通過3D打印，課本上的二維知識能夠快速轉化為三維的實物，3D打印本身的功能特性和新穎性以及對教學過程的輔助作用都能夠激發學生的好奇心和學習興趣，提高學生的積極性與主動性。通過將3D打印技術引入課堂，學生可以將自己的想法與構思實體呈現出來，不僅培養了學生的動手能力，還加深了對知識的理解與記憶，激發學生深入學習的熱情，積極地投入到再學習中，形成良性循環。

2.2 培養學生的創新思維能力

3D打印技術為學生提供了一個自由發揮想象力的平臺，學生可以通過3D打印將許多課本中看不見摸不著的內容變為實物，能夠使學生捕捉知識要點并實體定格。在3D打印技術的支持下，學生可以將更多的時間與精力投入到設計與創新環節，通過自身的理解與想象，結合課本上的知識舉一反三，將記憶理論概念轉化為實物創作，在體驗實踐中融會貫通進而創新。可以說3D打印技術引入學校教學中，極大地促進了學生思維能力和創新能力的提高，學生可以參與創新設計，盡情發揮自己的想象力和創造力，將創新思維能力培養貫穿于學習活動之中，通過打印出具有個人特色的實體作品，體驗課本外的知識實踐應用。

2.3 幫助教師探索新的教學方法

在傳統的教學中，教師只能通過口頭講述的方式來為學生講解知識，即使是多媒體技術和設備非常發達的今天，教師也只能通過音視頻使得教學相對生動真實，由于大量學科仍是非實物化的教學方式，加上學生的閱歷有限，理解能力不足，使得他們對知識掌握的程度仍未教師理想。有了3D打印技術的支持后，教師就能夠將全新的“體驗式教育”實施到課堂之中，將課本上以前那些難以觸摸，或是難以在課堂上具現化的內容打印成三維實物，讓學生通過自己的親身觸碰和體驗來加強學習理解。以學生為主導的教學方式，教師將學習的主動權交給學生，幫助學生去感受最真實最具體的內容，結合著理論概念與知識點，讓學生更容易理解其中的內涵與意義。3、3D打印技術在教學實踐中應用模式探究

3.1 3D打印技?g用于課堂情境教與學

以萊夫為代表的情境學習理論認為，知識寓于情境之中，學習者通過具體活動能更好地獲得知識，強調知與行的交互性。而我國教師在教學中普遍實施的是灌輸式教學法，教學模式僵化。3D打印技術對于教師和學習者的重要價值體現在：它能夠更加真實形象地呈現特定事物，并讓學習者獲得深刻的感知體驗。利用3D打印機可將大多數有益于教學的模型實物打印出來并呈現在課堂上，借助實物教具教師可以更容易將抽象問題進行深刻解析，學習者也可通過其幫助對知識加深理解，實現教學雙方所共同期望的交互教學模式。

在桌面3D打印機巨頭MakerBot舉辦的數學工具模型大賽上，愛好者制作了各類創意教具，并用3D打印機將創意立體化為三維實物，大大提高了學習者的學習興趣。大量實踐證明，教學中采用生動的、符合情境的教具，課堂氛圍更熱烈，教學過程更輕松，學習效果更顯著。（圖1）為教師自行設計并打印的球齒輪教學模型，3D打印教具的使用可促使學習者將已有知識經驗與實際問題進行聯系，深化知識和內涵；使教師從知識權威轉變為學習者研學的促進者，有利于引導學習者應用所學知識來解決“現實”問題。

3.2 3D打印技術用于課外創新實踐活動

創新是一個民族進步的靈魂，提高自主創新能力、建設創新型國家必須依靠創新型人才，而我國教育工作者針對如何培養人才創新能力難題一直在努力探索。許多學校創建了學生社團以鼓勵創新，但往往一些創意思想都囿于現實而被迫終止。例如在模具設計中學生試圖將創意付諸實踐時發現，即使標準零部件仍需去市場上逐一甄選，過程繁雜，而非標準件則必須找代工廠進行單件生產，加工周期長且價格昂貴，這些困擾在很大程度上消減了學生創新的積極性。

3D打印的出現徹底改變了?@一現狀，任何創意設計都不再局限于傳統加工能力的局限，3D打印機可以快速打印出學生DIY過程所需的零件，學生幾乎可以足不出戶就能將創意變成成品。3D打印可激發學生對某些科學過程或現象進行可視化展現，便于進行科技發明或創新制作，為實現設計提供一種更加高效的途徑。

3.3 3D打印技術用于培養大學生的綜合技能

當今社會對人才的知識體系要求發生劇烈變化，從傳統的單一知識形式轉變為多領域知識融合形式。3D打印對于中小學生可簡單定位為一種科普教育，而在高等教育理工學科中則應是一種技能教育。因此，3D打印機對于大學生不僅僅是一種模型制作設備，更應該通過對打印設備的系統學習，深入掌握所涉及的各種技術知識。

如前所述，3D打印技術是一種集多領域知識于一體的技術形式，它要求學生綜合學習機械設計、計算機技術、控制技術、光學技術、材料科學等多種專業技術，這就必然促使大學生加強多領域知識的學習與融合，契合當今社會對綜合型人才的需求。

3.4 3D打印技術用于提高大學生就業競爭力

近年來我國大學生就業問題日益突出，其根源在于人才培養與社會需求脫節，存在“兩張皮”現象。部分專業的課程設置和課程內容不能與時俱進，與社會崗位對專業人才的要求不相符合。2014年9月，人力資源咨詢機構WANTED Analytics發布報告表示，近四年來市場上對具備3D打印與增材制造相關技能的人員需求量持續上升；2014年8月，3D打印行業的招聘廣告數量比去年同期增長103%，且相關崗位的人員招聘難度系數最高達到60%，企業很難招聘到具有此項專門技術的人才，人才缺口十分巨大。

目前，我國還沒有設置3D打印專業，僅出現小規模具有高校背景的培訓機構，遠不能滿足市場對3D打印人才的需求，所以亟待將3D打印技術融入課堂教學，將人才培養與社會需求結合起來，可以大大提高學生就業競爭力。

3.5 3D打印技術用于開展產學研項目

技術作為連接知識與生產的橋梁，不僅是知識的應用與物化，要進行構思設計，還要直接作用于生產過程，進行產品開發與制造。因此，積極開展產學研項目合作是把握技術的理論性與實踐性之間發展規律的重要環節。

3D打印技術用于開展產學研項目有利于培養學生科研能力，增強科研轉化能力。對于高校，一方面可對3D打印技術進行深入科學研究，另一方面應向企業提供共享服務。如青島高新區引進西安交通大學快速制造國家工程研究中心盧秉恒院士團隊，幫助其打造完整的3D打印產業鏈；與中科院自動化所共建青島智能產業技術研究院，建設3D打印社會資源平臺等，形成雙贏的局面。

4、結束語

目前，3D打印技術受到了各個領域的高度重視。雖然3D打印引入教學中還存在著很多困難，但其帶來的效果是不可估量的。3D打印技術的運用，需要學校與師生的支持，使其充分發揮作用，為我國教育事業的發展提供動力。

參考文獻

[1] 張彥芳.3D打印技術及其應用[J].科技視界，2013

[2] 劉翠.3D打印技術及其在職業教育領域中的應用[J].電子制作，2014

[3] 楊潔.3D打印在教育中的創新應用[J].中國醫學教育技術，2014

第四篇：3D打印技術在教學中的應用與探索

3D打印技術在教學中的應用與探索

摘要：隨著3D打印技術的日益成熟，以及其在各行業和領域極具潛力的革命性應用，如何普及3D打印并為社會培養專業的3D打印人才是當前學校教育的一個重要課題之一。本文分析了3D打印分別在不同教學階段的受眾特點，針對大、中、小學總結出不同的教學目標和教學方法，提出了一個全過程的3D打印教學體系和培養方針。通過具體案例，本文指出可以將3D打印融入主流課程的教學實踐當中，服務和提升已有課程的教學水平。最后，本文總結了3D打印在教學實踐中可能面臨的問題和解決方案，為有效開展3D打印在各階段的教學提供了理論指導和實際建議。

Abstract： With the increasingly mature of 3D printing technology，as well as its application in various industries，how to popularize 3D printing and cultivate professional 3D printing talents for the society is an important task of the current school education.This paper analyzes 3D printing audience characteristics in different stages of teaching，sums up different teaching goals and teaching methods respectively for college，middle school and primary school，and puts forward a whole process of 3D printing teaching system and cultivation guidelines.Through the specific case，this paper points out that 3D printing could be included in the mainstream curriculum teaching practice to serve and enhance the level of existing teaching.Finally，this paper summarizes the problems and solutions of 3D printing teaching practice，provides theoretical guidance and practical advice for effectively carrying out 3D printing in every stage of the teaching.關鍵詞：3D打印；技術創新；教學方法；人才培養

Key words： 3D printing；technological innovation；teaching methods；cultivation of talents

中圖分類號：G40-057 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2015）32-0178-04

0 引言

發達國家已經開始探索3D打印技術對教育的影響，并成立了相關的項目用以促進3D打印技術與教育的融合，從而培養出適應現代設計、制造潮流的人才，從而提高自身的競爭力。新媒體聯盟（New Media Consortium，NMC）在2013年地平線報告中提出，3D打印是未來四到五年內值得關注的新技術，它將帶來教學、學習和研究領域的創新[1]。英國教育部已經選取多所小學作為試點學校，設立相關的基金，為學校購買3D打印機，并對教師進行相關培訓，此外，還開設3D打印的相關課程作為學生的手工課。學生可以通過電腦建模，打印自己所喜歡的模型[2]。歐洲的一些國家也進行了3D打印的相關教學調研，如“未來教育與學習”（LIFE）項目，對歐洲7國的師生進行調研，以獲得3D教學對學生課堂的專心度和學習成績的影響[3]。希臘在兩所高校開始初步試驗將3D打印作為學習手段的教學方法[4]。美國STEM教育中的STARBASE Minnesota是對學生提供STEM訓練的教育項目。該項目通過引入3D打印的支持，使學生能通過CAD軟件自行設計相應課程的模型，并進行實際的測試和分析。該課程項目能極大地調動學生的積極性，使枯燥的數學分析亦能激發學生的興趣[1]。此外，還有一些職業學校的項目，如PlayMaker。該項目圍繞著3D打印技術這一核心的課程，學生可以設計、打印和驗證模型的物理理論。

較之國外而言，國內3D打印的普及和教育仍處于起步的階段。國家當前十分重視3D打印技術和應用的發展，例如我國科技部已將3D打印技術納入國家863計劃，各地學校也開始進行有關3D打印課程的試點。3D打印發展現狀以及學校教育的可行性

目前3D打印機的成本及其打印材料、質量、時間等都是制約3D 打印在學校教育中普及的因素。解決好這些瓶頸能更好地促進教學和研究的發展，為探索教學新方向提供有效的方法。

1.1 3D打印機成本 3D打印機的成本一直是制約3D打印發展的瓶頸。3D打印機的售價從幾千元到幾十萬元不等。為了降低3D打印機的成本，許多公司已經著手相對廉價的3D打印機的研發。據報道，有些公司已經開始搶占教育行業的市場，推銷千元以下的3D打印機。隨著3D打印機的成本進一步降低，其普及將不再是難題。

1.2 3D打印的材料 另一個制約3D打印普及的瓶頸是耗材。目前的3D打印可以支持多種打印材料，如熱塑性塑料、尼龍、合金、金屬粉末、石膏、陶瓷、可食用材料、光敏樹脂等。雖然3D打印支持多種類型的材料，但不同的材料需要相應打印設備的支持，此外打印材料的價格也并不便宜。目前的教學研究中使用較為普遍的是PLA（生物降解塑料聚乳酸，Polylactic Acid）材料和ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯，Acrylonitrile Butadiene Styrene Acrylonitrile Butadiene Styrene）。一千克的PLA或ABS耗材的市場價格為60元左右。隨著材料的進一步改進和研發，生產技術的發展和生產廠商的增加，普通耗材的價格將慢慢降至教學可接受的范圍內。

1.3 3D打印的質量 在打印模型的過程中，有時會由于機器本身或環境的問題，導致打印的質量并不理想，成品率一般在30%-50%左右，甚至更低。其中廉價的3D打印機也是使成品率降低的原因。種種原因將不利于教學實踐和教學研究的使用。隨著3D打印技術將不斷改良和創新，打印質量會隨之而提高。

1.4 打印時間 打印時間長也是一個亟待解決的問題，現在的3D打印時間普遍偏長，阻礙了教學實踐以及教學研究的發展。據報道，現下最新研究的3D打印技術CLIP（Continuous Liquid Interface Production）的打印速度是舊式打印的幾十倍以上，其打印出的物體表面也十分光滑，完整。這項技術若能普及，將彌補3D打印時間長的缺點。3D打印在不同教育群體中的教學分析與探討

在3D打印的教學上，學校應該在3D打印的課程進行細致、深入地規劃，推行多方向、多環節的主題學習。學生通過探索、想象、實踐等環節的學習后，將激發想象力以及提高學習效率與興趣。結合不同時期學生的學習方向，學生在各階段的進程和方向上都有所側重，進程如圖1所示。

2.1 小學教學 以“感性認識”與“培養想象力”作為小學教學的方向。這一階段的學生，發散思維力強，想象力豐富，活潑好動，接受新鮮事物的能力強。

結合以上的特點，每個小學單位至少配備一臺以上的3D打印機。設置的3D打印課程應該“淺入淺出”。所謂的“淺入”，就是用生動活潑、淺顯易懂的語言對3D打印的原理和3D打印機進行簡單的介紹，讓學生在感性上對3D打印有初步的認識，對打印原理、設備以及應用范圍有個大致的了解。“淺出”就是通過做些有趣味性、引發聯想、充分結合課程的簡單小實驗、小制作來加深學生對3D打印的認識和理解。此外，學校不能一味地使用強制性的考試、規范化的實驗對學生進行應試教育，而應使用更自由、輕松的教學方式以提高學生的興趣，使學生產生成就感，形成教學的良性循環[5]。3D打印課程的目的是將3D打印作為學生通往興趣愛好的一座“橋梁”，而非僅作為一門來自于課堂又終結于課堂的課程。

在教學上，可以根據學校自身的特點、專家的研究等設計小實驗、小制作。課程的核心必須是以拓展學生的思維、引導想象力為主，目的是要激發學生的想象力和興趣、培養其思維能力。

2.2 中學教學 以“想象力和實踐相結合”作為中學教學的方向。這一階段的學生，發散性思維的能力與接受新鮮事物的能力依然很強，有一定的知識基礎和邏輯思維能力。在小學階段，學生有異想天開、天馬行空的想法，在中學階段，開設的3D打印課程應該有意識地引導學生的想象力，將想象力與實踐結合。在數學、地理、生物等科目可以結合3D打印課程進行科目的交叉與融合。應該讓學生在已有的認識基礎上，加深對三維空間的理解，并且能簡單地掌握建模軟件如Auto CAD的操作，能進行簡單或者相對復雜的建模。

在中學教學中，學生已經學習到地理、物理、生物、化學等學科。在現階段的中學教學中，教學道具仍然匱乏，尤其在經濟不發達的地區，更是如此。教師基本無法使用道具進行演示，只能利用課件、播動畫和視頻來替代。學習知識不應該和活動情景分離而獨立抽象存在[5]，在情境中學習，與社會實踐活動結合起來的學習將有利于學習的橫向拓展和縱向深入。3D打印不受圖形限制，可以打印出結構復雜的教學模型，教師將內部認知結構可視化，化抽象為具體，化復雜為簡單[6]。理工科的課程中，實體化、可拆卸與裝配、可運動的教學道具更能激發學生的興趣和想象力。在制作個性化、非大批量的教學道具中，可以很好地利用3D打印的打印能力。

2.2.1 3D打印在地理課程中的應用 在地理課程的學習中，應用到大量的實體模型。實體模型能培養學生視空間能力，如教師可以打印出可運動的太陽系模型（其中包含可拆卸的太陽、水星、金星和地球等模型），在不同節氣改變地球的位置；可以打印出不同時間段物體或現象的標志性狀態的模型；也可以打印出可拆卸的房屋模型，用以演示地震對房屋的破壞；或者打印天氣現象的運動模型，用以表現氣旋、冷鋒、暖鋒等天氣現象的運動；再比如使用模型層層分離的展示方式，展示不同地帶的地形地貌、山岳的形狀等。

通過打印圖2的恒星系統，如太陽系（組件均來自3D打印）。教師可以結合課本介紹太陽系，并且移動地球等行星，以及對節氣等知識點進行介紹。還可以從系統中拆卸地球模型，取出內部的每一層結構進行細致地講解，讓學生從宏觀到局部系統地了解太陽系的結構。通過實物化的可運動太陽系系統，可以使知識生動形象，加深學生的認識。

2.2.2 3D打印在物理課程的應用 在物理的課程學習中，物理的許多電路、定律皆可由3D打印模型演示。如對自由落體、胡可、彈性碰撞等定律進行驗證，或是合力的箭頭模型、同步衛星模型、地球模型、實驗電路模型的演示以及電阻、電容、電感等模型的類比演示等。同時，制作的3D模型可以與電子電路相結合，使模型能夠完成相應的演示功能，如模型的LED發光、自行水平移動、垂直移動和旋轉等。

通過打印如圖3設備（含打印的無蓋盒子、機械結構、排液管等，除了電壓表、電源以及導線外，其他結構均由3D打印而成）的零件，可以引導學生在宏觀上對電容有一個深刻的認識。在盒子里倒入導電液體，與電源、電壓表連成閉合電路后，旋轉可移動間距的旋鈕，調整盒子的間距，或者調整排液旋鈕，排出一定量液體，觀察電壓表的電壓示數變化。隨后教師可以通過聯系所學知識，解釋實驗現象。學生能調整盒子間距、導電液體的量、以及更換“電容”介質等進一步加深對電容的重要公式及相關知識的理解。3D打印類似的實驗裝置可以很好地應用于教學，不僅可以驗證理論的正確性，還能培養學生的動手能力，激發他們的想象力和興趣。只要有3D模型就能隨時打印并組裝，快捷且方便。

2.2.3 3D打印在生物課程中的應用

在生物課程的學習中，能應用到大量的實體模型。使用3D打印的技術，可以打印出可拆卸的細胞、細菌、病毒的結構模型、可拆卸的多肽鏈、多糖、蛋白質、核酸等大分子的化學球形結構模型或者可運動的細胞膜的結構模型。打印理解難度較大的細胞有絲和無絲分裂等模型可以很好地解決學生的理解問題。

通過打印出細胞模型，如圖4所示的半截面的植物細胞模型。3D打印出層1（細胞壁）、層2（細胞液）外殼以及各種不同的細胞器（使用不同顏色材料的打印，以增加細胞器的區分度）后，再組合起來。因為打印的難度不大，整體耗材少，所以可以打印出整班的數量。教師進行相關知識的講解前，可以把打印好的模型分發給所有的學生。學生除了能在課堂上結合老師的講解和課本的介紹，利用細胞的立體模型對植物細胞的知識進行深入了解外，課下還可以用模型做進一步的對照復習。通過拆卸細胞模型，可充分調動學生的視覺、觸覺等感官，加深其對知識的理解。

在中學階段，除了在課堂教學上使用結合3D打印的教學用具外，可以適度舉行涉及3D打印的競賽，競賽可以采用外觀設計、組合結構、教學用具創新等形式。考慮到中學生的3D設計能力并沒有良好的基礎，因此學校或比賽舉辦方可以提供相關的模型給學生參考。如在機器人DIY競賽中，比賽舉辦方提供種類繁多的3D模型包，學生可以自行設計機器人的結構圖，并從模型包中取出相應的3D模型并打印，最后根據結構圖組裝起來。

2.3 大學教學 在目前的大學教學中，3D打印技術使用比較廣泛。涉及到實物的外觀、結構、機械、電路等的課程，皆可使用3D打印技術。除了在高等數學、大學物理、機械原理與設計、材料力學等基礎課或專業課程的教學中使用3D打印的教學模型外，也能在實驗、課程設計中使用3D打印。

隨著各專業學科的交叉與融合，以及3D打印技術的日益成熟，它與各相關學科的結合會越加緊密，其作為“橋梁”性質的實現方式會越來越重要。各高校的專業設置雖涉及到3D打印，但并沒有開設3D打印技術的相關課程，因此學生建模水平不高，設計出的成品與實際需求相距甚遠。

3D打印本科專業建設的核心是“創新、設計、建模”。由于3D打印的接口面廣，因此專業課設置要在不同方向上有所側重。要學習的課程分為公共基礎課、專業基礎課、專業課以及課程設計。公共基礎課包括高等數學、大學英語、大學物理、工程制圖、線性代數、機械原理及設計、電工電子技術等。鑒于目前缺少適用于大學教學的3D打印教材，在此僅提供基礎專業課的教學課程有：3D打印導論、3D打印原理、常規3D打印機的結構及組裝、3D打印基礎設計、3D建模基礎與提高（使用目前流行的3DMAX、MAYA、Rhino等軟件進行學習與應用）等。

學生自行選擇不同行業方向的專業課，如動漫、機械、建筑、汽車、首飾等。以首飾專業課為例，它涉及到首飾設計、加工工藝、創意設計以及結構美學等課程。在選擇相應的方向后，應增加該行業的相關知識的課程，以提高學生的基礎。公共基礎課、專業基礎課作為學習基礎，專業課則作為所學知識的綜合運用。課程由淺至深，逐層遞進和深入，最終促使學生掌握創新、應用的技能。教師在教授專業課時應注重引導學生的創新思維能力、發散思維能力，在實驗、課程設計上應設計彈性大的題目。

至此，可以通過表1總結出小、中、大學不同學習階段學生特點、教學基礎、教學目標和教學內容。教學實踐中的問題與建議

3D打印在本質上是多媒體技術的延伸，是虛擬現實技術的延伸，它拓展了人的感覺和知覺，促進了人的思維能力的進一步發展，它與教學的融合勢在必行[7]。

目前，3D打印在教學實踐中存在諸多問題或空白，拓寬教學實踐的各環節將促使3D打印與教學實踐進一步的融合與發展。以下提出相關的建議。

3.1 學校安裝相關配套的3D打印機 目前大多數學校沒有配備相關配套的3D打印機，而3D打印機是進行教學、研究的基礎設備。如果教學條件允許，還可以配備相關的外圍設備，如3D Camega、KinectDIY等專業3D掃描儀。此外政府可以出臺相關的政策，為大中小學配備3D打印機及相關設備。據了解，我國政府計劃將在兩年內為全國四十萬所小學安裝3D打印機，用于學校的教學和研究。未來可能會在大、中學推行進一步的相關政策。

3.2 編撰規范化的教材 3D打印技術雖然不是一門新興的技術，發展的時間也相應的比較長，但目前的教學中仍然缺少內容豐富、案例經典的教材作為教學的參考。因此可編寫適合大中小學使用的3D打印技術的書籍作為教學的材料。但不強制要求各學校必須采用，學校也可以自行編寫符合自身教學要求的教材。規范化教材編寫的主要出發點是用于規范化的教學。

3.3 對教師進行培訓 3D打印教師應該在技術和教學設計等層面進行學習和提高，做好領路人的角色。課程設計應該圍繞“切合實際、拓展思維和激發想象力”的目的。在中小學教師的培訓上，培訓人員除了教授相應的3D打印原理、機械結構、耗材等知識外，應該將重點放在培訓教師對學生的思維與想象力進行引導的方法和技巧上。培訓大學和職校教師，應該使其“各習所長”，即在他們的專業方面，針對性地教授不同專業的結構、建模、耗材、支撐等方面的知識和經驗，輔以典例為佳。

3.4 相關競賽設計 在各類大中小學競賽中，學生往往只能使用舉辦方所提供的配套組件進行組裝和二次開發，這在很大的程度上阻礙和限制了學生想法的表達，不利于學生在實踐中自由發揮和拓展。3D打印能很好地提供解決方案，學生可以根據自己的想法設計并打印出相應的模型，并組裝在自己的參賽作品中。此外，為了使3D打印能更好地與教學、實踐等融合，可以舉行不同主題的比賽。競技類型，如機器人足球、機器人籃球、機器人搏擊比賽、競速、花樣飛行、搶奪比賽等；解決任務型，如智能輔助；開拓思維型，如組合聯動結構。也可以舉行開拓參賽團隊思維的比賽，設計并打印出新穎、獨特、具有創造性的機器人零部件、外殼、骨架等。鼓勵比賽優秀的作品進行進一步的研發。這樣的比賽除了能促進3D打印的技術更新和發展外，還能拓展學生對控制芯片的編程、機械結構、模擬電路的認識。

3.5 成立相關委員會 目前的3D打印并沒有很好地納入規范化的組織和管理中，成立相關的委員會是行之有效的方法。通過成立相關委員會，創立評選制度，可以支持大中小學的學生對感興趣的方向進行創新。可以通過評選項目提供必要的資金，并配給相應的指導老師。再者，如果學生能夠靠自身的能力切實改進了3D打印的技術，并有相應的展示方式，通過委員會的審核后，可報銷其費用，并給予相應的獎勵。

3.6 其他 授課老師引領學生發揮想象力，記錄下他們對3D打印的想法（學習方法、技術的改進）等，將想法在大中小學校的網絡共享平臺上進行匯總，讓不同的想法互相“碰撞”。也可以邀請相關方面的專家來校演講，或是組織學生到政府、公司等開設的3D打印展區進行參觀，使學生能接觸到3D打印行業的新方向，了解3D打印的最新進展。總結

重視3D打印，就是要發揮一切積極的因素，使3D打印的課程和實踐在學校教學中進行交叉與融合，不斷循環發展。在3D打印教學的創新中，可以結合現在的在線教育、大數據等新技術，不斷挖掘3D打印在課程教學的潛能和優勢。在建設3D打印課程的體系中，需要多方協調和政策的支持，才能形成良好的教學和研究的氛圍。

未來3D打印在教學、研究、設計、制造等方向的應用和實踐將會進一步的深入和發展，它將以其獨特的方式影響著人們生活的方方面面。

參考文獻：

[1]王萍.3D打印及其教育應用初探[J].中國遠程教育（綜合版），2013（8）.[2]劉翠.3D打印技術及其在職業教育領域中的應用[J].電子制作，2014（6）.[3]王娟.3D技術教育應用創新透視[J].現代遠程教育研究，2015（1）.[4]Vasilis Kostakis.Open source 3D printing as a means of learning： An educational experiment in two high schools in Greece [J].Telematics and Informatics，2015（32）.[5]黃敏.3D打印向基礎教育走來――訪南京市秦淮區校園3D研究社團[J].中小學信息技術教育，2014（10）.[6]楊潔.3D打印在教育中的創新應用[J].中國醫學教育技術，2014（1）.[7]童宇陽.3D打印技術在中小學教學中的應用研究[J].現代教育技術，2013（12）.

第五篇：3D打印技術在中小學教學中的應用

3D打印技術在中小學教學中的應用

——以英國中小學課堂引進3D打印技術項目為例

作者簡介：李柯影，東北師范大學計算機科學與信息技術學院碩士研究生，研究方向為現代遠程教育，Email:liky086＠nenu.edu.com；鄭燕林，東北師范大學計算機科學與信息技術學院（吉林 長春 130117）。

內容提要：3D打印技術基于“設計即生產”的基本理念，通過支持學生在學習過程中的深度體驗與參與發展學生的創造性思維和跨學科思維，同時也有助于提升學生的實踐能力。該文主要分析英國中小學在學科教學中引入3D打印技術的目標指向、應用方式，并分析影響3D打印技術在學科教學中有效應用的相關因素，為探索教師在學科教學中適當應用3D打印技術提供參考。

關 鍵 詞：英國 3D打印技術 學科教學 創新設計 體驗式學習

3D打印技術以計算機輔助設計(CAD)軟件生成的或通過實體掃描設備掃描實物所獲得的數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過“積層造型法”逐層打印材料層創建物體，主要用于原型設計以及組件或產品的制造[1][2]。3D打印技術實現了“設計即生產”的創想，具有快速生成的特點，不但能夠實現從零件設計到整體設計的跨越，而且所“打印”的產品，較之傳統方法所生產的產品具有更強的穩固性、更精密的結構，支持更有創意的設計與生成，因此近年來在機械制造、生物醫藥、建筑設計、藝術創造等多個領域受到越來越多的關注[3]。

雖然3D打印技術在上述多個領域的應用受到關注，但目前針對3D打印技術在基礎教育領域深入應用的系統研究相對較少。英國教育部及相關組織機構于2012-2013年實施了為期一年的探究3D打印技術在學科教學創新中的應用，該項目不僅取得了實質性教學應用成果，而且推動了3D打印技術在教育領域中的應用，為更多學校引進3D打印技術，變革教與學的模式起到示范與引領作用。本文結合英國3D打印技術教學應用案例，深入分析3D打印技術在英國中小學教學中應用的目標指向、應用效果及影響因素，探究3D打印技術在教學應用推廣時需要注意的問題，希望為學校教育引入3D打印技術提供一定的參考。

一、3D打印技術在英國中小學教學中應用的目標指向

1.指向提升學生的學習主動性、培養學生的創新思維

基于對3D打印技術本身特性的把握，發現該技術可以作為動力激發工具和支持創新設計的技術工具應用到教學活動中，促進學生學習主動性的提高和學生創新思維的培養。

一方面，3D打印技術本身的功能特性以及對學習活動的支持作用決定了其作為技術支持工具對提升學生學習主動性有積極影響。首先，3D打印技術作為一種新型技術，其新穎性更加容易引起學生參與基于該技術的學習活動的好奇心和興趣，激發他們主動參與學習活動的動機。其次，3D打印技術的獨特功能——快速打印模型或實物，支持并激勵學生主動參與打印活動。學生可以利用3D打印機將自己的創新設計或想法以可視化方式呈現給教師和其他學習者，由此獲得的成就感，不僅會促使學生更加積極主動地參與學習活動，而且會激勵他們主動參與創新設計。第三，3D打印技術支持的學習活動有助于體現學生作為學習活動主體主動參與學習的重要性和價值，進而促進學生主動參與學習活動。基于3D打印技術的學習任務，需要學生主動分析打印任務、參與計劃與決策、參與創新設計原型，這種主體意識和被需要的感覺讓學生意識到自己在學習過程中的重要性和價值，促使學生更加主動地參與到打印活動中。

另一方面，為保證學生主動參與并有效進行學習活動，英國教育研究者認為在3D打印技術快速打印實物功能的支持下，學生可以將時間和精力集中在創新設計環節，有助于創新思維的培養。創新啟于格物致知，創新思維啟于透徹地分析打印任務和豐富的實踐經驗，是進行創新設計、打印出創新性個性化作品的基礎和源泉。學生通過主動參與創新設計、全面細致地分析打印任務，充分發揮想象力和創造力，最終打印出個性化的作品。

2.指向探索新的教學方法

英國3D打印技術在學科教學中的應用項目是在“人類可以通過制造和分享過程產生學習”理念指導下開展的學科教學創新探索項目[4]。該理念的核心是“制造”和“分享”，強調在真實情境中通過體驗式學習與探究式學習是獲得知識并實現學以致用的有效方式。所以，教師借助3D打印技術可以為學生創建“體驗式學習中心”，這同時也是一個知識運用空間，學生需要主動參與到真實的實踐活動中，并通過親自動手操作獲得直接的學習體驗，提高解決問題的知識與技能水平。在3D打印技術支持下的體驗式學習中心從學習內容、學習方式上都有所突破。

“體驗式學習中心”的學習內容可以是一個專題的探究學習，也可以是單一知識或問題的學習與探究，還可以僅是一個創意的實現，甚至是這三者的交叉融合。在專題探究學習活動中，教師需要給學生提供一個主題及其設計綱要，并期望學生能對該設計做出自己的選擇，主動地進行學習和探究。學生在專注于研究主題的同時，會自然地將3D打印機作為學習或探究內容的一部分。針對后兩種學習內容，學生可以利用3D打印機將一個想法變成現實，將一個知識或問題以可視的打印作品呈現，有助于個性化和創新思維的發展。例如，沃特福德男子文法學校(Watford Grammar School for Boys)的學生打印出各種代數方程的3D圖形[5]。

“體驗式學習中心”的學習方式可以是協作學習，也可以是自主學習，前者是實現“共享”理念的有效方式，而后者在實踐中已經證實了3D打印技術對學生個性化學習起著重要的支持作用。在2012-2013年英國3D打印技術走進校園項目研究中發現：基于3D打印技術的自主學習能改善學習效果并伴隨產生其他更廣泛的利益。例如在物理和數學學科教學中，教師非常希望能成功地使用打印機來促進學生思考、推理和理解學科教學知識，并且開展學生為主導的實驗。這種自主學習方式更大程度地將學習的主動權交付學生，讓學生在3D打印技術支持下進行自主學習，將知識學以致用。這種突破性的新教學方法，不僅有利于學生個性化發展，而且有助于學生創新思維的培養。

通過身臨其境地制造和分享所產生的學習行為，對學習或知識獲得具有實際效益，而且3D打印技術是為教師和學生提供體驗式學習機會、為學生創建知識運用空間的重要支撐技術。體驗式學習讓學生更容易理解知識的內涵，在實踐中有效應用知識是強化知識、體現知識的價值。這種新的教學方法，有利于促進學生主動參與學習與探究活動，培養學生的協作意識以及發展學生的創新思維和自主學習能力。、3D打印技術在英國中小學不同學科教學中的應用

3D打印技術在英國中小學不同學科教學中的應用，多角度展示3D打印技術在促進學科教與學的功能的優勢和應用方式，為優化技術與學科知識的整合提供可借鑒的觀點與方法，為實現學科教學目標以及突破學科教學難點提供策略。筆者基于對3D打印技術功能性特點和學科教學目標、特點等的考慮，總結出3D打印技術在學科教學中應用的分析框架(如圖1所示)。

1.在“科學”學科教學中的應用

“科學”學科的教學內容涉及生物、化學和物理三方面的知識，其教學目標是通過學習與探索生物、化學和物理的基礎知識，發展學生對科學本質、過程和方法的理解力，并通過不同形式的科學調查，幫助他們回答現實生活中的科學問題，提高科學素養[6]。

基于對3D打印技術功能特性與“科學”學科教學目標及特點的關聯與分析，發現該技術可以觀摩和協助探究兩種方式促進學科教學目標的實現。首先，3D打印技術支持學生通過觀摩教師利用3D打印機打印的模型來獲得相關知識內容，有助于發展他們的觀察能力、分析能力以及理解力。比如“科學”學科教師可以利用3D打印機打印眼球模型，幫助學生理解有關眼球構造、功能等知識。其次，3D打印技術支持學生在教師協助下主動構建3D模型，并對相關知識進行深度學習，提升他們探究事物本質、規律的能力。如“科學”學科教師可以組織學生在3D打印技術環境下討論塑料的性能，也可以利用3D打印機協助學生構建分子、細胞甚至正弦波等模型[7]，學生在構建過程中可以通過研究這些數字模型文件的數據信息進行深度學習與探究，最終獲得相關知識。當然，在項目中該學科的打印活動大部分依靠如Thingiverse等提供設計文件網站所共享的3D模型源數字文件。

3D打印技術通過提供觀摩與協助構建這兩種技術使用方式，為學生在“科學”學科學習中營造體驗式的學習空間，促使學生獲得更加直接的學習體驗。學生通過主動進入該學習空間，獲取空間中所展示和隱藏的知識，探究事物本質、過程和變化規律等，提高科學理解力、探究能力以及科學素養。觀摩與協助構建體現了3D打印技術作為教學工具與學習工具應用到“科學”學科教學中的功能優勢，對拓展教學工具的廣度、挖掘教學工具深層內涵有重要意義。

2.在“數學”學科教學中的應用

中小學“數學”學科的培養目標是通過頻繁的計算、推理、演示等教學活動，促進學生對數學基本概念和原理的理解和應用，培養學生推理能力和問題解決能力[8]。“數學”學科的教學難點是將抽象的數學概念或規律以簡單可視化方式呈現給學生，促進學生理解和掌握。

基于對3D打印技術功能特性與“數學”學科教學目標、特點及難點的關聯與分析，發現該技術可以通過演示和協同構建兩種方式幫助突破數學學科教學難點，促進教學目標的實現。一方面，3D打印技術為教師演示數學抽象概念或規律形成過程提供技術支持。比如立體幾何中關于畢達哥拉斯定理(勾股定理)和三角法的教學，一般停留在平面演示、想象、計算、推理的層面，但在3D打印技術支持下，教師可以利用3D打印機輕松簡單地構建立體幾何體，使該定理的推理演示過程更加直接地呈現給學生，促進學生從形象的實物和過程演示、推理中理解并掌握數學抽象概念和知識，而且有助于提升學生的立體空間感。另一方面，3D打印技術支持學生協同構建或探究數學規律。例如，沃特福德男子文法學校(Watford Grammar School for Boys)六年級組教師和學生協同研究與拋射體速度、高度和距離相關的微積分[9]。首先，他們利用3D打印機產生一個支持內部彈射器的聯結，然后再利用3D打印機為這個項目生產一系列的拋射體。在實驗中，學生可以通過立體多角度的觀察物體運動與變化規律，促進他們對微積分知識的深度理解和掌握。此外，該校學生還打印出各種代數方程的3D圖形，幫助理解代數方程的內涵。

3D打印技術通過演示和協同構建兩種技術使用方式，為學生理解和掌握數學抽象概念，探究數學規律提供了可靠的技術支持。同樣，教師可以借助3D打印機以立體簡易化方式呈現數學概念或規律，有助于提升學生對抽象知識的理解度和掌握度。演示與協同構建體現了3D打印技術在“數學”學科教學中的應用對拓展教學工具深度的意義。第一，在知識展示方面。以往的學習內容大多基于二維平面進行展示，除非一些需要學生親自操作的實驗活動，否則都是依靠想象、理解或死記硬背的方式來獲取知識。利用3D打印技術可以將概念和知識立體化、具體化、可視化，幫助學生擺脫對抽象概念和知識的空想，促進他們全面理解知識并激發他們的求知欲。第二，在知識實踐方面，3D打印技術支持學生的創造活動，并能快速物化設計，既促進了學生主動參與學習活動，也有助于學生將理論知識與實踐相聯系。

3.在“設計與技術”學科教學中的應用

“設計與技術”學科是一門具有啟發性、嚴謹性和實用性特點的學科，更是一門綜合性學科。該學科的教學培養目標是通過組織和引導學生使用創造力和想象力設計并制造出能夠解決各種情境下的現實及相關問題的產品，同時也考慮產品使用者的需求、愿望以及價值觀；通過支持學生獨立完成簡單的設計與制造工作，提升其參與“設計與技術”學習活動的自信心，促進創造性專業技能的獲得；通過批判、評估和測試他們的想法或產品，理解和應用相關項目學習事項、技能和流程[10]。

基于對3D打印技術功能特性和“設計與技術”學科教學目標和特點的關聯與分析，發現該技術可以通過創造與設計促進教學目標的實現以及跨學科知識的融會貫通。第一，3D打印技術為教師和學生發揮想象力和創造力等創造性活動提供便捷性的技術支持。師生利用CAD等計算機輔助設計軟件充分發揮想象、聯想能力設計出3D立體數字模型，再使用3D打印機將模型實體化。第二，該技術為師生制造實用性產品提供技術保證。由于該學科特別注重產品的實用性，所以3D打印技術支持的教學活動不僅需要學生系統地考慮、細致地分析打印任務，并通過迭代完善工作創造出實用性強且質優的產品，而且要盡量節省生產原材料、保證高精度和高堅固性，為實際實施提供質量保障。比如在橋梁工程學教學中，學生可以利用3D打印機打印出橋梁模型，通過力學測試來及時發現并改進橋梁穩固性、規模等問題，為實際施工做足準備。第三，該技術為跨學科知識的綜合運用提供橋梁。例如在Cramlington學習村莊[11]，學生在學習工程課程時，除了需要學習生產技能相關知識外，還包括物理、數學等方面的知識。比如學生在創造和生產椅子的過程中，首先需要考慮椅子的平衡性，防止打印過程中出現斜倒、扭曲的狀況；其次要考慮椅子的承重力，防止先打印出來的部分被后打印的部分壓擠變形；最后還需通過成本評估確保物有所值。可以看出這個過程不僅涉及有關生產過程的技術知識，而且涉及有關于椅子的穩定性、承受力以及平衡性等物理知識，還涉及用三角法來計算椅子的后視角、用軟件繪制坐標等數學和軟件操作知識。

3D打印技術通過創造與設計這兩種技術使用方式為學生獲得并應用知識提供可靠、便捷的技術支持，實踐了“設計是重點，生產不是問題”的新思想，在提升學生分析、設計、評估、實踐和創造能力,促進學生的分析性思維與創新性思維以及系統思維發展,提高現實中建造高質量的工程提供保障,并切實地實現了利用技術輔助工程設計等方面有重要實際意義。而且就如溫莎男子學校(The Windsor Boys' School)的DT負責人[12]認為，熟悉3D打印設計流程(計劃、設計、制造和評估)的學生能夠利用3D打印機來縮短“制造”階段的時間，使打印機在“打印”產品時更快。這意味著學生可以將更多的時間和精力分配到產品的“設計”上，發展他們的創新思維。此外，目標指向中提到的“體驗式學習中心”，更多地發生在“設計與技術”學科教學過程中。

三、影響3D打印技術在英國中小學教學中應用的因素分析

通過對2012-2013年英國開展的3D打印技術進入學科教學項目的分析，總結出成功背后的影響因素有以下幾個：

1.教師對3D打印技術的教學應用持積極的態度

正如許多參與項目的老師說，他們只花幾個月的時間就能足夠熟練地使用打印機和相關軟件，并且能在教學中成功而自信地使用。在實踐教學中表明，自信的教師在使用3D打印技術時要比那些相對孤立且不能堅持解決委托或獲得持續支持的教師更得心應手，因為他們有著對主題探究的熱情和敢于實驗與創新的膽量。正所謂“心之所向，身之所往”。當教師憧憬并相信3D打印技術具有促進教與學的潛能，便會致力于技術與教學的有效整合，探究創新教學方法，最終獲得成功的經驗和有效的技術應用策略。

2.教師與教學支持人員的通力協作

英國3D打印技術在中小學學科教學中應用項目，是由教育部、物理學會、全國數學教師理事會(NCETM)、3D打印機廠商、學校等合作進行的。其合作的目的有三個：一是確保教學中所選擇的軟件是適合跨學校、跨科目的；二是提高各種資源的有效利用率，包括各學校的教師資源、技術資源；三是促進交流與共享技術應用經驗。技術與教學整合需要投入大量的時間、精力和人力。例如參與項目的Highworth女子文法學校有成功的案例，該校的DT老師和物理技術人員密切合作，共同設計一組可以通過金箔模擬阿爾法粒子的散射的設備。所以，教師與教學支持人員，包括專業技術人員、3D打印機廠商、同一學科或不同學科的教師之間的通力協作是推動探索技術促進學科教學的持續動力。

3.必要的軟硬件環境建設

(1)軟件

項目組織者和支持者為教師和學生提供使用設計軟件的專門培訓，而且盡可能選擇容易上手且免費的設計軟件，比如很多學校選擇使用的免費Sketchup(草圖大師)。基于該類設計軟件的數字設計模型是3D打印機打印產品的源文件。該文件在打印輸出時，通常是一個.stl文件，然后送入第二層軟件并生成打印機指令(G code)，該指令唯一指向于一個特定的打印機。.s3g文件格式的G代碼通過SD卡輸入打印機。打印項目中Makerware和復制因子G計劃通常被用于生成G代碼[13]。數字設計模型可以從如Thingiverse等免費網站下載，這有助于入門打印機操作的學習。

(2)3D打印機

從英國3D打印技術應用到學科教學的項目經驗分享中可以看出，3D打印機的選擇關系著能否有效使用打印機并將其優勢功能發揮到最大化。需要從以下幾點考慮：第一，要考慮3D打印機的使用者和使用目的。若是教師使用3D打印機打印教學模具，優先考慮打印機的速度和質量；若是學生利用該技術制作模型，則還需要考慮其易用性、耗材和成本。第二，要考慮打印機本身的一些因素，比如打印速度、打印機文件傳輸接口、與學校操作系統和網絡的兼容性以及質量和售后支持等。第三，要重視打印機所置放位置和環境，防止拖拉或移動，避免要打印出來的物體出現干燥和翹曲等問題。所以，學校或者教師在選擇和使用3D打印機時需要全面且慎重考慮。

4.對應用過程提供系統的支持

(1)來自學校管理層的支持

參與項目的大多數學校里的領導教師都是具備專業計算機輔助設計能力的設計與技術專家，他們通過“低干涉”管理讓學科教師更專注于技術使用方法和教學目標實現途徑，這不僅為學校師生提供財政支持以及他們創新使用3D打印機的視角，而且在鼓勵和支持教師使用新的、不熟悉的技術，組織并建立強大的人才團隊以及給學生傳授他們的技術知識等方面也起著積極作用。

(2)對應用3D打印技術的教師團隊進行專門的培訓

學校管理者與相關技術專家在學校引入3D打印技術后需要對校內擬在教育教學中的應用3D打印技術的教師進行專門的、系統的培訓。培訓初始期間，3D打印技術的使用輕松實現教師、技術工作人員和學生的一些大膽創新性想法，進而激發他們對技術持續探索的熱情。而且，跨部門在使用相關軟件時證明專門的培訓和持續的支持對技術使用與推廣起著至關重要的作用，因為沒有經驗的教師必須花一段時間來提高使用打印機和應用設計軟件的能力。

培訓課程一般包含為教師提供3D打印機項目基礎內容和實踐機會，組織討論會分享使用3D打印機的經驗想法等活動。此外，教師需要花費正常教學以外的時間和精力來鞏固編程技術和CAD專業技術，以保證熟練使用3D打印機并充分發揮3D打印機的功能。

四、結束語

2014年地平線報告中將3D打印技術應用劃為2-3年的中期計劃，報告中指出3D打印技術對教學和學習有很大的潛在價值[14]。3D打印技術將無形的思想與設計有形化，通過提供觀摩與探究、演示與構建、創造與制造等技術支持，為學生搭建一個知識運用空間，創造一個體驗式學習中心，充分體現學生作為學習活動主體性的原則，有助于培養并發展學生的成功智力，即分析性智力、實踐性智力和創新性智力。

3D打印技術在英國中小學學科教學中取得比較明顯的應用成果，并且由此總結了相應的學科教學應用模式，不僅開啟3D打印技術促進教與學的探索，而且有望為其他國家或地區的學校引入該技術提供成功的案例和有價值的指引。但從項目試點學校反饋中可以發現在實踐過程中存在一些問題，比如打印復雜模型時耗時、耗力的問題，網絡軟件與打印機接口契合的問題，教師和學生熟練使用3D打印機的問題等。如何將3D打印技術恰當有效地應用到學科教育中以優化教與學活動過程，提升教學質量，仍然是教育研究者值得探索的問題。

參考文獻：

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