☆李媛媛　艾賢明

（西華師范大學(xué)教育學(xué)院，四川南充　637002）

3D 打印技術(shù)在高中通用技術(shù)課程中的應(yīng)用研究

☆李媛媛艾賢明

（西華師范大學(xué)教育學(xué)院，四川南充637002）

通過介紹3D打印技術(shù)及其在國(guó)內(nèi)教育中的應(yīng)用案例，分析3D打印技術(shù)與高中通用技術(shù)課程的結(jié)合點(diǎn)。將3D打印技術(shù)引入通用技術(shù)課程，有助于提高學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)積極性、動(dòng)手設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力。當(dāng)前由于3D打印技術(shù)及其打印材料的限制，使其在教育教學(xué)中的應(yīng)用還有待普及，但是隨著技術(shù)進(jìn)步，3D打印技術(shù)走進(jìn)通用技術(shù)課堂是時(shí)代發(fā)展和開展創(chuàng)新型教育的必然趨勢(shì)。

3D打印技術(shù)；通用技術(shù)；教學(xué)

引言

《地平線報(bào)告》是美國(guó)新媒體聯(lián)盟與美國(guó)高等教育信息化協(xié)會(huì)合作發(fā)布的可能在教育領(lǐng)域普及應(yīng)用的新技術(shù)報(bào)告。2013年《地平線報(bào)告》首次將3D打印的教育應(yīng)用列入“待普及”，預(yù)測(cè)未來(lái)4-5年內(nèi)會(huì)用于教育。2014年《地平線報(bào)告》再次提到3D打印，指出未來(lái)2-3年內(nèi)教學(xué)會(huì)采用該技術(shù)。目前，3D打印技術(shù)已經(jīng)在工業(yè)制造、建筑設(shè)計(jì)、生物醫(yī)療等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，將3D打印技術(shù)引入課程教學(xué)尤其是在高中通用技術(shù)課程中，能夠促進(jìn)通用技術(shù)課程目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

一、3D打印技術(shù)簡(jiǎn)介

3D打印技術(shù)起源于20世紀(jì)80年代，最早是美國(guó)德州大學(xué)奧斯汀分校開發(fā)出選擇性激光燒結(jié)技術(shù)，隨后3D打印在麻省理工大學(xué)得到進(jìn)一步發(fā)展，畢業(yè)生們嘗試將非傳統(tǒng)的物質(zhì)應(yīng)用于噴墨打印機(jī)，由此創(chuàng)造出了當(dāng)今的3D打印技術(shù)。［1］

3D打印技術(shù)，又稱“添加制造”技術(shù)，是“一種與傳統(tǒng)的材料去除加工方法相反的，基于三維數(shù)字模型的，通常采用逐層制造方式將材料結(jié)合起來(lái)的工藝。［2］3D打印技術(shù)打印三維物體的本質(zhì)是以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可固化材料，通過逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)。

3D打印機(jī)打印一個(gè)物品的流程主要分為四個(gè)階段，即建模、分層、打印和后期處理。［3］利用三維掃描儀或三維制圖軟件制作三維模型；根據(jù)3D打印機(jī)的精確度及標(biāo)準(zhǔn)，用相關(guān)軟件將虛擬模型分成若干層；然后，按照分層之后的數(shù)據(jù)，以添加制造的方法填充相應(yīng)的每一層；最后，需要對(duì)打印出來(lái)的物品進(jìn)行修整、打磨及上色等后期處理。

二、國(guó)內(nèi)3D打印在教育中的應(yīng)用案例

3D打印技術(shù)主要應(yīng)用于工業(yè)制造、建筑設(shè)計(jì)、食品、生物醫(yī)療和教育等領(lǐng)域，并且有許多成功的3D打印案例。在生物醫(yī)療領(lǐng)域，英國(guó)牛津大學(xué)的黑根·貝利教授在《科學(xué)》雜志上發(fā)表，他們已經(jīng)利用特制3D打印機(jī)打印出類似生物組織的材料，打印出來(lái)的材料質(zhì)地與大腦和脂肪組織相似，可做出類似肌肉樣活動(dòng)的折疊動(dòng)作，且具備像神經(jīng)元那樣工作的通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可用于修復(fù)或增強(qiáng)衰竭的器官。［4］在工業(yè)領(lǐng)域，美國(guó)Autodesk公司軟件工程師埃文·阿瑟頓通過一臺(tái)ObjectConnex500 3D打印機(jī)，使用橡膠和塑料兩種材料混合打印出一款球形音箱的水晶外殼。2013年5月5日，25歲的德克薩斯大學(xué)法律系學(xué)生科迪·威爾森首次使用3D打印技術(shù)制造出一把手槍。在食品領(lǐng)域，康奈爾大學(xué)的研究人員已經(jīng)成功打印出了蛋糕。［5］隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，其價(jià)格有所下降，我國(guó)也開始嘗試將其應(yīng)用到教育，以期加速教育改革進(jìn)程。

3D打印技術(shù)是一種新興技術(shù)，被稱為第三次工業(yè)革命的重要標(biāo)志，在國(guó)外教育領(lǐng)域已廣泛應(yīng)用，并出現(xiàn)一些優(yōu)秀的應(yīng)用案例，在國(guó)內(nèi)教育領(lǐng)域的應(yīng)用較少。在我國(guó)，3D打印技術(shù)在教育中的應(yīng)用處于起步階段，各個(gè)學(xué)校嘗試開設(shè)3D打印技術(shù)相關(guān)的校本課程，也出現(xiàn)了一些應(yīng)用案例。

1.海寧市高級(jí)中學(xué)

海寧市高級(jí)中學(xué)，開發(fā)校本課程《走進(jìn)3D打印技術(shù)》屬于職業(yè)技能類課程，由學(xué)校通用技術(shù)課程教師執(zhí)教。課程開設(shè)的目的是為滿足學(xué)生個(gè)性化發(fā)展需要，旨在通過學(xué)生對(duì)世界制造業(yè)領(lǐng)域正在迅速發(fā)展的“具有工業(yè)革命意義的3D打印技術(shù)”的學(xué)習(xí)和實(shí)踐；在發(fā)揮想象創(chuàng)新設(shè)計(jì)過程中，體驗(yàn)創(chuàng)意的偉大，提高學(xué)生參與社會(huì)實(shí)踐活動(dòng)的積極性與合作能力。［6］

2.泰河中學(xué)

泰河中學(xué)自2010學(xué)年起，信息技術(shù)組開始策劃、籌備職業(yè)技能類校本選修課程《設(shè)計(jì)大師》。依托通用技術(shù)學(xué)科和機(jī)房硬件設(shè)施，由通用技術(shù)課程教師講授計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)相關(guān)內(nèi)容。為了進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造發(fā)明的熱情，該校將3D打印技術(shù)運(yùn)用于課程中，將其設(shè)計(jì)作品快速成型實(shí)物化。該課程的開設(shè)為學(xué)生今后步入高校學(xué)習(xí)工業(yè)設(shè)計(jì)做好鋪墊，目前已入選第三批寧波市普通高中精品選修課程。［7］

3.上海和田路小學(xué)

上海和田路小學(xué)開設(shè)《虛實(shí)創(chuàng)造課程》是上海師范大學(xué)教育技術(shù)黎加厚教授的團(tuán)隊(duì)與上海市閘北區(qū)和田路小學(xué)共同合作，開發(fā)了面向小學(xué)生的3D打印校本課程。在2012年9月份對(duì)該校五年級(jí)學(xué)生開始授課。［8］開設(shè)課程的目的是讓小學(xué)生接觸3D打印技術(shù)，在學(xué)校教育中運(yùn)用這一新技術(shù)促進(jìn)學(xué)生的空間思維、計(jì)算思維、設(shè)計(jì)思維和創(chuàng)造思維的發(fā)展，促進(jìn)學(xué)生虛擬世界、實(shí)體世界和內(nèi)心世界的聯(lián)通，激發(fā)學(xué)生的想象力。如表1所示，該課程是分階段、循序漸進(jìn)實(shí)施的，學(xué)習(xí)過程分為五個(gè)階段，每一個(gè)階段訓(xùn)練學(xué)生不同的能力。第五階段是實(shí)體打印過程，根據(jù)教師和學(xué)生評(píng)價(jià)并投票，最后選出優(yōu)秀的虛擬模型并打印。

表1　課程實(shí)施五個(gè)階段［9］

傳統(tǒng)的教學(xué)都是間接經(jīng)驗(yàn)的傳授，而3D打印將虛擬模型變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，拓展了學(xué)生的感知覺，增強(qiáng)了觸覺體驗(yàn)，促進(jìn)了人類思維和創(chuàng)新能力的發(fā)展，將其應(yīng)用到教育有一定的意義。隨著3D打印技術(shù)相關(guān)校本課程在我國(guó)部分學(xué)校的展開，一些研究者試圖將3D打印技術(shù)融入具體學(xué)科教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力，提高教學(xué)質(zhì)量。將3D打印技術(shù)與高中通用技術(shù)課程結(jié)合具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。

三、3D打印技術(shù)與高中通用技術(shù)的結(jié)合點(diǎn)

3D打印技術(shù)的特點(diǎn)符合通用技術(shù)課程目標(biāo)，將3D打印技術(shù)應(yīng)用于通用技術(shù)課程教學(xué)中，能激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新。3D打印技術(shù)是一種快速成型技術(shù)，能夠?qū)W(xué)生的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換為實(shí)體并進(jìn)行性能測(cè)試，幫助學(xué)生理解自己的設(shè)計(jì)思路，改進(jìn)設(shè)計(jì)?！镀胀ǜ咧型ㄓ眉夹g(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》提出的課程目標(biāo)是：“以基礎(chǔ)的、寬泛的、與學(xué)生日常生活聯(lián)系緊密的技術(shù)內(nèi)容為載體，以進(jìn)一步提高學(xué)生的技術(shù)素養(yǎng)促進(jìn)學(xué)生全面而富有個(gè)性的發(fā)展為目標(biāo)?！保?0］《通用技術(shù)》是一門立足實(shí)踐、高度綜合、注重創(chuàng)造的學(xué)科，是一門科學(xué)與人文融合的課程，時(shí)代形勢(shì)和個(gè)人生產(chǎn)發(fā)展迫切要求當(dāng)代學(xué)生學(xué)習(xí)通用技術(shù)，以提高個(gè)體實(shí)踐操作能力，促進(jìn)創(chuàng)新思維發(fā)展。如下圖1所示，通用技術(shù)課程包含必修和選修課程，將3D打印技術(shù)引入到通用技術(shù)課程在必修課程中通過學(xué)習(xí)三維設(shè)計(jì)培養(yǎng)學(xué)生正確的技術(shù)觀和技術(shù)創(chuàng)新意識(shí)，在選修課程中打印所設(shè)計(jì)的建筑模型等可提高學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，促進(jìn)創(chuàng)新思維的發(fā)展。

圖1　通用技術(shù)課程結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示是高中通用技術(shù)課程結(jié)構(gòu)，包括必修課和選修課。必修課是關(guān)于技術(shù)與設(shè)計(jì)的基本理論，選修課程以實(shí)踐為主，訓(xùn)練學(xué)生的實(shí)際操作能力，學(xué)校應(yīng)該設(shè)置通用技術(shù)專用實(shí)驗(yàn)室。隨著技術(shù)的創(chuàng)新和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，部分發(fā)達(dá)地區(qū)的中學(xué)已經(jīng)擁有通用技術(shù)專用教室，包括汽車模擬駕駛教室、電子控制試驗(yàn)室、機(jī)器人試驗(yàn)室、服裝試驗(yàn)室和機(jī)械電子一體室等各種支持開展通用技術(shù)課程的試驗(yàn)室。由于通用技術(shù)試驗(yàn)室配備了真實(shí)的縫紉機(jī)、銑床、鉆床及激光切割機(jī)等設(shè)備，而學(xué)生年齡較小，如果在實(shí)驗(yàn)過程中操作不當(dāng)，會(huì)造成人身傷害。3D打印技術(shù)能夠?yàn)殚_展通用技術(shù)課程創(chuàng)設(shè)逼真的環(huán)境，提供各種實(shí)物模型，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造設(shè)計(jì)熱情，還能避免學(xué)生直接接觸危險(xiǎn)工業(yè)機(jī)器，防止意外事故的發(fā)生。

3D打印在通用技術(shù)課程中發(fā)揮著重要作用，主要體現(xiàn)在以下三點(diǎn)。

1.抽象具體化，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造發(fā)明熱情

學(xué)生利用三維制圖軟件將自己的想象物制作為可視化圖形，然后用3D打印機(jī)打印出來(lái)，即將個(gè)體抽象的想象物轉(zhuǎn)變?yōu)榭晒蚕砜捎|摸的具體物，這就是抽象具體化。3D打印技術(shù)支持下的通用技術(shù)課堂與傳統(tǒng)的完全不一樣，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，學(xué)生想象的物體無(wú)法轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)物，不能共享。比如：在簡(jiǎn)易機(jī)器人的制作中，學(xué)生有許多新想法，但是基于設(shè)備及自身繪圖能力的限制而無(wú)法實(shí)現(xiàn)，而在3D打印技術(shù)的支持下學(xué)生可以直接將自己設(shè)計(jì)的機(jī)器人打印出來(lái)，共享并進(jìn)行性能測(cè)試。在發(fā)揮想象創(chuàng)新設(shè)計(jì)過程中，體驗(yàn)創(chuàng)意的偉大，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新熱情。

2.為每個(gè)學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)創(chuàng)設(shè)條件，提高學(xué)生創(chuàng)新動(dòng)機(jī)

建構(gòu)主義者認(rèn)為，學(xué)習(xí)活動(dòng)應(yīng)該發(fā)生在情景中應(yīng)該和社會(huì)實(shí)踐活動(dòng)結(jié)合起來(lái)。［11］3D打印技術(shù)的出現(xiàn)幫助學(xué)生營(yíng)造真實(shí)的問題情景，完成模型制作，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課往往是教師演示學(xué)生觀看，學(xué)生自己動(dòng)手操作的機(jī)會(huì)少，造成這種現(xiàn)象的原因有兩方面：一方面是實(shí)驗(yàn)室設(shè)備欠缺，無(wú)法滿足人人實(shí)踐操作；另外一方面是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)過程具有危險(xiǎn)性，為避免學(xué)生操作不當(dāng)造成人身傷害而不允許學(xué)生實(shí)踐操作。在通用技術(shù)教學(xué)中也存在這樣的現(xiàn)象，學(xué)生無(wú)法實(shí)踐，只能觀看教師演示，難以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新動(dòng)機(jī)。3D打印機(jī)的出現(xiàn)變革了傳統(tǒng)的演示實(shí)驗(yàn)，將教師演示變?yōu)閷W(xué)生操作，為學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)提供了同等的機(jī)會(huì)。3D打印技術(shù)為開展通用技術(shù)教學(xué)創(chuàng)設(shè)良好的學(xué)習(xí)環(huán)境，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣并提高創(chuàng)新動(dòng)機(jī)。

3.快速成型的特點(diǎn)滿足學(xué)生個(gè)性化發(fā)展需求

通用技術(shù)課程的培養(yǎng)目標(biāo)是提高學(xué)生的技術(shù)素養(yǎng)，促進(jìn)學(xué)生全面而富有個(gè)性的發(fā)展。汽車駕駛及保養(yǎng)、建筑及設(shè)計(jì)、簡(jiǎn)易機(jī)器人制作和服裝設(shè)計(jì)等實(shí)踐類課程，要求學(xué)生具有創(chuàng)造發(fā)明的意識(shí)，在實(shí)踐中創(chuàng)新。3D打印快速成型的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)為學(xué)生個(gè)性化發(fā)展創(chuàng)設(shè)條件，滿足學(xué)生的發(fā)展需求。

4.避免實(shí)驗(yàn)事故的發(fā)生

學(xué)校通用技術(shù)實(shí)驗(yàn)室配備了真實(shí)的銑床、鉆床及激光切割機(jī)等設(shè)備，具有較高的危險(xiǎn)性，在沒有教師監(jiān)督的情況下，學(xué)生是不能隨意操作。有些學(xué)校的通用技術(shù)專用教室配備非常好，但是使用率并不高，主要是為了避免實(shí)驗(yàn)事故的發(fā)生，基本上所有的設(shè)備只有教師給學(xué)生演示，學(xué)生幾乎沒有機(jī)會(huì)操作，這樣既造成資源浪費(fèi)又限制學(xué)生實(shí)踐能力的提高。3D打印機(jī)將三維模型打印為實(shí)體的過程中危險(xiǎn)性較小，教師可以大膽地讓學(xué)生操作。

四、3D打印技術(shù)在通用技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用設(shè)計(jì)

3D打印技術(shù)在通用技術(shù)課程中的教學(xué)流程如圖2所示，其課程中主要由三個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成，即學(xué)習(xí)3D打印技術(shù)、學(xué)習(xí)三維建模和打印三維模型。在整個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)中要充分發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用和學(xué)生的主體地位，對(duì)教學(xué)進(jìn)行多元化評(píng)價(jià)才能達(dá)到理想的教學(xué)效果。

圖2　3D打印技術(shù)在通用技術(shù)課程中的教學(xué)流程圖

在教學(xué)前期，教師可以讓學(xué)生參觀3D打印機(jī)并介紹其工作原理，使學(xué)生認(rèn)識(shí)3D打印技術(shù)。在通用技術(shù)必修課程中，為了給后期3D打印課程奠定基礎(chǔ)，可以讓學(xué)生學(xué)習(xí)三維建模其軟件，如：Sketchup、Blender、3DTin、TinkerCAD等，通過三維建模激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)作靈感促進(jìn)創(chuàng)新思維的發(fā)展。在掌握三維設(shè)計(jì)以及3D打印技術(shù)的基礎(chǔ)上，教師可以引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)際可打印的作品，如通用技術(shù)選修課程中的建筑及其設(shè)計(jì)。師生共同評(píng)選優(yōu)秀作品是教學(xué)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在該階段教師和學(xué)生共同對(duì)所有設(shè)計(jì)出的作品進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)作品優(yōu)劣可依據(jù)作品的外觀、創(chuàng)意、是否符合3D打印機(jī)的打印要求等；最后對(duì)優(yōu)秀作品打印收藏，由于打印材料以及打印機(jī)自身的局限性不能將學(xué)生的所有作品進(jìn)行打印，只能對(duì)評(píng)選出來(lái)的優(yōu)秀作品進(jìn)行打印，打印過程中，讓學(xué)生在教師的指導(dǎo)下進(jìn)行操作，從而提高學(xué)生的實(shí)踐能力。

五、結(jié)束語(yǔ)

隨著材料技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，3D打印技術(shù)將普遍運(yùn)用于各行各業(yè)，將3D打印技術(shù)引入通用技術(shù)課程，使學(xué)習(xí)過程由以往的記憶拷貝過程轉(zhuǎn)變?yōu)橹R(shí)的探究與創(chuàng)新過程。充分發(fā)揮技術(shù)和教學(xué)整合的優(yōu)勢(shì)是培養(yǎng)具有高設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新思維能力人才的重要途徑，也是我國(guó)教學(xué)改革的需要。

［1］3D打印教學(xué)應(yīng)用［EB/OL］. http：//bbs.tianya.cn/post-worldlook-875449-1.shtml.

［2］第三次工業(yè)革命與當(dāng)代中國(guó)：3D打印重組世界［EB/OL］. http：//www.chinairn.com/news/20131121/17341895.html.

［3］李青.3D打?。阂环N新興的學(xué)習(xí)技術(shù)［J］.遠(yuǎn)程教育雜志，2013，（04）：29-30.

［4］3D打印機(jī)介紹［EB/OL］.http：//dj.qzedu.net/Item/349.aspx.

［5］3D打印機(jī)的淺析［EB/OL］.http：//www.zjedu.org/html/detial/ info/201306/201306131742052384.html.

［6］走進(jìn)3D打印技術(shù)課程綱要［EB/OL］. http：//www.zjhaigao.net/Item.aspx？id=1605.

［7］泰河中學(xué)校本課程試水3D打?。跡B/OL］.http：//www.bledu.net. cn/newsdetail119620-tai-he-zhong-xue-xiao-ben-ke.ashx.

［8］和田路小學(xué)進(jìn)行時(shí)——3D打印課程［EB/OL］http：//blog.sina.com.cn/s/blog_64be4ff90101ay46.html.

［9］黎加厚，楊曉哲，楊高云.三維打印技術(shù)的發(fā)展對(duì)教育的啟迪［J］.中國(guó)醫(yī)學(xué)教育技術(shù)，2013，（01）：3-4.

［10］何妮妮.對(duì)高中通用技術(shù)課程目標(biāo)的理解［J］.北京教育學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，（05）：39.

［11］莫雷.教育心理學(xué)［M］.北京：教育科學(xué)出版社，2007.

［編輯：昌曙平］

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