鄭志群　吳玉婷

摘要：該文通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研和實(shí)地調(diào)查，闡述了國(guó)內(nèi)外3D打印技術(shù)在教育領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀和在中小學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀，總結(jié)了3D打印技術(shù)在中小學(xué)教學(xué)中應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題。為3D打印技術(shù)更有效在教學(xué)中應(yīng)用提供參考與借鑒。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù)；中小學(xué)教學(xué)；應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）19-0226-03

1 問(wèn)題的提出

1.1 背景和意義

國(guó)務(wù)院在2014年推出了“3D 打印創(chuàng)新教育播種”計(jì)劃。2015 年國(guó)家工業(yè)和信息化部出臺(tái)的《國(guó)家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)計(jì)劃（2015—2016年）》，先是促進(jìn)3D打印融入教學(xué)過(guò)程，最終達(dá)到產(chǎn)生創(chuàng)新教學(xué)方法的目的。社會(huì)和科技的不斷進(jìn)步，傳統(tǒng)的教學(xué)模式難以滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，將3D打印與教學(xué)結(jié)合，是響應(yīng)國(guó)家政策的一項(xiàng)舉措，是順應(yīng)信息時(shí)代發(fā)展需求的教學(xué)革新。

1.2 3D打印技術(shù)的概念和原理

3D 打印是利用塑料或樹脂等可粘連的材料進(jìn)行層層打印形成物件的增材建造技術(shù)，它的工作原理是將3D 打印機(jī)與計(jì)算機(jī)進(jìn)行連接，由設(shè)計(jì)輔助軟件進(jìn)行數(shù)字建模，再把數(shù)字信息傳輸給打印機(jī)，利用打印機(jī)中的絲狀、粉狀或是液體狀的材料以逐層堆疊的方式制作出產(chǎn)品。3D打印的基本流程如下（圖1）：

2 3D打印技術(shù)在中小學(xué)教學(xué)中的研究現(xiàn)狀

為了全面了解3D打印在國(guó)內(nèi)外中小學(xué)教學(xué)方面的研究情況，筆者以中國(guó)知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)為基準(zhǔn)，進(jìn)行了資料的收集、匯總、分析，總結(jié)了以下結(jié)論。

2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

在中國(guó)知網(wǎng)外文文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)檢索“主題”包含"3D printing"的文獻(xiàn)共有9125篇。在教育領(lǐng)域，為更多的獲取國(guó)外研究進(jìn)展，將檢索條件擴(kuò)大為“主題”包含“3Dprinting”和“education”或“teaching”或“l(fā)earning”或“curriculum”或“student”，檢索出文獻(xiàn)共299篇，其主要學(xué)科包括：計(jì)算機(jī)軟件及計(jì)算機(jī)應(yīng)用、外科學(xué)、醫(yī)學(xué)教育與醫(yī)學(xué)邊緣學(xué)科、教育理論與教育管理、中等教育、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、物理學(xué)和外國(guó)語(yǔ)音文字等學(xué)科。

2013年美國(guó)制定并且實(shí)施MENTOR項(xiàng)目，將3D打印推廣普及至高中教學(xué)中，在引起學(xué)生對(duì)工程設(shè)計(jì)類課程的興趣的同時(shí)提升其綜合知識(shí)與能力。

2014年7月，在布倫特（Balinski Brent）名為《3D打印技術(shù)未來(lái)的關(guān)鍵仍然是教育》的報(bào)告中表達(dá)了關(guān)于教育在三維打印未來(lái)的重要性。"同年，愛(ài)沙尼亞塔林理工大學(xué)以Vasilis為首的三位教育研究專家在名為《以開源3D打印作為一種學(xué)習(xí)手段：在希臘兩家高中的教育實(shí)驗(yàn)》的報(bào)告中提到：在長(zhǎng)達(dá)三個(gè)月的教育實(shí)驗(yàn)中，研究者試圖將3D打印機(jī)作為一種學(xué)習(xí)輔助工具，幫助學(xué)生"從不同的角度思考和看待世界"，通過(guò)3D打印技術(shù)，學(xué)生與世界的連接增加了，同時(shí)也提高了他們的自尊心和自信心。

美國(guó)在《新媒體聯(lián)盟地平線報(bào)告：2015基礎(chǔ)教育版》（The NMC Horizon Report：2015 k-12 Editon）中提到，美國(guó)將大力開展3D打印課程。另外，其他發(fā)達(dá)國(guó)家也在大力推進(jìn)3D打印與教學(xué)環(huán)節(jié)之間的合作。

國(guó)外對(duì)3D打印融于教學(xué)的研究思路很清晰，一直在研究如何更好地將3D 打印技術(shù)融于教學(xué)，并做了大量的實(shí)踐研究，對(duì)國(guó)內(nèi)應(yīng)運(yùn)而起的3D打印技術(shù)進(jìn)入教學(xué)的研究有很大啟示。

2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

在中國(guó)知網(wǎng)數(shù)據(jù)總庫(kù)（包含期刊、學(xué)位論文、報(bào)紙、會(huì)議等）檢索“主題”精確包含“3D打印”的文獻(xiàn)共有8380篇，其中包含568篇博碩士論文。從時(shí)間發(fā)展來(lái)看，共有兩個(gè)大的增長(zhǎng)點(diǎn)，第一個(gè)是從2012年的123篇，到2013年的986篇；第二個(gè)是從2014年的993篇到2015年的1164篇（圖2）。由此可見，從2013年起，3D打印正式成為我國(guó)的研究熱點(diǎn)。

在教育領(lǐng)域，為了盡可能全面的獲取現(xiàn)有研究成果進(jìn)行分析，將檢索條件定為“主題”精確包含“3D打印”以及"教育”或“教學(xué)”或“學(xué)習(xí)”或“課程”。檢索結(jié)果為728篇，其中期刊文獻(xiàn)有420篇，教育期刊有255篇，碩士論文有22篇，報(bào)紙14篇，國(guó)內(nèi)會(huì)議相關(guān)文獻(xiàn)13篇，學(xué)術(shù)輯刊3篇，國(guó)際會(huì)議相關(guān)文獻(xiàn)1篇。文獻(xiàn)主要研究領(lǐng)域包括：基礎(chǔ)教育與中等職業(yè)教育、基礎(chǔ)研究（社科）、高等研究、工程技術(shù)（社科）、行業(yè)指導(dǎo)（社科）、基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究（自科）等。其中中等教育類文獻(xiàn)128篇、初等教育類文獻(xiàn)66篇，包括《3D打印技術(shù)：中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)優(yōu)化新思路》和《3D打印技術(shù)在化學(xué)教具制作與教學(xué)中的嘗試》等期刊文獻(xiàn)及《3D打印技術(shù)在地理教學(xué)中的應(yīng)用研究》和《地理教具的3D打印設(shè)計(jì)與實(shí)踐研究》等碩士論文。

在所檢索的碩士論文中，上海師范大學(xué)有4篇，分別為《PBL模式的3D打印課程教學(xué)設(shè)計(jì)研究》、《小學(xué)3D打印課程的學(xué)習(xí)適應(yīng)性研究》、《小學(xué)“3D打印教育”課堂教學(xué)設(shè)計(jì)研究》和《小學(xué)3D打印課程的設(shè)計(jì)與開發(fā)研究》，占比18.2%，數(shù)量最多，其次為福建師范大學(xué)有2篇，分別為《地理教具的3D打印設(shè)計(jì)與實(shí)踐研究》和《3D打印技術(shù)在高中校本課程的開發(fā)與實(shí)施》，占比9.1%，位居第二。 研究的領(lǐng)域分別為社會(huì)科學(xué)（15篇）、信息科技（6篇）、醫(yī)藥衛(wèi)生科技（3篇）和經(jīng)濟(jì)管理科學(xué)（1篇）。

3 3D打印技術(shù)在中小學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用案例

3.1 國(guó)外應(yīng)用案例

3.1.1 作為項(xiàng)目引進(jìn)教學(xué)

英國(guó)中小學(xué)課堂引進(jìn) 3D 打印技術(shù)項(xiàng)目，是在“學(xué)生可以在制造和分享過(guò)程中產(chǎn)生學(xué)習(xí)的效果”理念指導(dǎo)下展開的學(xué)科教學(xué)創(chuàng)新探索項(xiàng)目。這個(gè)理念的核心思想是“制造”和“分享”，強(qiáng)調(diào)得到知識(shí)的有效方式是在模擬的仿真環(huán)境中使用體驗(yàn)式學(xué)習(xí)與探究式學(xué)習(xí)進(jìn)行學(xué)習(xí)。

STEM機(jī)構(gòu)針對(duì)中高年級(jí)的小學(xué)生組織了一個(gè)關(guān)于數(shù)學(xué)與科學(xué)的項(xiàng)目。 在項(xiàng)目中學(xué)生先是學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)，然后根據(jù)這些知識(shí)，利用3D打印技術(shù)的相關(guān)軟件即CAD軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，在利用3D打印機(jī)將設(shè)計(jì)好的相關(guān)模型打印出來(lái)，并組合成火箭。最后測(cè)試火箭發(fā)射，并收集數(shù)據(jù)分析結(jié)果。通過(guò)此項(xiàng)目，既擴(kuò)展了學(xué)生的知識(shí)，讓學(xué)生了解了一個(gè)完整的規(guī)劃設(shè)計(jì)項(xiàng)目的流程，又培養(yǎng)的學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作能力，更鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手操作能力。讓學(xué)生可以將所學(xué)的知識(shí)運(yùn)用在實(shí)踐中，在實(shí)踐過(guò)程中檢驗(yàn)所學(xué)的知識(shí)是否正確，實(shí)踐出真知。