3D打印技術在教學中應用與摸索摘要：隨著3D打印技術日益成熟，以及其在各行業和領域極具潛力革命性應用，如何普及3D打印并為社會培養專業3D打印人才是當前學校教誨一種重要課題之一。本文分析了3D打印分別在不同教學階段受眾特點，針對大、中、小學總結出不同教學目的和教學辦法，提出了一種全過程3D打印教學體系和培養方針。通過詳細案例，本文指出可以將3D打印融入主流課程教學實踐當中，服務和提高已有課程教學水平。最后，本文總結了3D打印在教學實踐中也許面臨問題和解決方案，為有效開展3D打印在各階段教學提供了理論指引和實際建議。Abstract：Withtheincreasinglymatureof3Dprintingtechnology，aswellasitsapplicationinvariousindustries，howtopopularize3Dprintingandcultivateprofessional3Dprintingtalentsforthesocietyisanimportanttaskofthecurrentschooleducation.Thispaperanalyzes3Dprintingaudiencecharacteristicsindifferentstagesofteaching，sumsupdifferentteachinggoalsandteachingmethodsrespectivelyforcollege，middleschoolandprimaryschool，andputsforwardawholeprocessof3Dprintingteachingsystemandcultivationguidelines.Throughthespecificcase，thispaperpointsoutthat3Dprintingcouldbeincludedinthemainstreamcurriculumteachingpracticetoserveandenhancethelevelofexistingteaching.Finally，thispapersummarizestheproblemsandsolutionsof3Dprintingteachingpractice，providestheoreticalguidanceandpracticaladviceforeffectivelycarryingout3Dprintingineverystageoftheteaching.核心詞：3D打印；技術創新；教學辦法；人才培養Keywords：3Dprinting；technologicalinnovation；teachingmethods；cultivationoftalents中圖分類號：G40-057文獻標記碼：A文章編號：1006-4311（）32-0178-040引言發達國家已經開始摸索3D打印技術對教誨影響，并成立了有關項目用以增進3D打印技術與教誨融合，從而培養出適應當代設計、制造潮流人才，從而提高自身競爭力。新媒體聯盟（NewMediaConsortium，NMC）在地平線報告中提出，3D打印是將來四到五年內值得關注新技術，它將帶來教學、學習和研究領域創新[1]。英國教誨部已經選用多所小學作為試點學校，設立有關基金，為學校購買3D打印機，并對教師進行有關培訓，此外，還開設3D打印有關課程作為學生手工課。學生可以通過電腦建模，打印自己所喜歡模型[2]。歐洲某些國家也進行了3D打印有關教學調研，如“將來教誨與學習”（LIFE）項目，對歐洲7國師生進行調研，以獲得3D教學對學生課堂專心度和學習成績影響[3]。希臘在兩所高校開始初步實驗將3D打印作為學習手段教學辦法[4]。美國STEM教誨中STARBASEMinnesota是對學生提供STEM訓練教誨項目。該項目通過引入3D打印支持，使學生能通過CAD軟件自行設計相應課程模型，并進行實際測試和分析。該課程項目能極大地調動學生積極性，使枯燥數學分析亦能激發學生興趣[1]。此外，尚有某些職業學校項目，如PlayMaker。該項目環繞著3D打印技術這一核心課程，學生可以設計、打印和驗證模型物理理論。較之國外而言，國內3D打印普及和教誨仍處在起步階段。國家當前十分注重3D打印技術和應用發展，例如國內科技部已將3D打印技術納入國家863籌劃，各地學校也開始進行關于3D打印課程試點。13D打印發呈現狀以及學校教誨可行性當前3D打印機成本及其打印材料、質量、時間等都是制約3D打印在學校教誨中普及因素。解決好這些瓶頸能更好地增進教學和研究發展，為摸索教學新方向提供有效辦法。1.13D打印機成本3D打印機成本始終是制約3D打印發展瓶頸。3D打印機售價從幾千元到幾十萬元不等。為了減少3D打印機成本，許多公司已經著手相對便宜3D打印機研發。據報道，有些公司已經開始搶占教誨行業市場，推銷千元如下3D打印機。隨著3D打印機成本進一步減少，其普及將不再是難題。1.23D打印材料另一種制約3D打印普及瓶頸是耗材。當前3D打印可以支持各種打印材料，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打印支持各種類型材料，但不同材料需要相應打印設備支持，此外打印材料價格也并不便宜。當前教學研究中使用較為普遍是PLA（生物降解塑料聚乳酸，PolylacticAcid）材料和ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯，AcrylonitrileButadieneStyreneAcrylonitrileButadieneStyrene）。一公斤PLA或ABS耗材市場價格為60元左右。隨著材料進一步改進和研發，生產技術發展和生產廠商增長，普通耗材價格將慢慢降至教學可接受范疇內。1.33D打印質量在打印模型過程中，有時會由于機器自身或環境問題，導致打印質量并不抱負，成品率普通在30%-50%左右，甚至更低。其中便宜3D打印機也是使成品率減少因素。種種因素將不利于教學實踐和教學研究使用。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種亟待解決問題，當前3D打印時間普遍偏長，阻礙了教學實踐以及教學研究發展。據報道，現下最新研究3D打印技術CLIP（ContinuousLiquidInterfaceProduction）打印速度是舊式打印幾十倍以上，其打印出物體表面也十分光滑，完整。這項技術若能普及，將彌補3D打印時間長缺陷。23D打印在不同教誨群體中教學分析與探討在3D打印教學上，學校應當在3D打印課程進行細致、進一步地規劃，履行多方向、多環節主題學習。學生通過摸索、想象、實踐等環節學習后，將激發想象力以及提高學習效率與興趣。結合不同步期學生學習方向，學生在各階段進程和方向上均有所側重，進程如圖1所示。2.1小學教學以“感性結識”與“培養想象力”作為小學教學方向。這一階段學生，發散思維力強，想象力豐富，活潑好動，接受新鮮事物能力強。結合以上特點，每個小學單位至少配備一臺以上3D打印機。設立3D打印課程應當“淺入淺出”。所謂“淺入”，就是用生動活潑、淺顯易懂語言對3D打印原理和3D打印機進行簡樸簡介，讓學生在感性上對3D打印有初步結識，對打印原理、設備以及應用范疇有個大體理解。“淺出”就是通過做些有趣味性、引起聯想、充分結合課程簡樸小實驗、小制作來加深學生對3D打印結識和理解。此外，學校不能一味地使用強制性考試、規范化實驗對學生進行應試教誨，而應使用更自由、輕松教學方式以提高學生興趣，使學生產生成就感，形成教學良性循環[5]。3D打印課程目是將3D打印作為學生通往興趣興趣一座“橋梁”，而非僅作為一門來自于課堂又終結于課堂課程。在教學上，可以依照學校自身特點、專家研究等設計小實驗、小制作。課程核心必要是以拓展學生思維、引導想象力為主，目是要激發學生想象力和興趣、培養其思維能力。2.2中學教學以“想象力和實踐相結合”作為中學教學方向。這一階段學生，發散性思維能力與接受新鮮事物能力依然很強，有一定知識基本和邏輯思維能力。在小學階段，學生有異想天開、天馬行空想法，在中學階段，開設3D打印課程應當故意識地引導學生想象力，將想象力與實踐結合。在數學、地理、生物等科目可以結合3D打印課程進行科目交叉與融合。應當讓學生在已有結識基本上，加深對三維空間理解，并且能簡樸地掌握建模軟件如AutoCAD操作，能進行簡樸或者相對復雜建模。在中學教學中，學生已經學習到地理、物理、生物、化學等學科。在現階段中學教學中，教學道具依然匱乏，特別在經濟不發達地區，更是如此。教師基本無法使用道具進行演示，只能運用課件、播動畫和視頻來代替。學習知識不應當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學習將有助于學習橫向拓展和縱向進一步。3D打印不受圖形限制，可以打印出構造復雜教學模型，教師將內部認知構造可視化，化抽象為詳細，化復雜為簡樸[6]。理工科課程中，實體化、可拆卸與裝配、可運動教學道具更能激發學生興趣和想象力。在制作個性化、非大批量教學道具中，可以較好地運用3D打印打印能力。2.2.13D打印在地理課程中應用在地理課程學習中，應用到大量實體模型。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太陽系模型（其中包括可拆卸太陽、水星、金星和地球等模型），在不同節氣變化地球位置；可以打印出不同步間段物體或現象標志性狀態模型；也可以打印出可拆卸房屋模型，用以演示地震對房屋破壞；或者打印天氣現象運動模型，用以體現氣旋、冷鋒、暖鋒等天氣現象運動；再例如使用模型層層分離展示方式，展示不同地帶地形地貌、山岳形狀等。通過打印圖2恒星系統，如太陽系（組件均來自3D打印）。教師可以結合課本簡介太陽系，并且移動地球等行星，以及對節氣等知識點進行簡介。還可以從系統中拆卸地球模型，取出內部每一層構造進行細致地解說，讓學生從宏觀到局部系統地理解太陽系構造。通過實物化可運動太陽系系統，可以使知識生動形象，加深學生結識。2.2.23D打印在物理課程應用在物理課程學習中，物理許多電路、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，或是合力箭頭模型、同步衛星模型、地球模型、實驗電路模型演示以及電阻、電容、電感等模型類比演示等。同步，制作3D模型可以與電子電路相結合，使模型可以完畢相應演示功能，如模型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（含打印無蓋盒子、機械構造、排液管等，除了電壓表、電源以及導線外，其她構造均由3D打印而成）零件，可以引導學生在宏觀上對電容有一種深刻結識。在盒子里倒入導電液體，與電源、電壓表連成閉合電路后，旋轉可移動間距旋鈕，調節盒子間距，或者調節排液旋鈕，排出一定量液體，觀測電壓表電壓示數變化。隨后教師可以通過聯系所學知識，解釋實驗現象。學生能調節盒子間距、導電液體量、以及更換“電容”介質等進一步加深對電容重要公式及有關知識理解。3D打印類似實驗裝置可以較好地應用于教學，不但可以驗證理論對的性，還能培養學生動手能力，激發她們想象力和興趣。只要有3D模型就能隨時打印并組裝，快捷且以便。2.2.33D打印在生物課程中應用在生物課程學習中，能應用到大量實體模型。使用3D打印技術，可以打印出可拆卸細胞、細菌、病毒構造模型、可拆卸多肽鏈、多糖、蛋白質、核酸等大分子化學球形構造模型或者可運動細胞膜構造模型。打印理解難度較大細胞有絲和無絲分裂等模型可以較好地解決學生理解問題。通過打印出細胞模型，如圖4所示半截面植物細胞模型。3D打印出層1（細胞壁）、層2（細胞液）外殼以及各種不同細胞器（使用不同顏色材料打印，以增長細胞器區別度）后，再組合起來。由于打印難度不大，整體耗材少，因此可以打印出整班數量。教師進行有關知識解說前，可以把打印好模型分發給所有學生。學生除了能在課堂上結合教師解說和課本簡介，運用細胞立體模型對植物細胞知識進行進一步理解外，課下還可以用模型做進一步對照復習。通過拆卸細胞模型，可充分調動學生視覺、觸覺等感官，加深其對知識理解。在中學階段，除了在課堂教學上使用結合3D打印教學用品外，可以適度舉辦涉及3D打印競賽，競賽可以采用外觀設計、組合構造、教學用品創新等形式。考慮到中學生3D設計能力并沒有良好基本，因而學校或比賽舉辦方可以提供有關模型給學生參照。如在機器人DIY競賽中，比賽舉辦方提供種類繁多3D模型包，學生可以自行設計機器人構造圖，并從模型包中取出相應3D模型并打印，最后依照構造圖組裝起來。2.3大學教學在當前大學教學中，3D打印技術使用比較廣泛。涉及到實物外觀、構造、機械、電路等課程，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、材料力學等基本課或專業課程教學中使用3D打印教學模型外，也能在實驗、課程設計中使用3D打印。隨著各專業學科交叉與融合，以及3D打印技術日益成熟，它與各有關學科結合會越加快密，其作為“橋梁”性質實現方式會越來越重要。各高校專業設立雖涉及到3D打印，但并沒有開設3D打印技術有關課程，因而學生建模水平不高，設計出成品與實際需求相距甚遠。3D打印本科專業建設核心是“創新、設計、建模”。由于3D打印接口面廣，因而專業課設立要在不同方向上有所側重。要學習課程分為公共基本課、專業基本課、專業課以及課程設計。公共基本課涉及高等數學、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。鑒于當前缺少合用于大學教學3D打印教材，在此僅提供基本專業課教學課程有：3D打印導論、3D打印原理、常規3D打印機構造及組裝、3D打印基本設計、3D建模基本與提高（使用當前流行3DMAX、MAYA、Rhino等軟件進行學習與應用）等。學生自行選取不同行業方向專業課，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、創意設計以及構造美學等課程。在選取相應方向后，應增長該行業有關知識課程，以提高學生基本。公共基本課、專業基本課作為學習基本，專業課則作為所學知識綜合運用。課程由淺至深，逐級遞進和進一步，最后促使學生掌握創新、應用技能。教師在專家專業學時應注重引導學生創新思維能力、發散思維能力，在實驗、課程設計上應設計彈性大題目。至此，可以通過表1總結出小、中、大學不同窗習階段學生特點、教學基本、教學目的和教學內容。3教學實踐中問題與建議3D打印在本質上是多媒體技術延伸，是虛擬現實技術延伸，它拓展了人感覺和知覺，增進了人思維能力進一步發展，它與教學融合勢在必行[7]。當前，3D打印在教學實踐中存在諸多問題或空白，拓寬教學實踐各環節將促使3D打印與教學實踐進一步融合與發展。如下提出有關建議。3.1學校安裝有關配套3D打印機當前大多數學校沒有配備有關配套3D打印機，而3D打印機是進行教學、研究基本設備。如果教學條件容許，還可以配備有關外圍設備，如3DCamega、KinectDIY等專業3D掃描儀。此外政府可以出臺有關政策，為大中小學配備3D打印機及有關設備。據理解，國內政府籌劃將在兩年內為全國四十萬所小學安裝3D打印機，用于學校教學和研究。將來也許會在大、中學履行進一步有關政策。3.2編撰規范化教材3D打印技術雖然不是一門新興技術，發展時間也相應比較長，但當前教學中依然缺少內容豐富、案例典型教材作為教學參照。因而可編寫適合大中小學使用3D打印技術書籍作為教學材料。但不強制規定各學校必要采用，學校也可以自行編寫符合自身教學規定教材。規范化教材編寫重要出發點是用于規范化教學。3.3對教師進行培訓3D打印教師應當在技術和教學設計等層面進行學習和提高，做好領路人角色。課程設計應當環繞“切合實際、拓展思維和激發想象力”目。在中小學教師培訓上，培訓人員除了專家相應3D打印原理、機械構造、耗材等知識外，應當將重點放在培訓教師對學生思維與想象力進行引導辦法和技巧上。培訓大學和職校教師，應當使其“各習所長”，即在她們專業方面，針對性地專家不同專業構造、建模、耗材、支撐等方面知識和經驗，輔以典例為佳。3.4有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配套組件進行組裝和二次開發，這在很大限度上阻礙和限制了學生想法表達，不利于學生在實踐中自由發揮和拓展。3D打印能較好地提供解決方案，學生可以依照自己想法設計并打印出相應模型，并組裝在自己參賽作品中。此外，為了使3D打印能更好地與教學、實踐等融合，可以舉辦不同主題比賽。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，如組合聯動構造。也可以舉辦開拓參賽團隊思維比賽，設計并打印出新穎、獨特、具備創造性機器人零部件、外殼、骨架等。勉勵比賽先進作品進行進一步研發。這樣比賽除了能增進3D打印技術更新和發展外，還能拓展學生對控制芯片編程、機械構造、模仿電路結識。3.5成立有關委員會當前3D打印并沒有較好地納入規范化組織和管理中，成立有關委員會是行之有效辦法。通過成立有關委員會，創立評比制度，可以支持大中小學學生對感興趣方向進行創新。可以通過評比項目提供必要資金，并配給相應指引教師。再者，如果學生可以靠自身能力切實改進了3D打印技術，并有相應展