美國新媒體聯盟發布的（de）《地平（píng）線報告》（The Hori­zon Report）從2013 年起連（lián）續三年提到，3D 打印（3DPrinting）將成為教學的主要技術，並指出未來2—3 年內3D打印將走進（jìn）教學（xué）[1]。隨著3D 打印技（jì）術（以下簡稱3D 打印）的不斷普及和創新應用，教師和研究人員（yuán）對其關注日益增加。因此，本文（wén）基於3D 打印的基本特征和國內外教學（xué）應用現狀，深入分析國外3D 打印的教學案例，得出3D 打印的教學創新應用的新趨勢。

 

 

一、3D打印與特（tè）點

 

3D 打印是（shì）利用塑料（liào）或樹脂等可粘連的原料進行層層打印形成物件（jiàn）的增材製造技術[2]。它（tā）的工作原理（lǐ）是將3D 打印機與計算機連接，通過設計輔助軟件進行數字（zì）建模，再將數字信息傳輸給打（dǎ）印機，利用打印機中的絲狀、粉狀或是液體狀的材（cái）料以逐層堆疊的方式製作出產品。3D 打印技術具有三個明顯的特點：第一，因為是通過將材料（liào）堆積疊加形（xíng）成（chéng）的，避免了材料的浪費[3]； 第（dì）二，能夠在時（shí）間短（duǎn）、空間有限的情況下打印出物件， 提高了加工（gōng）製造的（de）效（xiào）率；第三，能（néng）夠將人們創意的想（xiǎng）法和（hé）設計快速呈現，實現了個性創新製作。

 

二、國內外3D打印教學創新應用現狀（zhuàng）

 

3D 打印作為（wéi）一種新興的可視化的技術和（hé）工具，能夠更好地幫助學生將抽象事物形象化，因此已經被引入到教育教學中。2013 年，美國製定並且實施MEN-TOR 項（xiàng）目，將（jiāng）3D 打印推廣普及至（zhì）高中教學中，在引起學（xué）生（shēng）對工程（chéng）設計類課程的（de）興趣的同時提升其綜合知識與能力[4]。2014 年，美（měi）國白宮舉辦第一次創客嘉年華， 美國總統奧巴馬（mǎ）宣布全美引進3D 打印產業，並強調利用3D 打印推動中小學的教（jiāo）育變革[5]。這不僅全麵推（tuī）動3D 打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新（xīn）鮮力量。

英國教育部為在教育教學中推廣和（hé）普及3D 打印（yìn）並探索其創新教學方式（shì），開展了一年的實（shí）驗探究[6]。想利用3D 打印提升教學效果，培養學生創新思維和（hé）能力，教師必須先掌握3D 打印的相關技能，這樣才能更好地實現教學創新（xīn）改革。於是，為上千名中小學教師提（tí）供3D 打印的培訓以便（biàn）更好地幫助學生獲得知識且（qiě）提高技能（néng）、素養等。隨後，將3D 打印列為（wéi）國家課程（chéng），促使（shǐ）中小學開展相關活動，進而培養學生的自主動手設計能力和創新思維。

我國正（zhèng）在逐步（bù）開（kāi）展3D 打印的教學應用（yòng）工作（zuò）。2014年（nián），國務院推出“3D 打印創新教育播種”計劃，意在（zài）為學生的（de）創（chuàng）新創造提供良好的氛圍，以培養其“創客（kè）” 精神和（hé）提升其（qí）“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（fǎng）真（zhēn）學（xué）會3D 教育與裝備專業委員會”[8]。2015 年（nián）國家工業和信息（xī）化部出台《國家增材製（zhì）造產業（yè）發展推進計（jì）劃（2015— 2016 年）》，旨在促使3D 打印（yìn）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（jiāo）學。如（rú）南京馬府街小學開展3D 打印的創（chuàng）新教學的係統研究[10]；北京朝（cháo）陽區實驗小學引入3D 打印，助力課（kè）程整合和課程改革[11]。國內3D 打印（yìn）的教學應用的步伐（fá）正在加快，但不可否認的是，雖然部分地區（qū）已經應用3D 打印（yìn）開（kāi）展教學，可由（yóu）於缺乏一定的理論指導和實踐經驗，還未能實現（xiàn）利用3D 打印進行的創新性教學。

 

 

三、3D 打印教（jiāo）學（xué）創新應用（yòng）案例分析

 

目（mù）前很（hěn）多發達國家在K-12、高等教育中已經開展3D打印的教學實踐。本研究將以美國賓夕法（fǎ）尼亞（yà）州（zhōu）州立學院學區中小學的“走向綠色社區”學習活動項目和羅徹斯特理工學院應用3D 打印的力學橋梁課為例進一步（bù）分析3D 打印的教學創新應用情況。

（一）“走向綠色社（shè）區”學習活動（dòng）項目

賓夕法尼亞州州立學院學區的中小學教師Ron（羅恩）和Michelle（米歇爾）頗具創新地（dì）將八年級的學生和一年級的學生劃分為（wéi）同一小組，利（lì）用3D打印（yìn）合作完成主題（tí）為“走向綠色社區”的學（xué）習活動[12]。

具（jù）體教（jiāo）學過程是這樣的（如圖1 所示）：首（shǒu）先， 一年級學生在八年級學生的指導和幫助下繪（huì）出（chū）家居草（cǎo）圖；然後（hòu），小組進行頭腦（nǎo）風暴，評估並修（xiū）改草（cǎo）圖，記錄問題（tí），以便後期繼續修改；接著，教師組織學生分享設計（jì）圖，小（xiǎo）組間進行交（jiāo）流，進而促進問題的解決。其次，小組成員根據交流結果修改草圖並在（zài）八年級學生的（de）帶（dài）領（lǐng）下進行3D 建模。再次，利用3D打印機得到相關物件， 小組討論不斷修改進而完善（shàn）設計。最後，小組間進行展示交流，學生和教師可以進行（háng）自評、互評、點評。

3D 打印在“走進綠色社區”項目中發揮了很大的作用，具體表現在以（yǐ）下兩個方麵：第一，快速生成模（mó）型， 獲（huò）得直觀感（gǎn）受，節約（yuē）時間和（hé）成本（běn）；第二，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（guò）實物學（xué）習能更快更好地發現不足，不斷修改和完善。

 

 

 

（二）力學橋梁結構分析的案（àn）例

羅徹斯特理工學院（RIT）的教師KyleManchester （凱爾·曼徹斯特）在他所教授的力學課程中講授（shòu）橋（qiáo）梁結構受力時，利用3D 打印機打印出實物[13]。他的教學過程是這樣的（如圖2 所示）：首（shǒu）先，教師（shī）布（bù）置任務，小組合作建（jiàn）立一個具有桁架的非金屬材料的橋；接著， 學生通過（guò）CAD 設計軟件畫橋，再使用3D 打印機打（dǎ）印出各個部分並進行組裝；然後，學生進行試（shì）驗，遇到問題利用互聯（lián）網或是通（tōng）過和（hé）教師的交流尋求解決方法； 最後，各小組分別進行交流展示和承重測試，大家分享經驗並獲得橋梁結構的分析和設計能力，同（tóng）時可以進行學生互（hù）評（píng）和教（jiāo）師評價。

 

 

 

其教學創新之處（chù）在於：第一，3D 打（dǎ）印為工程課程的（de）教學提供了切入點，使學生的想象和創意得以實現。課程中利用模（mó）型（xíng）試驗承重（chóng），來（lái）檢驗學生設計的橋梁結構是否科學穩（wěn）定，將學生的設計與效果建立起聯係，促使學生增強對工程（chéng）設計的興趣（qù）。第二，提高學習者的綜合能力，課程學習中，從橋梁結構的設計、打印、分（fèn）析到修改等過程（chéng）都要學生參與完成，學生的（de）綜（zōng）合知識和能（néng）力得（dé）到提高。

從上述案例中（zhōng）可以發現3D 打印在創新教學中發揮著重要作用，不僅為學生營（yíng）造（zào）真實的問題情（qíng）境、激發學生學習的積極性，而且為學生提供創造實踐的平台和空（kōng）間（jiān），使得學生創新、實踐能力（lì）得（dé）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，其在（zài）教育教學中的應（yīng）用也不斷增加。從上述的（de）案例中可以發現，3D 打印教學創新應用（yòng）會（huì）有以下發展趨勢。

（一（yī））從簡單的學習目標，向培養“21 世紀技能”轉（zhuǎn）變

“互聯網+ 教（jiāo）育”的教育形態使得知識的獲取變得更（gèng）加容易，更新的速度也不（bú）斷加（jiā）快。為適應21 世紀的學習和生活，學（xué）校的（de）教（jiāo）育教學（xué）不僅要促使學生（shēng）掌握理論知識，還需要（yào）以培養學生的“21 世紀技能”為目標， 讓學生（shēng）在學習與創新方麵、數字素養方麵（miàn）、職業和生活技能方（fāng）麵[14] 都有所提升，以便其能更好地運用（yòng）這些技（jì）能去理解知（zhī）識（shí）和解決真實世界的各（gè）種問題，以適應信息化的社會。3D 打印應用（yòng）教學中，以（yǐ）其（qí）獨特的優勢， 可以幫助學生將抽象觀點形象化、腦海的想法實物化、動手的技能高級化，進而幫助學（xué）生實（shí）現創新創造能力（lì）的提升（shēng）。因為使用3D 打印完成某一學習（xí）項目時，一般都是以小組合作的形式進行，通過項目（mù）完成的過程（chéng）， 學生的溝通意識、協作意識和能力也得以增強。同時，在合作探究時需要收集、加工和處理各種信息，以及應用其他的媒體來輔助完成，在這個過程中，學生的信息素養（yǎng）、媒體（tǐ）素養（yǎng）等都會（huì）得以提高。

（二（èr））從單科知識的學習，向跨學科知識融合轉變

沃爾特曾經說過（guò），“人們需要具備跨學科的知識和能力來創造性地將科學、技術（shù）、工程、藝術和數學結合在一起”，這與“21 世紀技能”所提出要培養學生三個方麵技能的觀念是一致的（de），即學生需要將多種知識和技能融合掌握。3D 打印應用於教學（xué）中，能夠實（shí）現教學內容的豐富和跨學科知識的融合，比如上文中提到的羅徹斯特理工學院（yuàn）橋梁結構的案（àn）例中，學習者不（bú）僅需（xū）要掌握工程技（jì）術方麵的（de）知識，還需要（yào）掌握數學、科學方麵的知識，這就（jiù）使得課堂的教學內容更加豐富多樣，而（ér）3D 打印在教學中的應用作為（wéi）一個平台促使這些內（nèi）容進行融合。3D 打印教學創新會使得學生的學習不再僅僅是單一的學科知識，而是將（jiāng）多門學科知識和技能通過相關的教學活動，與學生原有認知結構形成連接，進而轉化為新的認（rèn）知結構，實現多方麵知（zhī）識的（de）增加和技能（néng）的提高。

（三）從單（dān）一的教（jiāo）學方法，向創造多樣化方法轉變

一般的教學（xué）方式（shì）方法較為單一，導致學生（shēng）知（zhī）識和（hé）能（néng）力的提高有限。3D 打印應用於教學中，促使教育教學在方式和模式上（shàng）朝（cháo）著（zhe）多元化（huà）和支（zhī）持學生個性化的趨勢發展。依據（jù）國內外（wài）3D 打印的教學（xué）應用案例，本研究總結歸納出三種應用3D 打印進行創新的教學方法，分別是基於3D 打印的項目教學法、基於3D 打印的任務驅動教學法、基於3D 打印的問題教學法。

基於3D 打印的項目教學法是以項目為（wéi）中心開展學（xué）習活動，利用3D 打印幫助學（xué）生將抽（chōu）象內容具象化，進而幫助學生更好地理解知識、解決問題。如“走向綠色社區”案例就是（shì）采用項目（mù）式教學，在教學過程中3D 打印（yìn）為學生營（yíng）造了一個真實的問題情境，學（xué）生通過形成（chéng）小組，參與到模型的設計、打印、觀察（chá）、評價、改進等活動過程中建構新知和技能。

基於3D 打印的任務驅動（dòng）教學法是學習者在教師的指導和幫助下利用3D 打印完成任務以獲得新知和技能（néng）。學習者（zhě）在完成（chéng）任務的過（guò）程中利用3D 打印可以（yǐ）幫助將一些抽象的（de）或（huò）是難以理解的內容具（jù）象化，進而促進理解（jiě）和完成任務，同時提高學生（shēng）的知識和（hé）技能（néng）。

基於3D 打印的問題教學法（fǎ）是（shì）讓學生帶著問題去思考、去分析、去學（xué）習，使得學生的學習從被動（dòng）接受到主動創造，同時利用3D 打印幫助學習者利用（yòng）具體（tǐ）形象的物件來理解（jiě）和分析問題，或是打印出（chū）一些難以（yǐ）得到的模型以輔助學習。如（rú）3D 打印（yìn）用在骨科教學中，根據課前掌握的教學知識，結（jié）合3D 打印模型去（qù）推（tuī）斷病患的起因、症狀和體征，使得學生可以直觀地學習解剖結構[15]。因此，在3D 打印的教學創新應用中，教學方式將變得更加多元化。

（四）從技術支撐的學習，向（xiàng）技術深度融合的創造性學習轉變

3D 打印應用於教學（xué）中，不僅可以為學生營造有趣的學習情境，而且為學生進（jìn）行（háng）學習探究提供新（xīn）興的技術工具（jù），使得學生可以（yǐ）根據自身需求選擇合適的學習方式（shì）。首（shǒu）先，學生可以使用3D 打印進行自主學習（xí）去解決對自身而言有難度的問題，以提高學生的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（xí）者的合作探究和溝通表達（dá）能力，又能調動學生學習的積極性。最後，學生在學習過（guò）程中會不斷產生各種問題，讓學生基於這些問題去探究（jiū）學習會比教師（shī）的解答效果更好。同時（shí），3D 打印也能幫助學生適當地解決（jué）某些問題，在解決問題的過程中（zhōng），學生的認知水（shuǐ）平、思維能力、探究（jiū）能力都會得到提高。因此，3D 打印的教學（xué）創新將會為學生提供多樣的學習形式，促使學生更好（hǎo）地成長。

（五）從單向的學習（xí）評價，向多維綜合評價轉（zhuǎn）變

3D 打印的創新教學不僅（jǐn）改變了教學方法，創新了（le）學（xué）習方式，而且形成多維綜合的評價機製。首先，基（jī）於3D 打（dǎ）印的創新教學的評價不同於（yú）傳（chuán）統課堂的評價機製，教學過（guò）程中增加了學生與教師互動、與同伴（bàn）合作， 評價主體更加（jiā）多（duō）元（yuán）化。其次，評價的內容是多樣化的，傳（chuán）統的教學評價（jià）隻針對學生知識掌握的狀況（kuàng）進行評價（jià）， 而忽視了知識和能力掌握過程的評價，以及學生如何處理和使（shǐ）用信息的數字素養（yǎng）或者學習的主動性等職（zhí）業技（jì）能的評價。基（jī）於3D 打印創新教學技能既能促使學生進行自主學習，在自主學習過程中（zhōng）發揮其自主（zhǔ）探（tàn）究和學習的能力，而且會（huì）為學生提供合作學習的機會，讓（ràng）學生在合作中提高溝通、表達、協作的能力。最後，不（bú）同於一（yī）般的教學過程，基於3D 打印的創新（xīn）教（jiāo）學的評價是貫穿於整個教與學的過程之中，不僅（jǐn）會對學生作品進行評價，而且會對學生在合作（zuò）、打印（yìn）過（guò）程中的（de）表現給予及時的反饋和評價，更好地促進學生的（de）學（xué）習，同時保證評價結果的合理（lǐ）性。

 

五、結束（shù）語

 

3D 打印的教學應用不僅是新興技術在教學中的（de）運（yùn）用，也（yě）是創新性（xìng）教學的大膽探索[16]。3D 打印的創新性應用（yòng）於教學之中，不僅提高了學生學習的積極性，提高了學生的（de）綜合知識和能力（lì），而且為教師帶來了多元化的教學方式、多（duō）層次的評價方式等。3D 打印與教育教學深度融（róng）合，其實就是技（jì）術與教育教學結合的（de）方式， 但是想將其深入應用於教（jiāo）育教學中，就必須在學科教學的過（guò）程中（zhōng）尋求多樣化的教學方法和（hé）模式，同時在（zài）課程設置和教學設計上建構創新性的模式。隻有不（bú）斷提高3D 打印的創新教學的內容（róng）、方法、模式，才有可能更好地實現其創新教學的（de）目標，為學生的多層次、多方麵、個性化發（fā）展和成長，更好地適應社會的需求（qiú）奠（diàn）定更堅實的基礎。