美國新媒體（tǐ）聯盟發布的《地平線（xiàn）報告（gào）》（The Hori­zon Report）從2013 年起連續三（sān）年提到，3D 打印（3DPrinting）將成為教學（xué）的主要技術，並指出未來2—3 年內3D打印將走進（jìn）教學[1]。隨著（zhe）3D 打印技術（以下簡稱（chēng）3D 打（dǎ）印）的不斷（duàn）普及和（hé）創新（xīn）應用，教師和研究人員對（duì）其關（guān）注日（rì）益（yì）增（zēng）加。因此，本文基於3D 打印的基本特征和國內外教學應用現狀，深入分析國外3D 打印的教學案例，得出3D 打印的（de）教學創新應用的新趨勢。

 

 

一、3D打印與特點

 

3D 打印是利（lì）用塑（sù）料或樹（shù）脂等可粘連的原料進行層層打印形成物件的（de）增材製造技術[2]。它的工作（zuò）原（yuán）理是將3D 打印機與計算機連接，通過設計（jì）輔助軟件（jiàn）進行數字建模，再將數（shù）字信息傳輸給打印機，利用打印機中的絲狀、粉狀或是（shì）液體狀（zhuàng）的材料以逐層堆疊的方式製作出產品。3D 打印技術具（jù）有三個明（míng）顯的特點：第一，因為是通（tōng）過將材料堆積疊加（jiā）形成的，避免了材料的浪（làng）費[3]； 第二，能夠在時間（jiān）短、空間有限的情況下打印出（chū）物件， 提高了加工製造的效率；第三，能夠將人們創意的想法（fǎ）和（hé）設計快速呈現，實現了個性創（chuàng）新製作。

 

二、國內外3D打印教學創新（xīn）應用現狀

 

3D 打印作為一種新興的可視（shì）化的技術和工具，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（jiāo）學中（zhōng）。2013 年，美國製定並且實（shí）施（shī）MEN-TOR 項目，將3D 打印推廣普及至高中（zhōng）教（jiāo）學中，在引起學生對工程設計類課程的興趣的同時提升其綜合知識與能力[4]。2014 年，美國白宮（gōng）舉辦第一次創客嘉年華， 美國總統奧巴馬宣布全美引進3D 打印產業（yè），並強調利用3D 打印推動中小學（xué）的教育變革（gé）[5]。這不僅全麵推動3D 打印在教育教學中的應（yīng）用，而且推動（dòng）STEM 教育的發展，同（tóng）時也為美國的教育帶來（lái）一（yī）股新鮮力量。

英國教育部為在教育（yù）教學中推（tuī）廣和普及（jí）3D 打印並探索其創新教學方式，開展了一年（nián）的實驗探究[6]。想利用3D 打印提升教學效果，培養學生（shēng）創新思（sī）維和能力，教師必須先掌握（wò）3D 打印的相關技能，這樣才能更好地實現教學（xué）創新改革。於是，為上千名中小學教師提供3D 打印的培訓以便更好地幫助學（xué）生獲得知識且提高技能、素養等。隨後，將3D 打印列為（wéi）國家課程，促使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（sī）維。

我國正在逐步開展（zhǎn）3D 打印的教學應用工作。2014年，國務院推出“3D 打印創新教育播種”計劃，意在為學生的創新創造提供良好的氛圍，以培養其（qí）“創客” 精神和提升其（qí）“創客”能力 [7]。2014年，為了加快3D 打印在教（jiāo）育領域的普及，成（chéng）立“中國係統仿真學會3D 教育與裝備專業委員會”[8]。2015 年國家工業和信息化部出台《國家增材製造產業發展推（tuī）進計劃（2015— 2016 年）》，旨在促使3D 打印深入（rù）教學實（shí）踐，進而引發創新（xīn）教學方式的產生[9]。同時，許多省市也在積極開展3D 打印的創新教學。如南京馬府街小學開展3D 打印的創新（xīn）教學的係統研究[10]；北（běi）京（jīng）朝陽區實驗（yàn）小學引入3D 打印，助力課程整合和課程改革（gé）[11]。國內3D 打印的教學應用的步伐正在加快，但不可否（fǒu）認的是，雖然部分地區已經應用3D 打印開（kāi）展（zhǎn）教學，可由於（yú）缺乏一定的理論指（zhǐ）導和實踐經驗，還未能實現利用3D 打印進行的創新性教學。

 

 

三、3D 打印教學創新應用案例分析

 

目前很多發達國家在（zài）K-12、高等教育（yù）中已經開展3D打印的教學實踐。本研究將以美國賓夕法尼亞州州立學院學區中小學的（de）“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（lì）進一步分析3D 打（dǎ）印的教學創新應用情況。

（一（yī））“走向綠色社區”學習活動項（xiàng）目

賓夕法尼亞州州立學院學區的中（zhōng）小（xiǎo）學教師Ron（羅恩）和Michelle（米歇（xiē）爾）頗具創新（xīn）地將八年級的學生和一（yī）年級（jí）的學生劃分（fèn）為同一小組，利（lì）用3D打印合作完成主題為“走向綠色社區”的學習活（huó）動[12]。

具體教學過（guò）程是這（zhè）樣的（如圖1 所示）：首先， 一年（nián）級學（xué）生在八年級學生的指導和幫助下（xià）繪出家居草圖；然後，小組進行頭腦風暴，評估並修改草圖，記錄問題，以便後期（qī）繼續修改；接著，教師組織學生分享設計圖，小組間進行交流（liú），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八年級學（xué）生的帶（dài）領（lǐng）下進行3D 建模。再次，利用3D打印機得到相（xiàng）關物件， 小組討論（lùn）不斷修改進而完善設計。最後，小（xiǎo）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（yìn）在“走進綠色（sè）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，快速生成模型， 獲（huò）得（dé）直觀感（gǎn）受，節約時（shí）間和成本；第二（èr），激發學生興趣， 3D 打印將學習者設計的（de）想法轉變為實物，學習者通過實物學習能（néng）更快（kuài）更好地發現不足，不斷修改和完善。

 

 

 

（二）力學橋梁結構分析的（de）案例（lì）

羅徹斯特理（lǐ）工學院（RIT）的教師KyleManchester （凱爾·曼（màn）徹斯特）在他所（suǒ）教授的力學課（kè）程中講授（shòu）橋梁結構受力時，利用3D 打印機打印（yìn）出實（shí）物[13]。他的（de）教學過程是（shì）這樣（yàng）的（如圖2 所示）：首先，教（jiāo）師布置任務，小組合作建立一個具有（yǒu）桁架的非金（jīn）屬材料的橋；接著， 學（xué）生通過CAD 設計軟件畫（huà）橋，再使用3D 打印機打印出各個部分並進行組裝；然後，學生進行試驗，遇到問題利（lì）用互聯網或是通過（guò）和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（chóng）測試，大家分享（xiǎng）經驗並獲得橋梁（liáng）結構（gòu）的分析和設計（jì）能（néng）力（lì），同（tóng）時可以進行學生互評和教師評價。

 

 

 

其教（jiāo）學創新之處在於：第一（yī），3D 打印為工程（chéng）課程的教學提（tí）供了切入點，使學生的想（xiǎng）象和創意得以實現。課程中利用（yòng）模型試驗承重，來（lái）檢驗學生設計的橋梁結構是否科學穩定（dìng），將學生的設計與（yǔ）效果建立起聯係，促使學生增強對工程設計（jì）的興趣。第二，提高學習者的綜合能力，課（kè）程學習中（zhōng），從橋梁結構的設計、打印、分析到修改等過程都要學生參與完成，學生的綜合知識和能力得到提高。

從上述（shù）案例中（zhōng）可以發現3D 打印（yìn）在創新教學中發揮著重要作（zuò）用，不僅為學生營造真實的問題情（qíng）境、激發學生學習的（de）積極性（xìng），而且為學生提供創造實踐的平台和空間，使得學生創（chuàng）新、實踐（jiàn）能力得到培養。

 

四、3D 打印教學創新應用的新趨勢

 

隨著3D 打（dǎ）印的不（bú）斷發展，其（qí）在（zài）教育教學中的應用也不斷增加。從（cóng）上述的案例中可以發現，3D 打印教學創新應用會有（yǒu）以下發展趨勢（shì）。

（一）從簡單（dān）的學（xué）習目標，向培養“21 世紀技（jì）能”轉變

“互聯網+ 教育”的教育（yù）形態使得知識的獲取變得更加（jiā）容易，更新（xīn）的速度也不斷加快（kuài）。為適應21 世紀的學習和生活，學校（xiào）的教（jiāo）育教學不僅要促使學生掌握理論知識，還需要以培養學生的“21 世紀技能”為目標， 讓學生在學習與創新方麵、數字素養方麵、職業和生活技能方麵[14] 都有所提升，以便其能更好（hǎo）地運用這些技能去理解知識和解決真實世界的各種問題，以適（shì）應信息化（huà）的社會。3D 打印應用教學中（zhōng），以（yǐ）其獨（dú）特的優勢， 可以幫助學生（shēng）將抽象觀點形象化、腦海的想（xiǎng）法實物化、動手的技能（néng）高級化（huà），進而幫助學（xué）生實現創新創造能力的提升。因為使用3D 打印完成某一學習項（xiàng）目時，一般都是以小組合作的（de）形式進行，通過項目完成的過程， 學生的溝通意識、協作意識和能（néng）力（lì）也得以增強。同時，在合（hé）作探究時需要收集（jí）、加工和（hé）處理（lǐ）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（xìn）息素養（yǎng）、媒體（tǐ）素養等都會得以提高。

（二）從單（dān）科知（zhī）識的學習，向跨學科知識融合轉變

沃爾特（tè）曾經（jīng）說過，“人們需要具備（bèi）跨學科的知識和能力來（lái）創造性地將科學、技術、工程（chéng）、藝（yì）術和數學結合在一起”，這與（yǔ）“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，即（jí）學生需要將多種知識和技能融合掌（zhǎng）握。3D 打印應用於教學中，能夠實現教學內容的豐富和跨學科知識的融合，比如上（shàng）文（wén）中提到的羅徹斯（sī）特理工學院橋梁結構的案例中，學習者不僅需（xū）要掌握工程技術方麵的知識，還需要掌握數（shù）學、科學（xué）方麵的知識，這就使得課堂的教學內容更加豐富多樣，而3D 打印在教學中的應用（yòng）作為一個（gè）平台促使這些內容進行融合。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，而是將多門學科知識和技能（néng）通過相關的教學活動，與學（xué）生原有（yǒu）認（rèn）知結構（gòu）形成連接，進而轉化為新的認知結構，實現多方麵知（zhī）識的增加和技能的提高。

（三（sān））從單（dān）一的教學方法，向創（chuàng）造多樣化方法轉變（biàn）

一般的（de）教學方式方（fāng）法較為單（dān）一（yī），導致學生知識和能力的提高有限。3D 打（dǎ）印應用於教學（xué）中，促使教育教學在方式和模式上（shàng）朝著多元化和支持學生個（gè）性化的趨勢發展。依據國內外3D 打印的教學應用案例，本（běn）研究總結歸納出三種應（yīng）用3D 打印進行創新的教學方法，分別是基於3D 打（dǎ）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（tí）教學法。

基於3D 打印（yìn）的項目教學法是以項目為中心開展學（xué）習活動，利用3D 打印幫助學生將抽象內容具象化，進而幫助學生更好地理解知識、解決問題。如“走向綠色社區”案例就是采用項目式教學，在教學過程中3D 打印為學生營（yíng）造（zào）了一個真實的問題情境，學生通過形成小（xiǎo）組，參與到模型（xíng）的設計、打印、觀察、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（wù）驅動教學法是學習者在教師的（de）指導和幫助下利用3D 打印完（wán）成任務以獲得新知和技能。學習者在完成任務的過程中（zhōng）利用3D 打印可（kě）以幫助將一些抽象的（de）或是難以理解的內容具象（xiàng）化，進而促進（jìn）理（lǐ）解和（hé）完成任務，同時提高學生（shēng）的知識和技能。

基（jī）於3D 打印的問題教學法是讓學生帶著問題去思考、去分析、去學習，使得學生的學習從被動接受到主動創造，同時利用3D 打印幫助（zhù）學習者利用具體形象的物件來理解和分析問題，或是打（dǎ）印出（chū）一些難以得到的模型以輔助學習。如3D 打印用在骨科教學中，根據課前掌握的教學知識，結合3D 打印模（mó）型去推斷病患的起因、症狀和體征，使得學（xué）生可以直觀地學習（xí）解剖（pōu）結構[15]。因此，在3D 打印的教學（xué）創新應用（yòng）中，教學方式將變得更加多元化。

（四（sì））從技術支撐的學（xué）習，向技術深度（dù）融合的（de）創造（zào）性學習轉變

3D 打印應用於教學中，不僅（jǐn）可以為學生（shēng）營（yíng）造有趣的學習情境，而（ér）且（qiě）為學生進行學習探究提供新興的技術工具，使得學（xué）生可以根據自身需求選擇合（hé）適的學習方式（shì）。首先，學生可以（yǐ）使用3D 打印進行自主學習去解決對自身而言有難度的問題，以提高學（xué）生的學習能力和問題解（jiě）決能力。其次，學（xué）習者可以以（yǐ）小組合作方式進（jìn）行協商、討論，通過（guò）合作的方式既能提高學習者的合作探（tàn）究和溝通表達能力，又能調動學生學習的積極性。最後，學生在學習過程中會不斷產生各（gè）種問題，讓學（xué）生基（jī）於這些問題去探究學習會比教師的解答效果更好。同時，3D 打印也能幫（bāng）助（zhù）學生適當地解決某些問題，在解決問題的過程（chéng）中，學生（shēng）的認（rèn）知水平、思（sī）維能（néng）力（lì）、探究能力都會得到提高。因此，3D 打印的（de）教學創新將會為學生提供多樣的學習形式，促使學生更好地成長。

（五）從單向的學習評價，向多維綜合評價轉變

3D 打印的創（chuàng）新教學不僅（jǐn）改變了教（jiāo）學方法，創新了學習方式，而且形成多維（wéi）綜（zōng）合的評價機製。首（shǒu）先，基於3D 打印（yìn）的創新教學的評價不同於傳統課（kè）堂的評價機製，教（jiāo）學過程（chéng）中增加了（le）學（xué）生與教師互動（dòng）、與同伴合作， 評價主體更加多元化。其次，評價的內容是多樣化（huà）的，傳統的教學（xué）評價隻針對學生知識掌握的狀況進行評價（jià）， 而忽視了知識和能力（lì）掌握過程的評價，以（yǐ）及學生（shēng）如何處理和使用信（xìn）息的數字素養（yǎng）或者學習的主動性等職業（yè）技能的評價。基於3D 打印創（chuàng）新教學（xué）技（jì）能既能（néng）促使（shǐ）學生進行自主學習，在自主學（xué）習過程中發揮其自（zì）主探究和學習（xí）的能力，而且會為學生（shēng）提供合作學習的機會，讓學生在合作中提高溝通、表達（dá）、協作的能力。最後，不同於一般的教學過程，基於3D 打印的創新教學的評價是貫穿（chuān）於整個教與學的過程之中，不僅會對學生作品進行評價，而且會對學生在合作、打印過程中的表現給予及時的反饋和評價（jià），更好地促進學生的學習，同時保證評價結果的合理性（xìng）。

 

五、結束語

 

3D 打印的教（jiāo）學應用不僅是新（xīn）興技術在教學中的運用，也是創新性教學的大膽（dǎn）探索[16]。3D 打（dǎ）印的創新（xīn）性應用（yòng）於教學之中，不僅提高了學生學習（xí）的積極性（xìng），提（tí）高了學生的綜合知（zhī）識和能力（lì），而且為教師帶來了多元（yuán）化（huà）的教學方式、多層次（cì）的評價方式等。3D 打印與教（jiāo）育教學深度（dù）融合，其實就是技術與教育教學結合的（de）方（fāng）式， 但（dàn）是想將其深入應用於（yú）教育教學中，就必須在學科教學的過程中尋求多樣化的教學方法和（hé）模式，同（tóng）時在課程設置和教學設計上建構創新性的模式。隻（zhī）有（yǒu）不斷提高3D 打印的創新教學（xué）的（de）內容、方法、模式，才有可能更（gèng）好地實現（xiàn）其創新教學的目標，為學生的多層次、多方麵、個性化發展和（hé）成（chéng）長，更好地適應社會的需（xū）求奠定更堅實的基礎。