D打印技術(shù)在中小學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

1、 3D打印技術(shù)在中小學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用 以英國(guó)中小學(xué)課堂引進(jìn)3D打印技術(shù)項(xiàng)目為例作者簡(jiǎn)介：李柯影，東北師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院碩士研究生，研究方向?yàn)楝F(xiàn)代遠(yuǎn)程教育，Email:liky086；鄭燕林，東北師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院（吉林 長(zhǎng)春 130117）。內(nèi)容提要：3D打印技術(shù)基于“設(shè)計(jì)即生產(chǎn)”的基本理念，通過(guò)支持學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中的深度體驗(yàn)與參與發(fā)展學(xué)生的創(chuàng)造性思維和跨學(xué)科思維，同時(shí)也有助于提升學(xué)生的實(shí)踐能力。該文主要分析英國(guó)中小學(xué)在學(xué)科教學(xué)中引入3D打印技術(shù)的目標(biāo)指向、應(yīng)用方式，并分析影響3D打印技術(shù)在學(xué)科教學(xué)中有效應(yīng)用的相關(guān)因素，為探索教師在學(xué)科教學(xué)中適當(dāng)應(yīng)用3D打印技術(shù)提供參

2、考。關(guān) 鍵 詞：英國(guó) 3D打印技術(shù) 學(xué)科教學(xué) 創(chuàng)新設(shè)計(jì) 體驗(yàn)式學(xué)習(xí)3D打印技術(shù)以計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)軟件生成的或通過(guò)實(shí)體掃描設(shè)備掃描實(shí)物所獲得的數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過(guò)“積層造型法”逐層打印材料層創(chuàng)建物體，主要用于原型設(shè)計(jì)以及組件或產(chǎn)品的制造12。3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)了“設(shè)計(jì)即生產(chǎn)”的創(chuàng)想，具有快速生成的特點(diǎn)，不但能夠?qū)崿F(xiàn)從零件設(shè)計(jì)到整體設(shè)計(jì)的跨越，而且所“打印”的產(chǎn)品，較之傳統(tǒng)方法所生產(chǎn)的產(chǎn)品具有更強(qiáng)的穩(wěn)固性、更精密的結(jié)構(gòu)，支持更有創(chuàng)意的設(shè)計(jì)與生成，因此近年來(lái)在機(jī)械制造、生物醫(yī)藥、建筑設(shè)計(jì)、藝術(shù)創(chuàng)造等多個(gè)領(lǐng)域受到越來(lái)越多的關(guān)注3。雖然3D打印技術(shù)在上述多個(gè)領(lǐng)

3、域的應(yīng)用受到關(guān)注，但目前針對(duì)3D打印技術(shù)在基礎(chǔ)教育領(lǐng)域深入應(yīng)用的系統(tǒng)研究相對(duì)較少。英國(guó)教育部及相關(guān)組織機(jī)構(gòu)于2012-2013年實(shí)施了為期一年的探究3D打印技術(shù)在學(xué)科教學(xué)創(chuàng)新中的應(yīng)用，該項(xiàng)目不僅取得了實(shí)質(zhì)性教學(xué)應(yīng)用成果，而且推動(dòng)了3D打印技術(shù)在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用，為更多學(xué)校引進(jìn)3D打印技術(shù)，變革教與學(xué)的模式起到示范與引領(lǐng)作用。本文結(jié)合英國(guó)3D打印技術(shù)教學(xué)應(yīng)用案例，深入分析3D打印技術(shù)在英國(guó)中小學(xué)教學(xué)中應(yīng)用的目標(biāo)指向、應(yīng)用效果及影響因素，探究3D打印技術(shù)在教學(xué)應(yīng)用推廣時(shí)需要注意的問(wèn)題，希望為學(xué)校教育引入3D打印技術(shù)提供一定的參考。一、3D打印技術(shù)在英國(guó)中小學(xué)教學(xué)中應(yīng)用的目標(biāo)指向1.指向提升學(xué)生的學(xué)

4、習(xí)主動(dòng)性、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維基于對(duì)3D打印技術(shù)本身特性的把握，發(fā)現(xiàn)該技術(shù)可以作為動(dòng)力激發(fā)工具和支持創(chuàng)新設(shè)計(jì)的技術(shù)工具應(yīng)用到教學(xué)活動(dòng)中，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性的提高和學(xué)生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。一方面，3D打印技術(shù)本身的功能特性以及對(duì)學(xué)習(xí)活動(dòng)的支持作用決定了其作為技術(shù)支持工具對(duì)提升學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性有積極影響。首先，3D打印技術(shù)作為一種新型技術(shù)，其新穎性更加容易引起學(xué)生參與基于該技術(shù)的學(xué)習(xí)活動(dòng)的好奇心和興趣，激發(fā)他們主動(dòng)參與學(xué)習(xí)活動(dòng)的動(dòng)機(jī)。其次，3D打印技術(shù)的獨(dú)特功能快速打印模型或?qū)嵨?，支持并激?lì)學(xué)生主動(dòng)參與打印活動(dòng)。學(xué)生可以利用3D打印機(jī)將自己的創(chuàng)新設(shè)計(jì)或想法以可視化方式呈現(xiàn)給教師和其他學(xué)習(xí)者，由此獲得的成就

5、感，不僅會(huì)促使學(xué)生更加積極主動(dòng)地參與學(xué)習(xí)活動(dòng)，而且會(huì)激勵(lì)他們主動(dòng)參與創(chuàng)新設(shè)計(jì)。第三，3D打印技術(shù)支持的學(xué)習(xí)活動(dòng)有助于體現(xiàn)學(xué)生作為學(xué)習(xí)活動(dòng)主體主動(dòng)參與學(xué)習(xí)的重要性和價(jià)值，進(jìn)而促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)參與學(xué)習(xí)活動(dòng)?；?D打印技術(shù)的學(xué)習(xí)任務(wù)，需要學(xué)生主動(dòng)分析打印任務(wù)、參與計(jì)劃與決策、參與創(chuàng)新設(shè)計(jì)原型，這種主體意識(shí)和被需要的感覺(jué)讓學(xué)生意識(shí)到自己在學(xué)習(xí)過(guò)程中的重要性和價(jià)值，促使學(xué)生更加主動(dòng)地參與到打印活動(dòng)中。另一方面，為保證學(xué)生主動(dòng)參與并有效進(jìn)行學(xué)習(xí)活動(dòng)，英國(guó)教育研究者認(rèn)為在3D打印技術(shù)快速打印實(shí)物功能的支持下，學(xué)生可以將時(shí)間和精力集中在創(chuàng)新設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，有助于創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。創(chuàng)新啟于格物致知，創(chuàng)新思維啟于透徹地分析

6、打印任務(wù)和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，是進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)、打印出創(chuàng)新性個(gè)性化作品的基礎(chǔ)和源泉。學(xué)生通過(guò)主動(dòng)參與創(chuàng)新設(shè)計(jì)、全面細(xì)致地分析打印任務(wù)，充分發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力，最終打印出個(gè)性化的作品。2.指向探索新的教學(xué)方法英國(guó)3D打印技術(shù)在學(xué)科教學(xué)中的應(yīng)用項(xiàng)目是在“人類可以通過(guò)制造和分享過(guò)程產(chǎn)生學(xué)習(xí)”理念指導(dǎo)下開(kāi)展的學(xué)科教學(xué)創(chuàng)新探索項(xiàng)目4。該理念的核心是“制造”和“分享”，強(qiáng)調(diào)在真實(shí)情境中通過(guò)體驗(yàn)式學(xué)習(xí)與探究式學(xué)習(xí)是獲得知識(shí)并實(shí)現(xiàn)學(xué)以致用的有效方式。所以，教師借助3D打印技術(shù)可以為學(xué)生創(chuàng)建“體驗(yàn)式學(xué)習(xí)中心”，這同時(shí)也是一個(gè)知識(shí)運(yùn)用空間，學(xué)生需要主動(dòng)參與到真實(shí)的實(shí)踐活動(dòng)中，并通過(guò)親自動(dòng)手操作獲得直接的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，提高解

7、決問(wèn)題的知識(shí)與技能水平。在3D打印技術(shù)支持下的體驗(yàn)式學(xué)習(xí)中心從學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)方式上都有所突破?！绑w驗(yàn)式學(xué)習(xí)中心”的學(xué)習(xí)內(nèi)容可以是一個(gè)專題的探究學(xué)習(xí)，也可以是單一知識(shí)或問(wèn)題的學(xué)習(xí)與探究，還可以僅是一個(gè)創(chuàng)意的實(shí)現(xiàn)，甚至是這三者的交叉融合。在專題探究學(xué)習(xí)活動(dòng)中，教師需要給學(xué)生提供一個(gè)主題及其設(shè)計(jì)綱要，并期望學(xué)生能對(duì)該設(shè)計(jì)做出自己的選擇，主動(dòng)地進(jìn)行學(xué)習(xí)和探究。學(xué)生在專注于研究主題的同時(shí)，會(huì)自然地將3D打印機(jī)作為學(xué)習(xí)或探究?jī)?nèi)容的一部分。針對(duì)后兩種學(xué)習(xí)內(nèi)容，學(xué)生可以利用3D打印機(jī)將一個(gè)想法變成現(xiàn)實(shí)，將一個(gè)知識(shí)或問(wèn)題以可視的打印作品呈現(xiàn)，有助于個(gè)性化和創(chuàng)新思維的發(fā)展。例如，沃特福德男子文法學(xué)校(Watfor

8、d Grammar School for Boys)的學(xué)生打印出各種代數(shù)方程的3D圖形5?！绑w驗(yàn)式學(xué)習(xí)中心”的學(xué)習(xí)方式可以是協(xié)作學(xué)習(xí)，也可以是自主學(xué)習(xí)，前者是實(shí)現(xiàn)“共享”理念的有效方式，而后者在實(shí)踐中已經(jīng)證實(shí)了3D打印技術(shù)對(duì)學(xué)生個(gè)性化學(xué)習(xí)起著重要的支持作用。在2012-2013年英國(guó)3D打印技術(shù)走進(jìn)校園項(xiàng)目研究中發(fā)現(xiàn)：基于3D打印技術(shù)的自主學(xué)習(xí)能改善學(xué)習(xí)效果并伴隨產(chǎn)生其他更廣泛的利益。例如在物理和數(shù)學(xué)學(xué)科教學(xué)中，教師非常希望能成功地使用打印機(jī)來(lái)促進(jìn)學(xué)生思考、推理和理解學(xué)科教學(xué)知識(shí)，并且開(kāi)展學(xué)生為主導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)。這種自主學(xué)習(xí)方式更大程度地將學(xué)習(xí)的主動(dòng)權(quán)交付學(xué)生，讓學(xué)生在3D打印技術(shù)支持下進(jìn)行自主學(xué)習(xí)

9、，將知識(shí)學(xué)以致用。這種突破性的新教學(xué)方法，不僅有利于學(xué)生個(gè)性化發(fā)展，而且有助于學(xué)生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。通過(guò)身臨其境地制造和分享所產(chǎn)生的學(xué)習(xí)行為，對(duì)學(xué)習(xí)或知識(shí)獲得具有實(shí)際效益，而且3D打印技術(shù)是為教師和學(xué)生提供體驗(yàn)式學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)、為學(xué)生創(chuàng)建知識(shí)運(yùn)用空間的重要支撐技術(shù)。體驗(yàn)式學(xué)習(xí)讓學(xué)生更容易理解知識(shí)的內(nèi)涵，在實(shí)踐中有效應(yīng)用知識(shí)是強(qiáng)化知識(shí)、體現(xiàn)知識(shí)的價(jià)值。這種新的教學(xué)方法，有利于促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)參與學(xué)習(xí)與探究活動(dòng)，培養(yǎng)學(xué)生的協(xié)作意識(shí)以及發(fā)展學(xué)生的創(chuàng)新思維和自主學(xué)習(xí)能力。二、3D打印技術(shù)在英國(guó)中小學(xué)不同學(xué)科教學(xué)中的應(yīng)用3D打印技術(shù)在英國(guó)中小學(xué)不同學(xué)科教學(xué)中的應(yīng)用，多角度展示3D打印技術(shù)在促進(jìn)學(xué)科教與學(xué)的功能的優(yōu)勢(shì)

10、和應(yīng)用方式，為優(yōu)化技術(shù)與學(xué)科知識(shí)的整合提供可借鑒的觀點(diǎn)與方法，為實(shí)現(xiàn)學(xué)科教學(xué)目標(biāo)以及突破學(xué)科教學(xué)難點(diǎn)提供策略。筆者基于對(duì)3D打印技術(shù)功能性特點(diǎn)和學(xué)科教學(xué)目標(biāo)、特點(diǎn)等的考慮，總結(jié)出3D打印技術(shù)在學(xué)科教學(xué)中應(yīng)用的分析框架(如圖1所示)。1.在“科學(xué)”學(xué)科教學(xué)中的應(yīng)用“科學(xué)”學(xué)科的教學(xué)內(nèi)容涉及生物、化學(xué)和物理三方面的知識(shí)，其教學(xué)目標(biāo)是通過(guò)學(xué)習(xí)與探索生物、化學(xué)和物理的基礎(chǔ)知識(shí)，發(fā)展學(xué)生對(duì)科學(xué)本質(zhì)、過(guò)程和方法的理解力，并通過(guò)不同形式的科學(xué)調(diào)查，幫助他們回答現(xiàn)實(shí)生活中的科學(xué)問(wèn)題，提高科學(xué)素養(yǎng)6?；趯?duì)3D打印技術(shù)功能特性與“科學(xué)”學(xué)科教學(xué)目標(biāo)及特點(diǎn)的關(guān)聯(lián)與分析，發(fā)現(xiàn)該技術(shù)可以觀摩和協(xié)助探究?jī)煞N方式促進(jìn)學(xué)科

11、教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。首先，3D打印技術(shù)支持學(xué)生通過(guò)觀摩教師利用3D打印機(jī)打印的模型來(lái)獲得相關(guān)知識(shí)內(nèi)容，有助于發(fā)展他們的觀察能力、分析能力以及理解力。比如“科學(xué)”學(xué)科教師可以利用3D打印機(jī)打印眼球模型，幫助學(xué)生理解有關(guān)眼球構(gòu)造、功能等知識(shí)。其次，3D打印技術(shù)支持學(xué)生在教師協(xié)助下主動(dòng)構(gòu)建3D模型，并對(duì)相關(guān)知識(shí)進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，提升他們探究事物本質(zhì)、規(guī)律的能力。如“科學(xué)”學(xué)科教師可以組織學(xué)生在3D打印技術(shù)環(huán)境下討論塑料的性能，也可以利用3D打印機(jī)協(xié)助學(xué)生構(gòu)建分子、細(xì)胞甚至正弦波等模型7，學(xué)生在構(gòu)建過(guò)程中可以通過(guò)研究這些數(shù)字模型文件的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行深度學(xué)習(xí)與探究，最終獲得相關(guān)知識(shí)。當(dāng)然，在項(xiàng)目中該學(xué)科的打印活動(dòng)

12、大部分依靠如Thingiverse等提供設(shè)計(jì)文件網(wǎng)站所共享的3D模型源數(shù)字文件。3D打印技術(shù)通過(guò)提供觀摩與協(xié)助構(gòu)建這兩種技術(shù)使用方式，為學(xué)生在“科學(xué)”學(xué)科學(xué)習(xí)中營(yíng)造體驗(yàn)式的學(xué)習(xí)空間，促使學(xué)生獲得更加直接的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。學(xué)生通過(guò)主動(dòng)進(jìn)入該學(xué)習(xí)空間，獲取空間中所展示和隱藏的知識(shí)，探究事物本質(zhì)、過(guò)程和變化規(guī)律等，提高科學(xué)理解力、探究能力以及科學(xué)素養(yǎng)。觀摩與協(xié)助構(gòu)建體現(xiàn)了3D打印技術(shù)作為教學(xué)工具與學(xué)習(xí)工具應(yīng)用到“科學(xué)”學(xué)科教學(xué)中的功能優(yōu)勢(shì)，對(duì)拓展教學(xué)工具的廣度、挖掘教學(xué)工具深層內(nèi)涵有重要意義。2.在“數(shù)學(xué)”學(xué)科教學(xué)中的應(yīng)用中小學(xué)“數(shù)學(xué)”學(xué)科的培養(yǎng)目標(biāo)是通過(guò)頻繁的計(jì)算、推理、演示等教學(xué)活動(dòng)，促進(jìn)學(xué)生對(duì)數(shù)學(xué)基

13、本概念和原理的理解和應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生推理能力和問(wèn)題解決能力8?！皵?shù)學(xué)”學(xué)科的教學(xué)難點(diǎn)是將抽象的數(shù)學(xué)概念或規(guī)律以簡(jiǎn)單可視化方式呈現(xiàn)給學(xué)生，促進(jìn)學(xué)生理解和掌握。基于對(duì)3D打印技術(shù)功能特性與“數(shù)學(xué)”學(xué)科教學(xué)目標(biāo)、特點(diǎn)及難點(diǎn)的關(guān)聯(lián)與分析，發(fā)現(xiàn)該技術(shù)可以通過(guò)演示和協(xié)同構(gòu)建兩種方式幫助突破數(shù)學(xué)學(xué)科教學(xué)難點(diǎn)，促進(jìn)教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。一方面，3D打印技術(shù)為教師演示數(shù)學(xué)抽象概念或規(guī)律形成過(guò)程提供技術(shù)支持。比如立體幾何中關(guān)于畢達(dá)哥拉斯定理(勾股定理)和三角法的教學(xué)，一般停留在平面演示、想象、計(jì)算、推理的層面，但在3D打印技術(shù)支持下，教師可以利用3D打印機(jī)輕松簡(jiǎn)單地構(gòu)建立體幾何體，使該定理的推理演示過(guò)程更加直接地呈現(xiàn)給學(xué)

14、生，促進(jìn)學(xué)生從形象的實(shí)物和過(guò)程演示、推理中理解并掌握數(shù)學(xué)抽象概念和知識(shí)，而且有助于提升學(xué)生的立體空間感。另一方面，3D打印技術(shù)支持學(xué)生協(xié)同構(gòu)建或探究數(shù)學(xué)規(guī)律。例如，沃特福德男子文法學(xué)校(Watford Grammar School for Boys)六年級(jí)組教師和學(xué)生協(xié)同研究與拋射體速度、高度和距離相關(guān)的微積分9。首先，他們利用3D打印機(jī)產(chǎn)生一個(gè)支持內(nèi)部彈射器的聯(lián)結(jié)，然后再利用3D打印機(jī)為這個(gè)項(xiàng)目生產(chǎn)一系列的拋射體。在實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可以通過(guò)立體多角度的觀察物體運(yùn)動(dòng)與變化規(guī)律，促進(jìn)他們對(duì)微積分知識(shí)的深度理解和掌握。此外，該校學(xué)生還打印出各種代數(shù)方程的3D圖形，幫助理解代數(shù)方程的內(nèi)涵。3D打印技術(shù)通

15、過(guò)演示和協(xié)同構(gòu)建兩種技術(shù)使用方式，為學(xué)生理解和掌握數(shù)學(xué)抽象概念，探究數(shù)學(xué)規(guī)律提供了可靠的技術(shù)支持。同樣，教師可以借助3D打印機(jī)以立體簡(jiǎn)易化方式呈現(xiàn)數(shù)學(xué)概念或規(guī)律，有助于提升學(xué)生對(duì)抽象知識(shí)的理解度和掌握度。演示與協(xié)同構(gòu)建體現(xiàn)了3D打印技術(shù)在“數(shù)學(xué)”學(xué)科教學(xué)中的應(yīng)用對(duì)拓展教學(xué)工具深度的意義。第一，在知識(shí)展示方面。以往的學(xué)習(xí)內(nèi)容大多基于二維平面進(jìn)行展示，除非一些需要學(xué)生親自操作的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，否則都是依靠想象、理解或死記硬背的方式來(lái)獲取知識(shí)。利用3D打印技術(shù)可以將概念和知識(shí)立體化、具體化、可視化，幫助學(xué)生擺脫對(duì)抽象概念和知識(shí)的空想，促進(jìn)他們?nèi)胬斫庵R(shí)并激發(fā)他們的求知欲。第二，在知識(shí)實(shí)踐方面，3D打印技

16、術(shù)支持學(xué)生的創(chuàng)造活動(dòng)，并能快速物化設(shè)計(jì)，既促進(jìn)了學(xué)生主動(dòng)參與學(xué)習(xí)活動(dòng)，也有助于學(xué)生將理論知識(shí)與實(shí)踐相聯(lián)系。3.在“設(shè)計(jì)與技術(shù)”學(xué)科教學(xué)中的應(yīng)用“設(shè)計(jì)與技術(shù)”學(xué)科是一門(mén)具有啟發(fā)性、嚴(yán)謹(jǐn)性和實(shí)用性特點(diǎn)的學(xué)科，更是一門(mén)綜合性學(xué)科。該學(xué)科的教學(xué)培養(yǎng)目標(biāo)是通過(guò)組織和引導(dǎo)學(xué)生使用創(chuàng)造力和想象力設(shè)計(jì)并制造出能夠解決各種情境下的現(xiàn)實(shí)及相關(guān)問(wèn)題的產(chǎn)品，同時(shí)也考慮產(chǎn)品使用者的需求、愿望以及價(jià)值觀；通過(guò)支持學(xué)生獨(dú)立完成簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)與制造工作，提升其參與“設(shè)計(jì)與技術(shù)”學(xué)習(xí)活動(dòng)的自信心，促進(jìn)創(chuàng)造性專業(yè)技能的獲得；通過(guò)批判、評(píng)估和測(cè)試他們的想法或產(chǎn)品，理解和應(yīng)用相關(guān)項(xiàng)目學(xué)習(xí)事項(xiàng)、技能和流程10。基于對(duì)3D打印技術(shù)功能特性和

17、“設(shè)計(jì)與技術(shù)”學(xué)科教學(xué)目標(biāo)和特點(diǎn)的關(guān)聯(lián)與分析，發(fā)現(xiàn)該技術(shù)可以通過(guò)創(chuàng)造與設(shè)計(jì)促進(jìn)教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)以及跨學(xué)科知識(shí)的融會(huì)貫通。第一，3D打印技術(shù)為教師和學(xué)生發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力等創(chuàng)造性活動(dòng)提供便捷性的技術(shù)支持。師生利用CAD等計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件充分發(fā)揮想象、聯(lián)想能力設(shè)計(jì)出3D立體數(shù)字模型，再使用3D打印機(jī)將模型實(shí)體化。第二，該技術(shù)為師生制造實(shí)用性產(chǎn)品提供技術(shù)保證。由于該學(xué)科特別注重產(chǎn)品的實(shí)用性，所以3D打印技術(shù)支持的教學(xué)活動(dòng)不僅需要學(xué)生系統(tǒng)地考慮、細(xì)致地分析打印任務(wù)，并通過(guò)迭代完善工作創(chuàng)造出實(shí)用性強(qiáng)且質(zhì)優(yōu)的產(chǎn)品，而且要盡量節(jié)省生產(chǎn)原材料、保證高精度和高堅(jiān)固性，為實(shí)際實(shí)施提供質(zhì)量保障。比如在橋梁工程學(xué)教學(xué)

18、中，學(xué)生可以利用3D打印機(jī)打印出橋梁模型，通過(guò)力學(xué)測(cè)試來(lái)及時(shí)發(fā)現(xiàn)并改進(jìn)橋梁穩(wěn)固性、規(guī)模等問(wèn)題，為實(shí)際施工做足準(zhǔn)備。第三，該技術(shù)為跨學(xué)科知識(shí)的綜合運(yùn)用提供橋梁。例如在Cramlington學(xué)習(xí)村莊11，學(xué)生在學(xué)習(xí)工程課程時(shí)，除了需要學(xué)習(xí)生產(chǎn)技能相關(guān)知識(shí)外，還包括物理、數(shù)學(xué)等方面的知識(shí)。比如學(xué)生在創(chuàng)造和生產(chǎn)椅子的過(guò)程中，首先需要考慮椅子的平衡性，防止打印過(guò)程中出現(xiàn)斜倒、扭曲的狀況；其次要考慮椅子的承重力，防止先打印出來(lái)的部分被后打印的部分壓擠變形；最后還需通過(guò)成本評(píng)估確保物有所值?？梢钥闯鲞@個(gè)過(guò)程不僅涉及有關(guān)生產(chǎn)過(guò)程的技術(shù)知識(shí)，而且涉及有關(guān)于椅子的穩(wěn)定性、承受力以及平衡性等物理知識(shí)，還涉及用三角法

19、來(lái)計(jì)算椅子的后視角、用軟件繪制坐標(biāo)等數(shù)學(xué)和軟件操作知識(shí)。3D打印技術(shù)通過(guò)創(chuàng)造與設(shè)計(jì)這兩種技術(shù)使用方式為學(xué)生獲得并應(yīng)用知識(shí)提供可靠、便捷的技術(shù)支持，實(shí)踐了“設(shè)計(jì)是重點(diǎn)，生產(chǎn)不是問(wèn)題”的新思想，在提升學(xué)生分析、設(shè)計(jì)、評(píng)估、實(shí)踐和創(chuàng)造能力,促進(jìn)學(xué)生的分析性思維與創(chuàng)新性思維以及系統(tǒng)思維發(fā)展,提高現(xiàn)實(shí)中建造高質(zhì)量的工程提供保障,并切實(shí)地實(shí)現(xiàn)了利用技術(shù)輔助工程設(shè)計(jì)等方面有重要實(shí)際意義。而且就如溫莎男子學(xué)校(The Windsor Boys' School)的DT負(fù)責(zé)人12認(rèn)為，熟悉3D打印設(shè)計(jì)流程(計(jì)劃、設(shè)計(jì)、制造和評(píng)估)的學(xué)生能夠利用3D打印機(jī)來(lái)縮短“制造”階段的時(shí)間，使打印機(jī)在“打印”產(chǎn)品時(shí)更

20、快。這意味著學(xué)生可以將更多的時(shí)間和精力分配到產(chǎn)品的“設(shè)計(jì)”上，發(fā)展他們的創(chuàng)新思維。此外，目標(biāo)指向中提到的“體驗(yàn)式學(xué)習(xí)中心”，更多地發(fā)生在“設(shè)計(jì)與技術(shù)”學(xué)科教學(xué)過(guò)程中。三、影響3D打印技術(shù)在英國(guó)中小學(xué)教學(xué)中應(yīng)用的因素分析通過(guò)對(duì)2012-2013年英國(guó)開(kāi)展的3D打印技術(shù)進(jìn)入學(xué)科教學(xué)項(xiàng)目的分析，總結(jié)出成功背后的影響因素有以下幾個(gè)：1.教師對(duì)3D打印技術(shù)的教學(xué)應(yīng)用持積極的態(tài)度正如許多參與項(xiàng)目的老師說(shuō)，他們只花幾個(gè)月的時(shí)間就能足夠熟練地使用打印機(jī)和相關(guān)軟件，并且能在教學(xué)中成功而自信地使用。在實(shí)踐教學(xué)中表明，自信的教師在使用3D打印技術(shù)時(shí)要比那些相對(duì)孤立且不能堅(jiān)持解決委托或獲得持續(xù)支持的教師更得心應(yīng)手，因

21、為他們有著對(duì)主題探究的熱情和敢于實(shí)驗(yàn)與創(chuàng)新的膽量。正所謂“心之所向，身之所往”。當(dāng)教師憧憬并相信3D打印技術(shù)具有促進(jìn)教與學(xué)的潛能，便會(huì)致力于技術(shù)與教學(xué)的有效整合，探究創(chuàng)新教學(xué)方法，最終獲得成功的經(jīng)驗(yàn)和有效的技術(shù)應(yīng)用策略。2.教師與教學(xué)支持人員的通力協(xié)作英國(guó)3D打印技術(shù)在中小學(xué)學(xué)科教學(xué)中應(yīng)用項(xiàng)目，是由教育部、物理學(xué)會(huì)、全國(guó)數(shù)學(xué)教師理事會(huì)(NCETM)、3D打印機(jī)廠商、學(xué)校等合作進(jìn)行的。其合作的目的有三個(gè)：一是確保教學(xué)中所選擇的軟件是適合跨學(xué)校、跨科目的；二是提高各種資源的有效利用率，包括各學(xué)校的教師資源、技術(shù)資源；三是促進(jìn)交流與共享技術(shù)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。技術(shù)與教學(xué)整合需要投入大量的時(shí)間、精力和人力。例如

22、參與項(xiàng)目的Highworth女子文法學(xué)校有成功的案例，該校的DT老師和物理技術(shù)人員密切合作，共同設(shè)計(jì)一組可以通過(guò)金箔模擬阿爾法粒子的散射的設(shè)備。所以，教師與教學(xué)支持人員，包括專業(yè)技術(shù)人員、3D打印機(jī)廠商、同一學(xué)科或不同學(xué)科的教師之間的通力協(xié)作是推動(dòng)探索技術(shù)促進(jìn)學(xué)科教學(xué)的持續(xù)動(dòng)力。3.必要的軟硬件環(huán)境建設(shè)(1)軟件項(xiàng)目組織者和支持者為教師和學(xué)生提供使用設(shè)計(jì)軟件的專門(mén)培訓(xùn)，而且盡可能選擇容易上手且免費(fèi)的設(shè)計(jì)軟件，比如很多學(xué)校選擇使用的免費(fèi)Sketchup(草圖大師)。基于該類設(shè)計(jì)軟件的數(shù)字設(shè)計(jì)模型是3D打印機(jī)打印產(chǎn)品的源文件。該文件在打印輸出時(shí)，通常是一個(gè).stl文件，然后送入第二層軟件并生成打印

23、機(jī)指令(G code)，該指令唯一指向于一個(gè)特定的打印機(jī)。.s3g文件格式的G代碼通過(guò)SD卡輸入打印機(jī)。打印項(xiàng)目中Makerware和復(fù)制因子G計(jì)劃通常被用于生成G代碼13。數(shù)字設(shè)計(jì)模型可以從如Thingiverse等免費(fèi)網(wǎng)站下載，這有助于入門(mén)打印機(jī)操作的學(xué)習(xí)。(2)3D打印機(jī)從英國(guó)3D打印技術(shù)應(yīng)用到學(xué)科教學(xué)的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)分享中可以看出，3D打印機(jī)的選擇關(guān)系著能否有效使用打印機(jī)并將其優(yōu)勢(shì)功能發(fā)揮到最大化。需要從以下幾點(diǎn)考慮：第一，要考慮3D打印機(jī)的使用者和使用目的。若是教師使用3D打印機(jī)打印教學(xué)模具，優(yōu)先考慮打印機(jī)的速度和質(zhì)量；若是學(xué)生利用該技術(shù)制作模型，則還需要考慮其易用性、耗材和成本。第二，要

24、考慮打印機(jī)本身的一些因素，比如打印速度、打印機(jī)文件傳輸接口、與學(xué)校操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的兼容性以及質(zhì)量和售后支持等。第三，要重視打印機(jī)所置放位置和環(huán)境，防止拖拉或移動(dòng)，避免要打印出來(lái)的物體出現(xiàn)干燥和翹曲等問(wèn)題。所以，學(xué)校或者教師在選擇和使用3D打印機(jī)時(shí)需要全面且慎重考慮。4.對(duì)應(yīng)用過(guò)程提供系統(tǒng)的支持(1)來(lái)自學(xué)校管理層的支持參與項(xiàng)目的大多數(shù)學(xué)校里的領(lǐng)導(dǎo)教師都是具備專業(yè)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)能力的設(shè)計(jì)與技術(shù)專家，他們通過(guò)“低干涉”管理讓學(xué)科教師更專注于技術(shù)使用方法和教學(xué)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)途徑，這不僅為學(xué)校師生提供財(cái)政支持以及他們創(chuàng)新使用3D打印機(jī)的視角，而且在鼓勵(lì)和支持教師使用新的、不熟悉的技術(shù)，組織并建立強(qiáng)大的人才團(tuán)

25、隊(duì)以及給學(xué)生傳授他們的技術(shù)知識(shí)等方面也起著積極作用。(2)對(duì)應(yīng)用3D打印技術(shù)的教師團(tuán)隊(duì)進(jìn)行專門(mén)的培訓(xùn)學(xué)校管理者與相關(guān)技術(shù)專家在學(xué)校引入3D打印技術(shù)后需要對(duì)校內(nèi)擬在教育教學(xué)中的應(yīng)用3D打印技術(shù)的教師進(jìn)行專門(mén)的、系統(tǒng)的培訓(xùn)。培訓(xùn)初始期間，3D打印技術(shù)的使用輕松實(shí)現(xiàn)教師、技術(shù)工作人員和學(xué)生的一些大膽創(chuàng)新性想法，進(jìn)而激發(fā)他們對(duì)技術(shù)持續(xù)探索的熱情。而且，跨部門(mén)在使用相關(guān)軟件時(shí)證明專門(mén)的培訓(xùn)和持續(xù)的支持對(duì)技術(shù)使用與推廣起著至關(guān)重要的作用，因?yàn)闆](méi)有經(jīng)驗(yàn)的教師必須花一段時(shí)間來(lái)提高使用打印機(jī)和應(yīng)用設(shè)計(jì)軟件的能力。培訓(xùn)課程一般包含為教師提供3D打印機(jī)項(xiàng)目基礎(chǔ)內(nèi)容和實(shí)踐機(jī)會(huì)，組織討論會(huì)分享使用3D打印機(jī)的經(jīng)驗(yàn)想法等

26、活動(dòng)。此外，教師需要花費(fèi)正常教學(xué)以外的時(shí)間和精力來(lái)鞏固編程技術(shù)和CAD專業(yè)技術(shù)，以保證熟練使用3D打印機(jī)并充分發(fā)揮3D打印機(jī)的功能。四、結(jié)束語(yǔ)2014年地平線報(bào)告中將3D打印技術(shù)應(yīng)用劃為2-3年的中期計(jì)劃，報(bào)告中指出3D打印技術(shù)對(duì)教學(xué)和學(xué)習(xí)有很大的潛在價(jià)值14。3D打印技術(shù)將無(wú)形的思想與設(shè)計(jì)有形化，通過(guò)提供觀摩與探究、演示與構(gòu)建、創(chuàng)造與制造等技術(shù)支持，為學(xué)生搭建一個(gè)知識(shí)運(yùn)用空間，創(chuàng)造一個(gè)體驗(yàn)式學(xué)習(xí)中心，充分體現(xiàn)學(xué)生作為學(xué)習(xí)活動(dòng)主體性的原則，有助于培養(yǎng)并發(fā)展學(xué)生的成功智力，即分析性智力、實(shí)踐性智力和創(chuàng)新性智力。3D打印技術(shù)在英國(guó)中小學(xué)學(xué)科教學(xué)中取得比較明顯的應(yīng)用成果，并且由此總結(jié)了相應(yīng)的學(xué)科教學(xué)應(yīng)用模式，不僅開(kāi)啟3D打印技術(shù)促進(jìn)教與學(xué)的探索，而且有望為其他國(guó)家或地區(qū)的學(xué)校引入該技術(shù)提供成功的案例和有價(jià)值的指引。但從項(xiàng)目試點(diǎn)學(xué)校反饋中可以發(fā)現(xiàn)在實(shí)踐過(guò)程中存在一些問(wèn)題，比如打印復(fù)雜模型時(shí)耗時(shí)、耗力的問(wèn)題，網(wǎng)絡(luò)軟件與打印機(jī)接口契合的問(wèn)題，教師和學(xué)生熟