3D打印技术在中小学教学中的应用.doc

1、 3D 打印技术在中小学教学中的应用 以英国中小学课堂引进 3D 打印技术项目为例作 者 简 介 ： 李 柯 影 ， 东 北 师 范 大 学 计 算 机 科 学 与 信 息 技 术 学 院 硕 士 研 究 生 ，研 究 方 向 为 现 代 远 程 教 育 ， Email:liky086 ； 郑 燕 林 ，东 北 师 范 大 学 计 算 机 科 学 与 信 息 技 术 学 院 （ 吉 林 长 春 130117） 。内 容 提 要 ： 3D 打 印 技 术 基 于 “设 计 即 生 产 ”的 基 本 理 念 ， 通 过 支 持学 生 在 学 习 过 程 中 的 深 度 体 验 与 参 与 发 展

2、学 生 的 创 造 性 思 维 和 跨 学 科 思 维 ，同 时 也 有 助 于 提 升 学 生 的 实 践 能 力 。 该 文 主 要 分 析 英 国 中 小 学 在 学 科 教 学中 引 入 3D 打 印 技 术 的 目 标 指 向 、 应 用 方 式 ， 并 分 析 影 响 3D 打 印 技 术在 学 科 教 学 中 有 效 应 用 的 相 关 因 素 ， 为 探 索 教 师 在 学 科 教 学 中 适 当 应 用 3D打 印 技 术 提 供 参 考 。关 键 词 ： 英 国 3D 打 印 技 术 学 科 教 学 创 新 设 计 体 验 式 学 习3D 打 印 技 术 以 计 算 机 辅

3、 助 设 计 (CAD)软 件 生 成 的 或 通 过 实 体 扫 描 设备 扫 描 实 物 所 获 得 的 数 字 模 型 文 件 为 基 础 ， 运 用 粉 末 状 金 属 或 塑 料 等 可 粘合 材 料 ， 通 过 “积 层 造 型 法 ”逐 层 打 印 材 料 层 创 建 物 体 ， 主 要 用 于 原 型设 计 以 及 组 件 或 产 品 的 制 造 12。 3D 打 印 技 术 实 现 了 “设 计 即 生 产 ”的 创 想 ， 具 有 快 速 生 成 的 特 点 ， 不 但 能 够 实 现 从 零 件 设 计 到 整 体 设 计 的 跨越 ， 而 且 所 “打 印 ”的 产 品

4、 ， 较 之 传 统 方 法 所 生 产 的 产 品 具 有 更 强 的 稳固 性 、 更 精 密 的 结 构 ， 支 持 更 有 创 意 的 设 计 与 生 成 ， 因 此 近 年 来 在 机 械 制造 、 生 物 医 药 、 建 筑 设 计 、 艺 术 创 造 等 多 个 领 域 受 到 越 来 越 多 的 关 注3。虽 然 3D 打 印 技 术 在 上 述 多 个 领 域 的 应 用 受 到 关 注 ， 但 目 前 针 对3D 打 印 技 术 在 基 础 教 育 领 域 深 入 应 用 的 系 统 研 究 相 对 较 少 。 英 国 教 育 部 及相 关 组 织 机 构 于 2012-2

5、013 年 实 施 了 为 期 一 年 的 探 究 3D 打 印 技 术 在 学科 教 学 创 新 中 的 应 用 ， 该 项 目 不 仅 取 得 了 实 质 性 教 学 应 用 成 果 ， 而 且 推 动了 3D 打 印 技 术 在 教 育 领 域 中 的 应 用 ， 为 更 多 学 校 引 进 3D 打 印 技 术 ，变 革 教 与 学 的 模 式 起 到 示 范 与 引 领 作 用 。 本 文 结 合 英 国 3D 打 印 技 术 教学 应 用 案 例 ， 深 入 分 析 3D 打 印 技 术 在 英 国 中 小 学 教 学 中 应 用 的 目 标 指 向 、应 用 效 果 及 影 响

6、因 素 ， 探 究 3D 打 印 技 术 在 教 学 应 用 推 广 时 需 要 注 意 的 问题 ， 希 望 为 学 校 教 育 引 入 3D 打 印 技 术 提 供 一 定 的 参 考 。一 、 3D 打 印 技 术 在 英 国 中 小 学 教 学 中 应 用 的 目 标 指 向1.指 向 提 升 学 生 的 学 习 主 动 性 、 培 养 学 生 的 创 新 思 维基 于 对 3D 打 印 技 术 本 身 特 性 的 把 握 ， 发 现 该 技 术 可 以 作 为 动 力 激 发工 具 和 支 持 创 新 设 计 的 技 术 工 具 应 用 到 教 学 活 动 中 ， 促 进 学 生 学

7、 习 主 动 性的 提 高 和 学 生 创 新 思 维 的 培 养 。一 方 面 ， 3D 打 印 技 术 本 身 的 功 能 特 性 以 及 对 学 习 活 动 的 支 持 作 用 决定 了 其 作 为 技 术 支 持 工 具 对 提 升 学 生 学 习 主 动 性 有 积 极 影 响 。 首 先 ，3D 打 印 技 术 作 为 一 种 新 型 技 术 ， 其 新 颖 性 更 加 容 易 引 起 学 生 参 与 基 于 该 技术 的 学 习 活 动 的 好 奇 心 和 兴 趣 ， 激 发 他 们 主 动 参 与 学 习 活 动 的 动 机 。 其 次 ，3D 打 印 技 术 的 独 特 功

8、能 快 速 打 印 模 型 或 实 物 ， 支 持 并 激 励 学 生 主 动参 与 打 印 活 动 。 学 生 可 以 利 用 3D 打 印 机 将 自 己 的 创 新 设 计 或 想 法 以 可 视化 方 式 呈 现 给 教 师 和 其 他 学 习 者 ， 由 此 获 得 的 成 就 感 ， 不 仅 会 促 使 学 生 更加 积 极 主 动 地 参 与 学 习 活 动 ， 而 且 会 激 励 他 们 主 动 参 与 创 新 设 计 。 第 三 ，3D 打 印 技 术 支 持 的 学 习 活 动 有 助 于 体 现 学 生 作 为 学 习 活 动 主 体 主 动 参 与 学习 的 重 要 性

9、 和 价 值 ， 进 而 促 进 学 生 主 动 参 与 学 习 活 动 。 基 于 3D 打 印 技术 的 学 习 任 务 ， 需 要 学 生 主 动 分 析 打 印 任 务 、 参 与 计 划 与 决 策 、 参 与 创 新设 计 原 型 ， 这 种 主 体 意 识 和 被 需 要 的 感 觉 让 学 生 意 识 到 自 己 在 学 习 过 程 中的 重 要 性 和 价 值 ， 促 使 学 生 更 加 主 动 地 参 与 到 打 印 活 动 中 。另 一 方 面 ， 为 保 证 学 生 主 动 参 与 并 有 效 进 行 学 习 活 动 ， 英 国 教 育 研 究者 认 为 在 3D 打

10、印 技 术 快 速 打 印 实 物 功 能 的 支 持 下 ， 学 生 可 以 将 时 间 和 精力 集 中 在 创 新 设 计 环 节 ， 有 助 于 创 新 思 维 的 培 养 。 创 新 启 于 格 物 致 知 ， 创新 思 维 启 于 透 彻 地 分 析 打 印 任 务 和 丰 富 的 实 践 经 验 ， 是 进 行 创 新 设 计 、 打印 出 创 新 性 个 性 化 作 品 的 基 础 和 源 泉 。 学 生 通 过 主 动 参 与 创 新 设 计 、 全 面细 致 地 分 析 打 印 任 务 ， 充 分 发 挥 想 象 力 和 创 造 力 ， 最 终 打 印 出 个 性 化 的

11、作品 。2.指 向 探 索 新 的 教 学 方 法英 国 3D 打 印 技 术 在 学 科 教 学 中 的 应 用 项 目 是 在 “人 类 可 以 通 过 制造 和 分 享 过 程 产 生 学 习 ”理 念 指 导 下 开 展 的 学 科 教 学 创 新 探 索 项 目 4。该 理 念 的 核 心 是 “制 造 ”和 “分 享 ”， 强 调 在 真 实 情 境 中 通 过 体 验 式 学习 与 探 究 式 学 习 是 获 得 知 识 并 实 现 学 以 致 用 的 有 效 方 式 。 所 以 ， 教 师 借 助3D 打 印 技 术 可 以 为 学 生 创 建 “体 验 式 学 习 中 心 ”

12、， 这 同 时 也 是 一 个 知识 运 用 空 间 ， 学 生 需 要 主 动 参 与 到 真 实 的 实 践 活 动 中 ， 并 通 过 亲 自 动 手 操作 获 得 直 接 的 学 习 体 验 ， 提 高 解 决 问 题 的 知 识 与 技 能 水 平 。 在 3D 打 印技 术 支 持 下 的 体 验 式 学 习 中 心 从 学 习 内 容 、 学 习 方 式 上 都 有 所 突 破 。“体 验 式 学 习 中 心 ”的 学 习 内 容 可 以 是 一 个 专 题 的 探 究 学 习 ， 也 可以 是 单 一 知 识 或 问 题 的 学 习 与 探 究 ， 还 可 以 仅 是 一 个

13、创 意 的 实 现 ， 甚 至 是这 三 者 的 交 叉 融 合 。 在 专 题 探 究 学 习 活 动 中 ， 教 师 需 要 给 学 生 提 供 一 个 主题 及 其 设 计 纲 要 ， 并 期 望 学 生 能 对 该 设 计 做 出 自 己 的 选 择 ， 主 动 地 进 行 学习 和 探 究 。 学 生 在 专 注 于 研 究 主 题 的 同 时 ， 会 自 然 地 将 3D 打 印 机 作 为学 习 或 探 究 内 容 的 一 部 分 。 针 对 后 两 种 学 习 内 容 ， 学 生 可 以 利 用 3D 打印 机 将 一 个 想 法 变 成 现 实 ， 将 一 个 知 识 或 问

14、 题 以 可 视 的 打 印 作 品 呈 现 ， 有助 于 个 性 化 和 创 新 思 维 的 发 展 。 例 如 ， 沃 特 福 德 男 子 文 法 学 校(Watford Grammar School for Boys)的 学 生 打 印 出 各 种 代 数 方 程 的3D 图 形 5。“体 验 式 学 习 中 心 ”的 学 习 方 式 可 以 是 协 作 学 习 ， 也 可 以 是 自 主 学习 ， 前 者 是 实 现 “共 享 ”理 念 的 有 效 方 式 ， 而 后 者 在 实 践 中 已 经 证 实 了3D 打 印 技 术 对 学 生 个 性 化 学 习 起 着 重 要 的 支 持

15、 作 用 。 在 2012-2013 年英 国 3D 打 印 技 术 走 进 校 园 项 目 研 究 中 发 现 ： 基 于 3D 打 印 技 术 的 自 主 学习 能 改 善 学 习 效 果 并 伴 随 产 生 其 他 更 广 泛 的 利 益 。 例 如 在 物 理 和 数 学 学 科教 学 中 ， 教 师 非 常 希 望 能 成 功 地 使 用 打 印 机 来 促 进 学 生 思 考 、 推 理 和 理 解学 科 教 学 知 识 ， 并 且 开 展 学 生 为 主 导 的 实 验 。 这 种 自 主 学 习 方 式 更 大 程 度地 将 学 习 的 主 动 权 交 付 学 生 ， 让 学

16、生 在 3D 打 印 技 术 支 持 下 进 行 自 主 学习 ， 将 知 识 学 以 致 用 。 这 种 突 破 性 的 新 教 学 方 法 ， 不 仅 有 利 于 学 生 个 性 化发 展 ， 而 且 有 助 于 学 生 创 新 思 维 的 培 养 。通 过 身 临 其 境 地 制 造 和 分 享 所 产 生 的 学 习 行 为 ， 对 学 习 或 知 识 获 得 具有 实 际 效 益 ， 而 且 3D 打 印 技 术 是 为 教 师 和 学 生 提 供 体 验 式 学 习 机 会 、 为学 生 创 建 知 识 运 用 空 间 的 重 要 支 撑 技 术 。 体 验 式 学 习 让 学 生

17、 更 容 易 理 解 知识 的 内 涵 ， 在 实 践 中 有 效 应 用 知 识 是 强 化 知 识 、 体 现 知 识 的 价 值 。 这 种 新的 教 学 方 法 ， 有 利 于 促 进 学 生 主 动 参 与 学 习 与 探 究 活 动 ， 培 养 学 生 的 协 作意 识 以 及 发 展 学 生 的 创 新 思 维 和 自 主 学 习 能 力 。二 、 3D 打 印 技 术 在 英 国 中 小 学 不 同 学 科 教 学 中 的 应 用3D 打 印 技 术 在 英 国 中 小 学 不 同 学 科 教 学 中 的 应 用 ， 多 角 度 展 示 3D打 印 技 术 在 促 进 学 科

18、教 与 学 的 功 能 的 优 势 和 应 用 方 式 ， 为 优 化 技 术 与 学 科知 识 的 整 合 提 供 可 借 鉴 的 观 点 与 方 法 ， 为 实 现 学 科 教 学 目 标 以 及 突 破 学 科教 学 难 点 提 供 策 略 。 笔 者 基 于 对 3D 打 印 技 术 功 能 性 特 点 和 学 科 教 学 目标 、 特 点 等 的 考 虑 ， 总 结 出 3D 打 印 技 术 在 学 科 教 学 中 应 用 的 分 析 框 架(如 图 1 所 示 )。1.在 “科 学 ”学 科 教 学 中 的 应 用“科 学 ”学 科 的 教 学 内 容 涉 及 生 物 、 化 学

19、和 物 理 三 方 面 的 知 识 ， 其 教学 目 标 是 通 过 学 习 与 探 索 生 物 、 化 学 和 物 理 的 基 础 知 识 ， 发 展 学 生 对 科 学本 质 、 过 程 和 方 法 的 理 解 力 ， 并 通 过 不 同 形 式 的 科 学 调 查 ， 帮 助 他 们 回 答现 实 生 活 中 的 科 学 问 题 ， 提 高 科 学 素 养 6。基 于 对 3D 打 印 技 术 功 能 特 性 与 “科 学 ”学 科 教 学 目 标 及 特 点 的 关联 与 分 析 ， 发 现 该 技 术 可 以 观 摩 和 协 助 探 究 两 种 方 式 促 进 学 科 教 学 目 标

20、 的实 现 。 首 先 ， 3D 打 印 技 术 支 持 学 生 通 过 观 摩 教 师 利 用 3D 打 印 机 打 印 的模 型 来 获 得 相 关 知 识 内 容 ， 有 助 于 发 展 他 们 的 观 察 能 力 、 分 析 能 力 以 及 理解 力 。 比 如 “科 学 ”学 科 教 师 可 以 利 用 3D 打 印 机 打 印 眼 球 模 型 ， 帮 助学 生 理 解 有 关 眼 球 构 造 、 功 能 等 知 识 。 其 次 ， 3D 打 印 技 术 支 持 学 生 在教 师 协 助 下 主 动 构 建 3D 模 型 ， 并 对 相 关 知 识 进 行 深 度 学 习 ， 提 升

21、 他 们 探究 事 物 本 质 、 规 律 的 能 力 。 如 “科 学 ”学 科 教 师 可 以 组 织 学 生 在 3D 打印 技 术 环 境 下 讨 论 塑 料 的 性 能 ， 也 可 以 利 用 3D 打 印 机 协 助 学 生 构 建 分子 、 细 胞 甚 至 正 弦 波 等 模 型 7， 学 生 在 构 建 过 程 中 可 以 通 过 研 究 这 些 数字 模 型 文 件 的 数 据 信 息 进 行 深 度 学 习 与 探 究 ， 最 终 获 得 相 关 知 识 。 当 然 ，在 项 目 中 该 学 科 的 打 印 活 动 大 部 分 依 靠 如 Thingiverse 等 提 供

22、 设 计 文件 网 站 所 共 享 的 3D 模 型 源 数 字 文 件 。3D 打 印 技 术 通 过 提 供 观 摩 与 协 助 构 建 这 两 种 技 术 使 用 方 式 ， 为 学 生 在“科 学 ”学 科 学 习 中 营 造 体 验 式 的 学 习 空 间 ， 促 使 学 生 获 得 更 加 直 接 的 学习 体 验 。 学 生 通 过 主 动 进 入 该 学 习 空 间 ， 获 取 空 间 中 所 展 示 和 隐 藏 的 知 识 ，探 究 事 物 本 质 、 过 程 和 变 化 规 律 等 ， 提 高 科 学 理 解 力 、 探 究 能 力 以 及 科 学素 养 。 观 摩 与 协

23、 助 构 建 体 现 了 3D 打 印 技 术 作 为 教 学 工 具 与 学 习 工 具 应 用到 “科 学 ”学 科 教 学 中 的 功 能 优 势 ， 对 拓 展 教 学 工 具 的 广 度 、 挖 掘 教 学 工具 深 层 内 涵 有 重 要 意 义 。2.在 “数 学 ”学 科 教 学 中 的 应 用中 小 学 “数 学 ”学 科 的 培 养 目 标 是 通 过 频 繁 的 计 算 、 推 理 、 演 示 等 教学 活 动 ， 促 进 学 生 对 数 学 基 本 概 念 和 原 理 的 理 解 和 应 用 ， 培 养 学 生 推 理 能力 和 问 题 解 决 能 力 8。 “数 学

24、”学 科 的 教 学 难 点 是 将 抽 象 的 数 学 概 念 或规 律 以 简 单 可 视 化 方 式 呈 现 给 学 生 ， 促 进 学 生 理 解 和 掌 握 。基 于 对 3D 打 印 技 术 功 能 特 性 与 “数 学 ”学 科 教 学 目 标 、 特 点 及 难点 的 关 联 与 分 析 ， 发 现 该 技 术 可 以 通 过 演 示 和 协 同 构 建 两 种 方 式 帮 助 突 破数 学 学 科 教 学 难 点 ， 促 进 教 学 目 标 的 实 现 。 一 方 面 ， 3D 打 印 技 术 为 教师 演 示 数 学 抽 象 概 念 或 规 律 形 成 过 程 提 供 技

25、术 支 持 。 比 如 立 体 几 何 中 关 于毕 达 哥 拉 斯 定 理 (勾 股 定 理 )和 三 角 法 的 教 学 ， 一 般 停 留 在 平 面 演 示 、 想象 、 计 算 、 推 理 的 层 面 ， 但 在 3D 打 印 技 术 支 持 下 ， 教 师 可 以 利 用 3D打 印 机 轻 松 简 单 地 构 建 立 体 几 何 体 ， 使 该 定 理 的 推 理 演 示 过 程 更 加 直 接 地呈 现 给 学 生 ， 促 进 学 生 从 形 象 的 实 物 和 过 程 演 示 、 推 理 中 理 解 并 掌 握 数 学抽 象 概 念 和 知 识 ， 而 且 有 助 于 提 升

26、 学 生 的 立 体 空 间 感 。 另 一 方 面 ， 3D打 印 技 术 支 持 学 生 协 同 构 建 或 探 究 数 学 规 律 。 例 如 ， 沃 特 福 德 男 子 文 法 学校 (Watford Grammar School for Boys)六 年 级 组 教 师 和 学 生 协 同 研 究与 抛 射 体 速 度 、 高 度 和 距 离 相 关 的 微 积 分 9。 首 先 ， 他 们 利 用 3D 打印 机 产 生 一 个 支 持 内 部 弹 射 器 的 联 结 ， 然 后 再 利 用 3D 打 印 机 为 这 个 项目 生 产 一 系 列 的 抛 射 体 。 在 实 验 中

27、 ， 学 生 可 以 通 过 立 体 多 角 度 的 观 察 物 体运 动 与 变 化 规 律 ， 促 进 他 们 对 微 积 分 知 识 的 深 度 理 解 和 掌 握 。 此 外 ， 该 校学 生 还 打 印 出 各 种 代 数 方 程 的 3D 图 形 ， 帮 助 理 解 代 数 方 程 的 内 涵 。3D 打 印 技 术 通 过 演 示 和 协 同 构 建 两 种 技 术 使 用 方 式 ， 为 学 生 理 解 和 掌握 数 学 抽 象 概 念 ， 探 究 数 学 规 律 提 供 了 可 靠 的 技 术 支 持 。 同 样 ， 教 师 可 以借 助 3D 打 印 机 以 立 体 简 易

28、 化 方 式 呈 现 数 学 概 念 或 规 律 ， 有 助 于 提 升 学 生对 抽 象 知 识 的 理 解 度 和 掌 握 度 。 演 示 与 协 同 构 建 体 现 了 3D 打 印 技 术 在“数 学 ”学 科 教 学 中 的 应 用 对 拓 展 教 学 工 具 深 度 的 意 义 。 第 一 ， 在 知 识 展示 方 面 。 以 往 的 学 习 内 容 大 多 基 于 二 维 平 面 进 行 展 示 ， 除 非 一 些 需 要 学 生亲 自 操 作 的 实 验 活 动 ， 否 则 都 是 依 靠 想 象 、 理 解 或 死 记 硬 背 的 方 式 来 获 取知 识 。 利 用 3D

29、打 印 技 术 可 以 将 概 念 和 知 识 立 体 化 、 具 体 化 、 可 视 化 ， 帮助 学 生 摆 脱 对 抽 象 概 念 和 知 识 的 空 想 ， 促 进 他 们 全 面 理 解 知 识 并 激 发 他 们的 求 知 欲 。 第 二 ， 在 知 识 实 践 方 面 ， 3D 打 印 技 术 支 持 学 生 的 创 造 活 动 ，并 能 快 速 物 化 设 计 ， 既 促 进 了 学 生 主 动 参 与 学 习 活 动 ， 也 有 助 于 学 生 将 理论 知 识 与 实 践 相 联 系 。3.在 “设 计 与 技 术 ”学 科 教 学 中 的 应 用“设 计 与 技 术 ”学

30、 科 是 一 门 具 有 启 发 性 、 严 谨 性 和 实 用 性 特 点 的 学 科 ，更 是 一 门 综 合 性 学 科 。 该 学 科 的 教 学 培 养 目 标 是 通 过 组 织 和 引 导 学 生 使 用创 造 力 和 想 象 力 设 计 并 制 造 出 能 够 解 决 各 种 情 境 下 的 现 实 及 相 关 问 题 的 产品 ， 同 时 也 考 虑 产 品 使 用 者 的 需 求 、 愿 望 以 及 价 值 观 ； 通 过 支 持 学 生 独 立完 成 简 单 的 设 计 与 制 造 工 作 ， 提 升 其 参 与 “设 计 与 技 术 ”学 习 活 动 的 自信 心 ，

31、促 进 创 造 性 专 业 技 能 的 获 得 ； 通 过 批 判 、 评 估 和 测 试 他 们 的 想 法 或产 品 ， 理 解 和 应 用 相 关 项 目 学 习 事 项 、 技 能 和 流 程 10。基 于 对 3D 打 印 技 术 功 能 特 性 和 “设 计 与 技 术 ”学 科 教 学 目 标 和 特点 的 关 联 与 分 析 ， 发 现 该 技 术 可 以 通 过 创 造 与 设 计 促 进 教 学 目 标 的 实 现 以及 跨 学 科 知 识 的 融 会 贯 通 。 第 一 ， 3D 打 印 技 术 为 教 师 和 学 生 发 挥 想 象 力和 创 造 力 等 创 造 性 活

32、 动 提 供 便 捷 性 的 技 术 支 持 。 师 生 利 用 CAD 等 计 算机 辅 助 设 计 软 件 充 分 发 挥 想 象 、 联 想 能 力 设 计 出 3D 立 体 数 字 模 型 ， 再使 用 3D 打 印 机 将 模 型 实 体 化 。 第 二 ， 该 技 术 为 师 生 制 造 实 用 性 产 品 提 供技 术 保 证 。 由 于 该 学 科 特 别 注 重 产 品 的 实 用 性 ， 所 以 3D 打 印 技 术 支 持的 教 学 活 动 不 仅 需 要 学 生 系 统 地 考 虑 、 细 致 地 分 析 打 印 任 务 ， 并 通 过 迭 代完 善 工 作 创 造 出

33、 实 用 性 强 且 质 优 的 产 品 ， 而 且 要 尽 量 节 省 生 产 原 材 料 、 保证 高 精 度 和 高 坚 固 性 ， 为 实 际 实 施 提 供 质 量 保 障 。 比 如 在 桥 梁 工 程 学 教 学中 ， 学 生 可 以 利 用 3D 打 印 机 打 印 出 桥 梁 模 型 ， 通 过 力 学 测 试 来 及 时 发 现并 改 进 桥 梁 稳 固 性 、 规 模 等 问 题 ， 为 实 际 施 工 做 足 准 备 。 第 三 ， 该 技 术 为跨 学 科 知 识 的 综 合 运 用 提 供 桥 梁 。 例 如 在 Cramlington 学 习 村 庄 11，学 生

34、 在 学 习 工 程 课 程 时 ， 除 了 需 要 学 习 生 产 技 能 相 关 知 识 外 ， 还 包 括 物 理 、数 学 等 方 面 的 知 识 。 比 如 学 生 在 创 造 和 生 产 椅 子 的 过 程 中 ， 首 先 需 要 考 虑椅 子 的 平 衡 性 ， 防 止 打 印 过 程 中 出 现 斜 倒 、 扭 曲 的 状 况 ； 其 次 要 考 虑 椅 子的 承 重 力 ， 防 止 先 打 印 出 来 的 部 分 被 后 打 印 的 部 分 压 挤 变 形 ； 最 后 还 需 通过 成 本 评 估 确 保 物 有 所 值 。 可 以 看 出 这 个 过 程 不 仅 涉 及 有

35、 关 生 产 过 程 的 技术 知 识 ， 而 且 涉 及 有 关 于 椅 子 的 稳 定 性 、 承 受 力 以 及 平 衡 性 等 物 理 知 识 ，还 涉 及 用 三 角 法 来 计 算 椅 子 的 后 视 角 、 用 软 件 绘 制 坐 标 等 数 学 和 软 件 操 作知 识 。3D 打 印 技 术 通 过 创 造 与 设 计 这 两 种 技 术 使 用 方 式 为 学 生 获 得 并 应 用 知识 提 供 可 靠 、 便 捷 的 技 术 支 持 ， 实 践 了 “设 计 是 重 点 ， 生 产 不 是 问 题 ”的 新 思 想 ， 在 提 升 学 生 分 析 、 设 计 、 评 估

36、 、 实 践 和 创 造 能 力 ,促 进 学 生的 分 析 性 思 维 与 创 新 性 思 维 以 及 系 统 思 维 发 展 ,提 高 现 实 中 建 造 高 质 量的 工 程 提 供 保 障 ,并 切 实 地 实 现 了 利 用 技 术 辅 助 工 程 设 计 等 方 面 有 重 要 实际 意 义 。 而 且 就 如 温 莎 男 子 学 校 (The Windsor Boys School)的 DT 负责 人 12认 为 ， 熟 悉 3D 打 印 设 计 流 程 (计 划 、 设 计 、 制 造 和 评 估 )的 学生 能 够 利 用 3D 打 印 机 来 缩 短 “制 造 ”阶 段 的

37、 时 间 ， 使 打 印 机 在 “打 印 ”产 品 时 更 快 。 这 意 味 着 学 生 可 以 将 更 多 的 时 间 和 精 力 分 配 到 产 品 的“设 计 ”上 ， 发 展 他 们 的 创 新 思 维 。 此 外 ， 目 标 指 向 中 提 到 的 “体 验式 学 习 中 心 ”， 更 多 地 发 生 在 “设 计 与 技 术 ”学 科 教 学 过 程 中 。三 、 影 响 3D 打 印 技 术 在 英 国 中 小 学 教 学 中 应 用 的 因 素 分 析通 过 对 2012-2013 年 英 国 开 展 的 3D 打 印 技 术 进 入 学 科 教 学 项 目 的分 析 ，

38、总 结 出 成 功 背 后 的 影 响 因 素 有 以 下 几 个 ：1.教 师 对 3D 打 印 技 术 的 教 学 应 用 持 积 极 的 态 度正 如 许 多 参 与 项 目 的 老 师 说 ， 他 们 只 花 几 个 月 的 时 间 就 能 足 够 熟 练 地使 用 打 印 机 和 相 关 软 件 ， 并 且 能 在 教 学 中 成 功 而 自 信 地 使 用 。 在 实 践 教 学中 表 明 ， 自 信 的 教 师 在 使 用 3D 打 印 技 术 时 要 比 那 些 相 对 孤 立 且 不 能 坚 持解 决 委 托 或 获 得 持 续 支 持 的 教 师 更 得 心 应 手 ， 因

39、 为 他 们 有 着 对 主 题 探 究 的热 情 和 敢 于 实 验 与 创 新 的 胆 量 。 正 所 谓 “心 之 所 向 ， 身 之 所 往 ”。 当教 师 憧 憬 并 相 信 3D 打 印 技 术 具 有 促 进 教 与 学 的 潜 能 ， 便 会 致 力 于 技 术 与教 学 的 有 效 整 合 ， 探 究 创 新 教 学 方 法 ， 最 终 获 得 成 功 的 经 验 和 有 效 的 技 术应 用 策 略 。2.教 师 与 教 学 支 持 人 员 的 通 力 协 作英 国 3D 打 印 技 术 在 中 小 学 学 科 教 学 中 应 用 项 目 ， 是 由 教 育 部 、 物 理

40、学 会 、 全 国 数 学 教 师 理 事 会 (NCETM)、 3D 打 印 机 厂 商 、 学 校 等 合 作 进 行的 。 其 合 作 的 目 的 有 三 个 ： 一 是 确 保 教 学 中 所 选 择 的 软 件 是 适 合 跨 学 校 、跨 科 目 的 ； 二 是 提 高 各 种 资 源 的 有 效 利 用 率 ， 包 括 各 学 校 的 教 师 资 源 、 技术 资 源 ； 三 是 促 进 交 流 与 共 享 技 术 应 用 经 验 。 技 术 与 教 学 整 合 需 要 投 入 大量 的 时 间 、 精 力 和 人 力 。 例 如 参 与 项 目 的 Highworth 女 子

41、文 法 学 校 有 成功 的 案 例 ， 该 校 的 DT 老 师 和 物 理 技 术 人 员 密 切 合 作 ， 共 同 设 计 一 组 可 以通 过 金 箔 模 拟 阿 尔 法 粒 子 的 散 射 的 设 备 。 所 以 ， 教 师 与 教 学 支 持 人 员 ， 包括 专 业 技 术 人 员 、 3D 打 印 机 厂 商 、 同 一 学 科 或 不 同 学 科 的 教 师 之 间 的 通力 协 作 是 推 动 探 索 技 术 促 进 学 科 教 学 的 持 续 动 力 。3.必 要 的 软 硬 件 环 境 建 设(1)软 件项 目 组 织 者 和 支 持 者 为 教 师 和 学 生 提

42、供 使 用 设 计 软 件 的 专 门 培 训 ， 而且 尽 可 能 选 择 容 易 上 手 且 免 费 的 设 计 软 件 ， 比 如 很 多 学 校 选 择 使 用 的 免 费Sketchup(草 图 大 师 )。 基 于 该 类 设 计 软 件 的 数 字 设 计 模 型 是 3D 打 印 机打 印 产 品 的 源 文 件 。 该 文 件 在 打 印 输 出 时 ， 通 常 是 一 个 .stl 文 件 ， 然后 送 入 第 二 层 软 件 并 生 成 打 印 机 指 令 (G code)， 该 指 令 唯 一 指 向 于 一 个特 定 的 打 印 机 。 .s3g 文 件 格 式 的

43、G 代 码 通 过 SD 卡 输 入 打 印 机 。 打 印 项目 中 Makerware 和 复 制 因 子 G 计 划 通 常 被 用 于 生 成 G 代 码 13。 数 字设 计 模 型 可 以 从 如 Thingiverse 等 免 费 网 站 下 载 ， 这 有 助 于 入 门 打 印 机操 作 的 学 习 。(2)3D 打 印 机从 英 国 3D 打 印 技 术 应 用 到 学 科 教 学 的 项 目 经 验 分 享 中 可 以 看 出 ，3D 打 印 机 的 选 择 关 系 着 能 否 有 效 使 用 打 印 机 并 将 其 优 势 功 能 发 挥 到 最 大 化 。需 要 从

44、以 下 几 点 考 虑 ： 第 一 ， 要 考 虑 3D 打 印 机 的 使 用 者 和 使 用 目 的 。若 是 教 师 使 用 3D 打 印 机 打 印 教 学 模 具 ， 优 先 考 虑 打 印 机 的 速 度 和 质 量 ；若 是 学 生 利 用 该 技 术 制 作 模 型 ， 则 还 需 要 考 虑 其 易 用 性 、 耗 材 和 成 本 。 第二 ， 要 考 虑 打 印 机 本 身 的 一 些 因 素 ， 比 如 打 印 速 度 、 打 印 机 文 件 传 输 接 口 、与 学 校 操 作 系 统 和 网 络 的 兼 容 性 以 及 质 量 和 售 后 支 持 等 。 第 三 ，

45、要 重 视 打印 机 所 置 放 位 置 和 环 境 ， 防 止 拖 拉 或 移 动 ， 避 免 要 打 印 出 来 的 物 体 出 现 干燥 和 翘 曲 等 问 题 。 所 以 ， 学 校 或 者 教 师 在 选 择 和 使 用 3D 打 印 机 时 需 要全 面 且 慎 重 考 虑 。4.对 应 用 过 程 提 供 系 统 的 支 持(1)来 自 学 校 管 理 层 的 支 持参 与 项 目 的 大 多 数 学 校 里 的 领 导 教 师 都 是 具 备 专 业 计 算 机 辅 助 设 计 能力 的 设 计 与 技 术 专 家 ， 他 们 通 过 “低 干 涉 ”管 理 让 学 科 教 师

46、 更 专 注 于 技术 使 用 方 法 和 教 学 目 标 实 现 途 径 ， 这 不 仅 为 学 校 师 生 提 供 财 政 支 持 以 及 他们 创 新 使 用 3D 打 印 机 的 视 角 ， 而 且 在 鼓 励 和 支 持 教 师 使 用 新 的 、 不 熟 悉的 技 术 ， 组 织 并 建 立 强 大 的 人 才 团 队 以 及 给 学 生 传 授 他 们 的 技 术 知 识 等 方面 也 起 着 积 极 作 用 。(2)对 应 用 3D 打 印 技 术 的 教 师 团 队 进 行 专 门 的 培 训学 校 管 理 者 与 相 关 技 术 专 家 在 学 校 引 入 3D 打 印 技

47、 术 后 需 要 对 校 内拟 在 教 育 教 学 中 的 应 用 3D 打 印 技 术 的 教 师 进 行 专 门 的 、 系 统 的 培 训 。 培训 初 始 期 间 ， 3D 打 印 技 术 的 使 用 轻 松 实 现 教 师 、 技 术 工 作 人 员 和 学 生 的一 些 大 胆 创 新 性 想 法 ， 进 而 激 发 他 们 对 技 术 持 续 探 索 的 热 情 。 而 且 ， 跨 部门 在 使 用 相 关 软 件 时 证 明 专 门 的 培 训 和 持 续 的 支 持 对 技 术 使 用 与 推 广 起 着至 关 重 要 的 作 用 ， 因 为 没 有 经 验 的 教 师 必

48、须 花 一 段 时 间 来 提 高 使 用 打 印 机和 应 用 设 计 软 件 的 能 力 。培 训 课 程 一 般 包 含 为 教 师 提 供 3D 打 印 机 项 目 基 础 内 容 和 实 践 机 会 ，组 织 讨 论 会 分 享 使 用 3D 打 印 机 的 经 验 想 法 等 活 动 。 此 外 ， 教 师 需 要 花 费正 常 教 学 以 外 的 时 间 和 精 力 来 巩 固 编 程 技 术 和 CAD 专 业 技 术 ， 以 保 证 熟练 使 用 3D 打 印 机 并 充 分 发 挥 3D 打 印 机 的 功 能 。四 、 结 束 语2014 年 地 平 线 报 告 中 将

49、3D 打 印 技 术 应 用 划 为 2-3 年 的 中 期 计 划 ，报 告 中 指 出 3D 打 印 技 术 对 教 学 和 学 习 有 很 大 的 潜 在 价 值 14。 3D 打印 技 术 将 无 形 的 思 想 与 设 计 有 形 化 ， 通 过 提 供 观 摩 与 探 究 、 演 示 与 构 建 、创 造 与 制 造 等 技 术 支 持 ， 为 学 生 搭 建 一 个 知 识 运 用 空 间 ， 创 造 一 个 体 验 式学 习 中 心 ， 充 分 体 现 学 生 作 为 学 习 活 动 主 体 性 的 原 则 ， 有 助 于 培 养 并 发 展学 生 的 成 功 智 力 ， 即 分 析 性 智 力 、 实 践 性 智 力 和 创 新 性 智 力 。3D 打 印 技 术 在 英 国 中 小 学 学 科 教 学 中 取 得 比