美國新媒體聯盟發（fā）布的《地平線報告》（The Hori­zon Report）從2013 年起連續（xù）三年提到，3D 打印（3DPrinting）將（jiāng）成為教學的主要技術，並指出未來2—3 年內3D打印將走進教學[1]。隨著3D 打（dǎ）印技術（以下簡稱3D 打印）的不斷普及和創新（xīn）應（yīng）用，教師和研究人員對其關注日益增加。因此，本文基於3D 打印的基本特征和（hé）國內（nèi）外教學應用（yòng）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（yòng）的新趨勢。

 

 

一、3D打印與特點

 

3D 打（dǎ）印是利用（yòng）塑（sù）料或樹（shù）脂（zhī）等可粘連的原料進（jìn）行層層打印形成物件的（de）增材製造技術[2]。它的工作原理是將3D 打印機與計算機連接，通過設（shè）計輔（fǔ）助軟（ruǎn）件進行數字建模，再將數字（zì）信息傳輸給打印機，利用打印機中的絲狀、粉狀或是液體狀的材料以（yǐ）逐層堆疊的方式製（zhì）作出產品（pǐn）。3D 打印技術具有（yǒu）三個明顯的特點：第一，因為是通過將材料堆積疊加形成的，避免了材料（liào）的浪費（fèi）[3]； 第二，能夠在時間短、空間有限的（de）情況下打印出物件， 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打印教學創新應用現（xiàn）狀

 

3D 打印作為一種新興的可視化的技術和工具，能夠更好地幫助學生將抽象事物形象化，因（yīn）此已經被引入到教育教學中。2013 年，美國製定並且（qiě）實施MEN-TOR 項目，將3D 打印（yìn）推廣普及至高中教學中，在引起學生對工程設計類課程的興（xìng）趣的同時提升其綜合知識與能力[4]。2014 年，美國白宮舉辦第一次創客嘉年華， 美國總統（tǒng）奧（ào）巴馬宣布全（quán）美引進3D 打印產業，並強調利用3D 打印推動中小（xiǎo）學的教育變（biàn）革[5]。這不僅全麵推動3D 打（dǎ）印在教育教學中的應用（yòng），而且推動STEM 教育（yù）的（de）發展，同時也為美國的教育帶來一股新鮮（xiān）力量。

英國教育部為（wéi）在教育教學中推（tuī）廣和普及3D 打（dǎ）印並探索其創新教學（xué）方式，開展了一年的實驗探究[6]。想利用3D 打印提升教學效果，培養學生創新思維和能力，教師必須先掌握3D 打印（yìn）的相關技能，這樣才能更好地實現（xiàn）教學創新改（gǎi）革。於是，為上千名中（zhōng）小學教師提供3D 打印的培訓以便（biàn）更好地（dì）幫助學生（shēng）獲得知識且提高技能、素養等。隨後，將3D 打印列為國家課程，促使中小學開（kāi）展相關活（huó）動，進而培養學生的自主動手設計能力和創新思維。

我國正在逐步開展3D 打印的教（jiāo）學應用工作。2014年，國務院推出“3D 打印創新教育播種”計劃（huá），意在為學生的創新創造提供（gòng）良好的氛圍，以培養（yǎng）其“創客” 精神和提升其（qí）“創客”能力 [7]。2014年，為了（le）加快3D 打印在教（jiāo）育領域的普及，成立“中國係統仿真學會3D 教育與裝備專業委員會”[8]。2015 年國（guó）家工業（yè）和信息化部出台《國家（jiā）增材製造產業發展推進計劃（huá）（2015— 2016 年）》，旨在促使3D 打印深入（rù）教（jiāo）學實（shí）踐（jiàn），進而引（yǐn）發創新教學方式（shì）的產生[9]。同時，許多省市也在（zài）積極開展（zhǎn）3D 打印的創新教學。如南京馬府街小學開展3D 打印的創新教學的係統研究[10]；北京朝陽區實驗小學引入3D 打印，助力（lì）課程整合和（hé）課程改革[11]。國內3D 打印的（de）教（jiāo）學應用的步伐正在加快，但不可否認的是（shì），雖然部分地區已經應用3D 打印開展教學，可由於缺乏一定的理論指導（dǎo）和實踐經（jīng）驗，還未能實現利用3D 打印（yìn）進行的創新性教學。

 

 

三（sān）、3D 打印教（jiāo）學創新應用案例分析

 

目前很多發達國家在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“走向綠色社區”學習活動項目和羅徹斯（sī）特理工學院應用3D 打印的力學（xué）橋梁課為例進一步分析3D 打印的教學創新應用情況。

（一）“走向綠色社區”學習（xí）活動項目

賓夕（xī）法尼亞州州立學院學區的中小學教師Ron（羅恩）和Michelle（米歇爾）頗具創新地將八（bā）年級的學生和一年級的學生劃分為同一小組，利用3D打（dǎ）印合作完（wán）成主題為“走向綠色社區”的學習活（huó）動[12]。

具體教學（xué）過程是這樣（yàng）的（如圖1 所示）：首先， 一年（nián）級學生在八年級學生的指導和幫助下繪出家居草圖（tú）；然後，小組進（jìn）行頭腦風暴，評估並修改草圖，記錄問題，以（yǐ）便後期繼續修改；接著，教師組織學生分享設計圖，小組間進行交流，進而促進問（wèn）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生的帶領下進行3D 建模。再次（cì），利（lì）用3D打印機得到相關物件（jiàn）， 小組討論不斷修改進而完善設計。最後，小組間進行展示交流，學生和教師可以進行自評、互評、點評（píng）。

3D 打（dǎ）印在“走進綠色社區”項目中發揮了很大的作用（yòng），具體表現在以下兩個方麵：第一，快速（sù）生成模型， 獲得直觀感受，節約時間和成本；第二，激發學（xué）生興趣， 3D 打印將學習者設計的想法（fǎ）轉變為實物，學習者通過實物學習能更快更好地（dì）發現不足，不斷修改和完善。

 

 

 

（二）力學橋梁結（jié）構分析的案例

羅徹斯特（tè）理工學院（RIT）的教師（shī）KyleManchester （凱（kǎi）爾·曼（màn）徹斯特（tè））在他所教授的力學課程中講授橋梁結構受力時（shí），利用3D 打印機打印出實（shí）物[13]。他的教（jiāo）學過程是這樣的（如圖2 所示）：首先，教師布置任務，小組合作建立一個具有桁架的非金屬材（cái）料的橋；接著， 學生通過CAD 設計軟件畫橋，再使用3D 打印機打印出各個部分並進行組裝；然後（hòu），學生（shēng）進行試驗，遇到問題利用互聯網或（huò）是通過和教（jiāo）師的交流尋（xún）求（qiú）解決方法； 最後，各小組分別進行交流展示和（hé）承重測試，大家分享經驗並獲得（dé）橋梁結構的分析和設計（jì）能力，同時可以進行學生互評和教師評價（jià）。

 

 

 

其（qí）教學創新之處在於：第一，3D 打（dǎ）印為工程（chéng）課（kè）程的教（jiāo）學提供了切入點，使（shǐ）學生的（de）想象和創意得以實現。課程中利用模型試驗承重，來檢驗學生設計的橋梁結構是否科學穩定，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的興趣。第二，提高學習者的綜合能力，課程學習中，從橋（qiáo）梁結構的設計、打印、分析到修改等過程都要（yào）學生參與完（wán）成，學生的綜合知識和能（néng）力得到提高。

從上述案例中可以發現（xiàn）3D 打印在創（chuàng）新（xīn）教學中發揮著重要作用，不僅為學生營造真實的（de）問題情境、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間，使得學生（shēng）創新（xīn）、實踐能力得到培養。

 

四、3D 打印教（jiāo）學創新應用的新趨勢

 

隨（suí）著3D 打印的不斷發展，其在教育教學中的應（yīng）用也不斷增加。從上（shàng）述（shù）的案例中可以發（fā）現，3D 打印教學創新應用會有以下發展趨勢。

（一）從簡單的學（xué）習目標，向培養“21 世紀技能”轉變

“互聯網（wǎng）+ 教育”的（de）教育形（xíng）態（tài）使得知識的獲取變得更加容易，更新的速度也不斷加快。為適應21 世紀的學習和生活，學（xué）校的教育教學不僅要促使學生掌握理論知識，還（hái）需要以培養學生的“21 世紀技能”為目標， 讓學生在學習（xí）與創新方麵、數字素養方麵、職業（yè）和生活技能方麵[14] 都有所提升，以（yǐ）便其能更好地運用這些技能去理解知識和解決真實世界的各種問（wèn）題，以適應（yīng）信息化（huà）的社（shè）會。3D 打印應用（yòng）教學中，以其獨特的優勢， 可（kě）以幫助學生將抽象觀點形象化、腦海的想（xiǎng）法實物化、動手的技能高級化，進而幫助學生實現創新創造能力的提升。因為使（shǐ）用3D 打印完（wán）成（chéng）某一學（xué）習項目時，一般都是以小組合作的形式進行，通過項目完成的過程， 學（xué）生（shēng）的溝通意識、協作（zuò）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（gè）種信息，以及應用其他的媒體（tǐ）來輔助完成，在這個（gè）過程中，學生的信息素養、媒體素養等都會得以提高。

（二）從單科知識的學習，向（xiàng）跨（kuà）學科知識融合轉變

沃爾特曾經說過，“人們需要具備跨學科的知識和能力來（lái）創造性地將科學、技術、工程、藝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（fāng）麵技能（néng）的觀念是一致的，即學生需要（yào）將多種知識和技能融合掌握。3D 打印應用於教學中，能夠實現教學內容的（de）豐富和跨（kuà）學科知識的融合，比如上文中提到的羅徹斯特理工學院橋梁結構（gòu）的案（àn）例中，學（xué）習者不僅需要掌握工程技術方麵的知識，還需（xū）要掌（zhǎng）握數學、科學方麵（miàn）的知識，這就使得課堂的教學內（nèi）容（róng）更加豐富多樣，而3D 打印在教學中的應用作為一個平台促使這些（xiē）內容進行融（róng）合。3D 打印教學創新會使得學生的學（xué）習不再僅僅（jǐn）是單一的學科知識，而是（shì）將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，實現多方麵知識的增加和技能的提高。

（三）從單（dān）一的教學方法，向創造多樣化方（fāng）法轉變

一般的教學方式方法較為單一，導致學生（shēng）知識和能力的提高有限。3D 打印應用於教學中，促使教育教學在方式和模式上朝著多元化（huà）和支持（chí）學生個性化的趨勢發展。依據國內外3D 打印的（de）教學應用案例，本研究總結歸納出三種應用3D 打印進（jìn）行創新的教學方法，分別（bié）是基於3D 打印的項目教學法、基於3D 打印的任務（wù）驅動（dòng）教學法、基於3D 打印的問題教學法。

基於3D 打印的（de）項目教學法是以項目為中心開展學習活（huó）動，利用3D 打印幫助學（xué）生將抽象內容具象化，進（jìn）而幫助學生更好地理解知識、解決問題。如“走向綠色社區”案（àn）例就（jiù）是采用（yòng）項（xiàng）目式（shì）教學，在教學過程中3D 打（dǎ）印為學生營造了一個真實的問題情境，學生通過形成小組，參與到（dào）模型的設計、打印、觀察、評價、改進等活動過程中建構新知和技能。

基（jī）於（yú）3D 打（dǎ）印的任務驅動教（jiāo）學法是學（xué）習者在教師的指（zhǐ）導和幫助下利用3D 打印完成任務以獲得新知和技能（néng）。學習者在（zài）完成任務的過程中利用3D 打印可以幫助將一些抽象的或是難以理解的內容具象化，進而促進理解和完成任務，同（tóng）時提（tí）高（gāo）學生的知（zhī）識（shí）和技能。

基於3D 打印的（de）問題教學法是讓學生帶著問題去思考、去分析、去（qù）學習，使得學生的學習從被（bèi）動接受到主動創造，同時利用3D 打印幫助學（xué）習者利（lì）用具體形象的物件來理解（jiě）和（hé）分析問題，或是打印（yìn）出一些難以得到的模型以輔助（zhù）學習。如3D 打印用在骨科教學中，根據課（kè）前掌握的教學（xué）知識，結合3D 打印（yìn）模型去推斷病患的起因、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（yīng）用中（zhōng），教學方（fāng）式將變（biàn）得更（gèng）加多元（yuán）化。

（四）從技術支撐的學習，向技術深度（dù）融合的創造性學習轉變

3D 打印應用於教學（xué）中，不僅可以（yǐ）為學生（shēng）營造（zào）有趣的學習情境，而且為學生進行學習（xí）探究提供新興（xìng）的技術工（gōng）具，使得學（xué）生可以根據自身需求選擇合適的學習方式。首先，學生可以使用3D 打印（yìn）進行（háng）自主學習去解決（jué）對自身而言有難（nán）度的（de）問題，以提高學生的學習能力和問題解（jiě）決能力。其次，學習者（zhě）可（kě）以以小組合作方式進行協商、討論，通過合作的方式既能提高學習者的（de）合（hé）作探究和溝通（tōng）表達（dá）能力，又（yòu）能調動學生學習的積極（jí）性。最後，學生在學習過程中會不斷（duàn）產生各（gè）種問題，讓（ràng）學生基於這些問題去探究學習會比教師的解答效果（guǒ）更好。同時，3D 打印也能幫（bāng）助學生適當地解決某些問題，在解（jiě）決問題的過程（chéng）中，學（xué）生的認知水平、思維能（néng）力（lì）、探究能力都會得到提高。因此，3D 打印（yìn）的（de）教（jiāo）學創新將會為學生提供多樣（yàng）的學習形（xíng）式，促使學生更好地成長。

（五）從單（dān）向的學習評價，向多維綜合（hé）評價轉變

3D 打印的創新教學（xué）不僅改變了教（jiāo）學方法，創新了學習方式，而（ér）且形成多維綜合的評價機製。首先，基於3D 打印的創新教學的評價不同於傳統課堂的評價機製，教學過程中增加（jiā）了學生與教師互動、與（yǔ）同伴合作， 評價主體更加多元化。其次，評價的內（nèi）容是多樣（yàng）化的，傳統的教學評價隻針對學生知識（shí）掌握的狀況進行評價， 而（ér）忽視了知識和能力掌握過程（chéng）的評價，以（yǐ）及學生如何處（chù）理和使用信息的數字素養或（huò）者學習的主動性等職（zhí）業技能的評（píng）價。基於（yú）3D 打印創新教學技能既能促使學（xué）生進行自主學習，在自主學習過程中（zhōng）發揮其自（zì）主探究和學習的能力，而且會為學生提供合作學（xué）習的機會，讓學生在合作中提高溝通、表達、協作的能（néng）力。最後，不同於一般的教學過程，基於3D 打印的創新教學的（de）評價是貫穿於整個教與學的過程之中（zhōng），不僅會對（duì）學生作品（pǐn）進行評價，而且會對學生在合（hé）作、打印過程中的表現給予及時的反饋和評（píng）價，更好地促進學生的學習（xí），同時保證評價結果的合理性。

 

五、結束語

 

3D 打印的教學應（yīng）用不僅是新興技（jì）術在教學中的運（yùn）用，也是創新性教學的大膽探索[16]。3D 打印的創新性應用於教學之中，不僅（jǐn）提高了學生學習的積極性，提高了學生的綜合知識和能力（lì），而且為教（jiāo）師帶來了多元化（huà）的教學方式（shì）、多（duō）層次的評（píng）價方式等。3D 打（dǎ）印與教育（yù）教學深度（dù）融合，其實就是技術與教育教學結合的方式， 但是想（xiǎng）將其深入應用於教育教學中，就必須在學科教學的過程中尋求（qiú）多（duō）樣化的教（jiāo）學（xué）方法和模式，同時在課程設置和教學設計上（shàng）建構創新性的模式。隻有不斷提高3D 打印的創新教學的（de）內容、方法、模式，才有可能更好（hǎo）地（dì）實現其創新教學（xué）的目標，為學生的多層次、多方麵、個性化（huà）發展和成長，更好地適應社會的需求奠定更堅實的基（jī）礎。