3D 打印技术在高中通用技术课程中的应用研究

2015-10-26李媛媛艾贤明

中小学电教 2015年4期

关键词：打印机课程设计

☆李媛媛　艾贤明

（西华师范大学教育学院，四川南充　637002）

3D 打印技术在高中通用技术课程中的应用研究

☆李媛媛艾贤明

（西华师范大学教育学院，四川南充637002）

通过介绍3D打印技术及其在国内教育中的应用案例，分析3D打印技术与高中通用技术课程的结合点。将3D打印技术引入通用技术课程，有助于提高学习者的学习积极性、动手设计能力和创新能力。当前由于3D打印技术及其打印材料的限制，使其在教育教学中的应用还有待普及，但是随着技术进步，3D打印技术走进通用技术课堂是时代发展和开展创新型教育的必然趋势。

3D打印技术；通用技术；教学

引言

《地平线报告》是美国新媒体联盟与美国高等教育信息化协会合作发布的可能在教育领域普及应用的新技术报告。2013年《地平线报告》首次将3D打印的教育应用列入“待普及”，预测未来4-5年内会用于教育。2014年《地平线报告》再次提到3D打印，指出未来2-3年内教学会采用该技术。目前，3D打印技术已经在工业制造、建筑设计、生物医疗等领域得到了广泛的应用，将3D打印技术引入课程教学尤其是在高中通用技术课程中，能够促进通用技术课程目标的实现。

一、3D打印技术简介

3D打印技术起源于20世纪80年代，最早是美国德州大学奥斯汀分校开发出选择性激光烧结技术，随后3D打印在麻省理工大学得到进一步发展，毕业生们尝试将非传统的物质应用于喷墨打印机，由此创造出了当今的3D打印技术。［1］

3D打印技术，又称“添加制造”技术，是“一种与传统的材料去除加工方法相反的，基于三维数字模型的，通常采用逐层制造方式将材料结合起来的工艺。［2］3D打印技术打印三维物体的本质是以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可固化材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。

3D打印机打印一个物品的流程主要分为四个阶段，即建模、分层、打印和后期处理。［3］利用三维扫描仪或三维制图软件制作三维模型；根据3D打印机的精确度及标准，用相关软件将虚拟模型分成若干层；然后，按照分层之后的数据，以添加制造的方法填充相应的每一层；最后，需要对打印出来的物品进行修整、打磨及上色等后期处理。

二、国内3D打印在教育中的应用案例

3D打印技术主要应用于工业制造、建筑设计、食品、生物医疗和教育等领域，并且有许多成功的3D打印案例。在生物医疗领域，英国牛津大学的黑根·贝利教授在《科学》杂志上发表，他们已经利用特制3D打印机打印出类似生物组织的材料，打印出来的材料质地与大脑和脂肪组织相似，可做出类似肌肉样活动的折叠动作，且具备像神经元那样工作的通信网络结构，可用于修复或增强衰竭的器官。［4］在工业领域，美国Autodesk公司软件工程师埃文·阿瑟顿通过一台ObjectConnex500 3D打印机，使用橡胶和塑料两种材料混合打印出一款球形音箱的水晶外壳。2013年5月5日，25岁的德克萨斯大学法律系学生科迪·威尔森首次使用3D打印技术制造出一把手枪。在食品领域，康奈尔大学的研究人员已经成功打印出了蛋糕。［5］随着3D打印技术的发展，其价格有所下降，我国也开始尝试将其应用到教育，以期加速教育改革进程。

3D打印技术是一种新兴技术，被称为第三次工业革命的重要标志，在国外教育领域已广泛应用，并出现一些优秀的应用案例，在国内教育领域的应用较少。在我国，3D打印技术在教育中的应用处于起步阶段，各个学校尝试开设3D打印技术相关的校本课程，也出现了一些应用案例。

1.海宁市高级中学

海宁市高级中学，开发校本课程《走进3D打印技术》属于职业技能类课程，由学校通用技术课程教师执教。课程开设的目的是为满足学生个性化发展需要，旨在通过学生对世界制造业领域正在迅速发展的“具有工业革命意义的3D打印技术”的学习和实践；在发挥想象创新设计过程中，体验创意的伟大，提高学生参与社会实践活动的积极性与合作能力。［6］

2.泰河中学

泰河中学自2010学年起，信息技术组开始策划、筹备职业技能类校本选修课程《设计大师》。依托通用技术学科和机房硬件设施，由通用技术课程教师讲授计算机辅助设计相关内容。为了进一步激发学生创造发明的热情，该校将3D打印技术运用于课程中，将其设计作品快速成型实物化。该课程的开设为学生今后步入高校学习工业设计做好铺垫，目前已入选第三批宁波市普通高中精品选修课程。［7］

3.上海和田路小学

上海和田路小学开设《虚实创造课程》是上海师范大学教育技术黎加厚教授的团队与上海市闸北区和田路小学共同合作，开发了面向小学生的3D打印校本课程。在2012年9月份对该校五年级学生开始授课。［8］开设课程的目的是让小学生接触3D打印技术，在学校教育中运用这一新技术促进学生的空间思维、计算思维、设计思维和创造思维的发展，促进学生虚拟世界、实体世界和内心世界的联通，激发学生的想象力。如表1所示，该课程是分阶段、循序渐进实施的，学习过程分为五个阶段，每一个阶段训练学生不同的能力。第五阶段是实体打印过程，根据教师和学生评价并投票，最后选出优秀的虚拟模型并打印。

表1　课程实施五个阶段［9］

传统的教学都是间接经验的传授，而3D打印将虚拟模型变为现实，拓展了学生的感知觉，增强了触觉体验，促进了人类思维和创新能力的发展，将其应用到教育有一定的意义。随着3D打印技术相关校本课程在我国部分学校的展开，一些研究者试图将3D打印技术融入具体学科教学，培养学生创新能力，提高教学质量。将3D打印技术与高中通用技术课程结合具有很重要的现实意义。

三、3D打印技术与高中通用技术的结合点

3D打印技术的特点符合通用技术课程目标，将3D打印技术应用于通用技术课程教学中，能激发学生的创新意识，促进学生创新。3D打印技术是一种快速成型技术，能够将学生的设计转换为实体并进行性能测试，帮助学生理解自己的设计思路，改进设计。《普通高中通用技术课程标准》提出的课程目标是：“以基础的、宽泛的、与学生日常生活联系紧密的技术内容为载体，以进一步提高学生的技术素养促进学生全面而富有个性的发展为目标。”［10］《通用技术》是一门立足实践、高度综合、注重创造的学科，是一门科学与人文融合的课程，时代形势和个人生产发展迫切要求当代学生学习通用技术，以提高个体实践操作能力，促进创新思维发展。如下图1所示，通用技术课程包含必修和选修课程，将3D打印技术引入到通用技术课程在必修课程中通过学习三维设计培养学生正确的技术观和技术创新意识，在选修课程中打印所设计的建筑模型等可提高学生的动手实践能力，促进创新思维的发展。

图1　通用技术课程结构图

如图1所示是高中通用技术课程结构，包括必修课和选修课。必修课是关于技术与设计的基本理论，选修课程以实践为主，训练学生的实际操作能力，学校应该设置通用技术专用实验室。随着技术的创新和经济的发展，部分发达地区的中学已经拥有通用技术专用教室，包括汽车模拟驾驶教室、电子控制试验室、机器人试验室、服装试验室和机械电子一体室等各种支持开展通用技术课程的试验室。由于通用技术试验室配备了真实的缝纫机、铣床、钻床及激光切割机等设备，而学生年龄较小，如果在实验过程中操作不当，会造成人身伤害。3D打印技术能够为开展通用技术课程创设逼真的环境，提供各种实物模型，激发学生创造设计热情，还能避免学生直接接触危险工业机器，防止意外事故的发生。

3D打印在通用技术课程中发挥着重要作用，主要体现在以下三点。

1.抽象具体化，激发学生创造发明热情

学生利用三维制图软件将自己的想象物制作为可视化图形，然后用3D打印机打印出来，即将个体抽象的想象物转变为可共享可触摸的具体物，这就是抽象具体化。3D打印技术支持下的通用技术课堂与传统的完全不一样，传统的设计中，学生想象的物体无法转变为实物，不能共享。比如：在简易机器人的制作中，学生有许多新想法，但是基于设备及自身绘图能力的限制而无法实现，而在3D打印技术的支持下学生可以直接将自己设计的机器人打印出来，共享并进行性能测试。在发挥想象创新设计过程中，体验创意的伟大，激发学生的创新热情。

2.为每个学生参与实验创设条件，提高学生创新动机

建构主义者认为，学习活动应该发生在情景中应该和社会实践活动结合起来。［11］3D打印技术的出现帮助学生营造真实的问题情景，完成模型制作，从而提高学生的学习积极性。传统的实验课往往是教师演示学生观看，学生自己动手操作的机会少，造成这种现象的原因有两方面：一方面是实验室设备欠缺，无法满足人人实践操作；另外一方面是因为实验过程具有危险性，为避免学生操作不当造成人身伤害而不允许学生实践操作。在通用技术教学中也存在这样的现象，学生无法实践，只能观看教师演示，难以提高学生的学习兴趣和创新动机。3D打印机的出现变革了传统的演示实验，将教师演示变为学生操作，为学生参与实验提供了同等的机会。3D打印技术为开展通用技术教学创设良好的学习环境，激发学生的学习兴趣并提高创新动机。

3.快速成型的特点满足学生个性化发展需求

通用技术课程的培养目标是提高学生的技术素养，促进学生全面而富有个性的发展。汽车驾驶及保养、建筑及设计、简易机器人制作和服装设计等实践类课程，要求学生具有创造发明的意识，在实践中创新。3D打印快速成型的独特优势为学生个性化发展创设条件，满足学生的发展需求。

4.避免实验事故的发生

学校通用技术实验室配备了真实的铣床、钻床及激光切割机等设备，具有较高的危险性，在没有教师监督的情况下，学生是不能随意操作。有些学校的通用技术专用教室配备非常好，但是使用率并不高，主要是为了避免实验事故的发生，基本上所有的设备只有教师给学生演示，学生几乎没有机会操作，这样既造成资源浪费又限制学生实践能力的提高。3D打印机将三维模型打印为实体的过程中危险性较小，教师可以大胆地让学生操作。

四、3D打印技术在通用技术教学中的应用设计

3D打印技术在通用技术课程中的教学流程如图2所示，其课程中主要由三个环节构成，即学习3D打印技术、学习三维建模和打印三维模型。在整个教学环节中要充分发挥教师的主导作用和学生的主体地位，对教学进行多元化评价才能达到理想的教学效果。

图2　3D打印技术在通用技术课程中的教学流程图

在教学前期，教师可以让学生参观3D打印机并介绍其工作原理，使学生认识3D打印技术。在通用技术必修课程中，为了给后期3D打印课程奠定基础，可以让学生学习三维建模其软件，如：Sketchup、Blender、3DTin、TinkerCAD等，通过三维建模激发学生的创作灵感促进创新思维的发展。在掌握三维设计以及3D打印技术的基础上，教师可以引导学生设计实际可打印的作品，如通用技术选修课程中的建筑及其设计。师生共同评选优秀作品是教学中的关键环节，在该阶段教师和学生共同对所有设计出的作品进行评价，评价作品优劣可依据作品的外观、创意、是否符合3D打印机的打印要求等；最后对优秀作品打印收藏，由于打印材料以及打印机自身的局限性不能将学生的所有作品进行打印，只能对评选出来的优秀作品进行打印，打印过程中，让学生在教师的指导下进行操作，从而提高学生的实践能力。