3D打印技术在教学中的应用与探索.doc

.3D打印技术在教学中的应用与探索 摘要：随着3D打印技术的日益成熟，以及其在各行业和领域极具潜力的革命性应用，如何普及3D打印并为社会培养专业的3D打印人才是当前学校教育的一个重要课题之一。本文分析了3D打印分别在不同教学阶段的受众特点，针对大、中、小学总结出不同的教学目标和教学方法，提出了一个全过程的3D打印教学体系和培养方针。通过具体案例，本文指出可以将3D打印融入主流课程的教学实践当中，服务和提升已有课程的教学水平。最后，本文总结了3D打印在教学实践中可能面临的问题和解决方案，为有效开展3D打印在各阶段的教学提供了理论指导和实际建议。 Abstract： With the increasingly mature of 3D printing technology， as well as its application in various industries， how to popularize 3D printing and cultivate professional 3D printing talents for the society is an important task of the current school education. This paper analyzes 3D printing audience characteristics in different stages of teaching， sums up different teaching goals and teaching methods respectively for college， middle school and primary school， and puts forward a whole process of 3D printing teaching system and cultivation guidelines. Through the specific case， this paper points out that 3D printing could be included in the mainstream curriculum teaching practice to serve and enhance the level of existing teaching. Finally， this paper summarizes the problems and solutions of 3D printing teaching practice， provides theoretical guidance and practical advice for effectively carrying out 3D printing in every stage of the teaching. 关键词：3D打印；技术创新；教学方法；人才培养 Key words： 3D printing；technological innovation；teaching methods；cultivation of talents 中图分类号：G40-057 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）32-0178-04 0 引言 发达国家已经开始探索3D打印技术对教育的影响，并成立了相关的项目用以促进3D打印技术与教育的融合，从而培养出适应现代设计、制造潮流的人才，从而提高自身的竞争力。新媒体联盟（New Media Consortium，NMC）在2013年地平线报告中提出，3D打印是未来四到五年内值得关注的新技术，它将带来教学、学习和研究领域的创新1。英国教育部已经选取多所小学作为试点学校，设立相关的基金，为学校购买3D打印机，并对教师进行相关培训，此外，还开设3D打印的相关课程作为学生的手工课。学生可以通过电脑建模，打印自己所喜欢的模型2。欧洲的一些国家也进行了3D打印的相关教学调研，如“未来教育与学习”（LIFE）项目，对欧洲7国的师生进行调研，以获得3D教学对学生课堂的专心度和学习成绩的影响3。希腊在两所高校开始初步试验将3D打印作为学习手段的教学方法4。美国STEM教育中的STARBASE Minnesota是对学生提供STEM训练的教育项目。该项目通过引入3D打印的支持，使学生能通过CAD软件自行设计相应课程的模型，并进行实际的测试和分析。该课程项目能极大地调动学生的积极性，使枯燥的数学分析亦能激发学生的兴趣1。此外，还有一些职业学校的项目，如PlayMaker。该项目围绕着3D打印技术这一核心的课程，学生可以设计、打印和验证模型的物理理论。 较之国外而言，国内3D打印的普及和教育仍处于起步的阶段。国家当前十分重视3D打印技术和应用的发展，例如我国科技部已将3D打印技术纳入国家863计划，各地学校也开始进行有关3D打印课程的试点。 1 3D打印发展现状以及学校教育的可行性 目前3D打印机的成本及其打印材料、质量、时间等都是制约3D 打印在学校教育中普及的因素。解决好这些瓶颈能更好地促进教学和研究的发展，为探索教学新方向提供有效的方法。 1.1 3D打印机成本 3D打印机的成本一直是制约3D打印发展的瓶颈。3D打印机的售价从几千元到几十万元不等。为了降低3D打印机的成本，许多公司已经着手相对廉价的3D打印机的研发。据报道，有些公司已经开始抢占教育行业的市场，推销千元以下的3D打印机。随着3D打印机的成本进一步降低，其普及将不再是难题。 1.2 3D打印的材料 另一个制约3D打印普及的瓶颈是耗材。目前的3D打印可以支持多种打印材料，如热塑性塑料、尼龙、合金、金属粉末、石膏、陶瓷、可食用材料、光敏树脂等。虽然3D打印支持多种类型的材料，但不同的材料需要相应打印设备的支持，此外打印材料的价格也并不便宜。目前的教学研究中使用较为普遍的是PLA（生物降解塑料聚乳酸，Polylactic Acid）材料和ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯，Acrylonitrile Butadiene Styrene Acrylonitrile Butadiene Styrene）。一千克的PLA或ABS耗材的市场价格为60元左右。随着材料的进一步改进和研发，生产技术的发展和生产厂商的增加，普通耗材的价格将慢慢降至教学可接受的范围内。 1.3 3D打印的质量 在打印模型的过程中，有时会由于机器本身或环境的问题，导致打印的质量并不理想，成品率一般在30%-50%左右，甚至更低。其中廉价的3D打印机也是使成品率降低的原因。种种原因将不利于教学实践和教学研究的使用。随着3D打印技术将不断改良和创新，打印质量会随之而提高。 1.4 打印时间 打印时间长也是一个亟待解决的问题，现在的3D打印时间普遍偏长，阻碍了教学实践以及教学研究的发展。据报道，现下最新研究的3D打印技术CLIP（Continuous Liquid Interface Production）的打印速度是旧式打印的几十倍以上，其打印出的物体表面也十分光滑，完整。这项技术若能普及，将弥补3D打印时间长的缺点。 2 3D打印在不同教育群体中的教学分析与探讨 在3D打印的教学上，学校应该在3D打印的课程进行细致、深入地规划，推行多方向、多环节的主题学习。学生通过探索、想象、实践等环节的学习后，将激发想象力以及提高学习效率与兴趣。结合不同时期学生的学习方向，学生在各阶段的进程和方向上都有所侧重，进程如图1所示。 2.1 小学教学 以“感性认识”与“培养想象力”作为小学教学的方向。这一阶段的学生，发散思维力强，想象力丰富，活泼好动，接受新鲜事物的能力强。 结合以上的特点，每个小学单位至少配备一台以上的3D打印机。设置的3D打印课程应该“浅入浅出”。所谓的“浅入”，就是用生动活泼、浅显易懂的语言对3D打印的原理和3D打印机进行简单的介绍，让学生在感性上对3D打印有初步的认识，对打印原理、设备以及应用范围有个大致的了解。“浅出”就是通过做些有趣味性、引发联想、充分结合课程的简单小实验、小制作来加深学生对3D打印的认识和理解。此外，学校不能一味地使用强制性的考试、规范化的实验对学生进行应试教育，而应使用更自由、轻松的教学方式以提高学生的兴趣，使学生产生成就感，形成教学的良性循环5。3D打印课程的目的是将3D打印作为学生通往兴趣爱好的一座“桥梁”，而非仅作为一门来自于课堂又终结于课堂的课程。 在教学上，可以根据学校自身的特点、专家的研究等设计小实验、小制作。课程的核心必须是以拓展学生的思维、引导想象力为主，目的是要激发学生的想象力和兴趣、培养其思维能力。 2.2 中学教学 以“想象力和实践相结合”作为中学教学的方向。这一阶段的学生，发散性思维的能力与接受新鲜事物的能力依然很强，有一定的知识基础和逻辑思维能力。在小学阶段，学生有异想天开、天马行空的想法，在中学阶段，开设的3D打印课程应该有意识地引导学生的想象力，将想象力与实践结合。在数学、地理、生物等科目可以结合3D打印课程进行科目的交叉与融合。应该让学生在已有的认识基础上，加深对三维空间的理解，并且能简单地掌握建模软件如Auto CAD的操作，能进行简单或者相对复杂的建模。 在中学教学中，学生已经学习到地理、物理、生物、化学等学科。在现阶段的中学教学中，教学道具仍然匮乏，尤其在经济不发达的地区，更是如此。教师基本无法使用道具进行演示，只能利用课件、播动画和视频来替代。学习知识不应该和活动情景分离而独立抽象存在5，在情境中学习，与社会实践活动结合起来的学习将有利于学习的横向拓展和纵向深入。3D打印不受图形限制，可以打印出结构复杂的教学模型，教师将内部认知结构可视化，化抽象为具体，化复杂为简单6。理工科的课程中，实体化、可拆卸与装配、可运动的教学道具更能激发学生的兴趣和想象力。在制作个性化、非大批量的教学道具中，可以很好地利用3D打印的打印能力。 2.2.1 3D打印在地理课程中的应用 在地理课程的学习中，应用到大量的实体模型。实体模型能培养学生视空间能力，如教师可以打印出可运动的太阳系模型（其中包含可拆卸的太阳、水星、金星和地球等模型），在不同节气改变地球的位置；可以打印出不同时间段物体或现象的标志性状态的模型；也可以打印出可拆卸的房屋模型，用以演示地震对房屋的破坏；或者打印天气现象的运动模型，用以表现气旋、冷锋、暖锋等天气现象的运动；再比如使用模型层层分离的展示方式，展示不同地带的地形地貌、山岳的形状等。 通过打印图2的恒星系统，如太阳系（组件均来自3D打印）。教师可以结合课本介绍太阳系，并且移动地球等行星，以及对节气等知识点进行介绍。还可以从系统中拆卸地球模型，取出内部的每一层结构进行细致地讲解，让学生从宏观到局部系统地了解太阳系的结构。通过实物化的可运动太阳系系统，可以使知识生动形象，加深学生的认识。 2.2.2 3D打印在物理课程的应用 在物理的课程学习中，物理的许多电路、定律皆可由3D打印模型演示。如对自由落体、胡可、弹性碰撞等定律进行验证，或是合力的箭头模型、同步卫星模型、地球模型、实验电路模型的演示以及电阻、电容、电感等模型的类比演示等。同时，制作的3D模型可以与电子电路相结合，使模型能够完成相应的演示功能，如模型的LED发光、自行水平移动、垂直移动和旋转等。 通过打印如图3设备（含打印的无盖盒子、机械结构、排液管等，除了电压表、电源以及导线外，其他结构均由3D打印而成）的零件，可以引导学生在宏观上对电容有一个深刻的认识。在盒子里倒入导电液体，与电源、电压表连成闭合电路后，旋转可移动间距的旋钮，调整盒子的间距，或者调整排液旋钮，排出一定量液体，观察电压表的电压示数变化。随后教师可以通过联系所学知识，解释实验现象。学生能调整盒子间距、导电液体的量、以及更换“电容”介质等进一步加深对电容的重要公式及相关知识的理解。3D打印类似的实验装置可以很好地应用于教学，不仅可以验证理论的正确性，还能培养学生的动手能力，激发他们的想象力和兴趣。只要有3D模型就能随时打印并组装，快捷且方便。 2.2.3 3D打印在生物课程中的应用 在生物课程的学习中，能应用到大量的实体模型。使用3D打印的技术，可以打印出可拆卸的细胞、细菌、病毒的结构模型、可拆卸的多肽链、多糖、蛋白质、核酸等大分子的化学球形结构模型或者可运动的细胞膜的结构模型。打印理解难度较大的细胞有丝和无丝分裂等模型可以很好地解决学生的理解问题。 通过打印出细胞模型，如图4所示的半截面的植物细胞模型。3D打印出层1（细胞壁）、层2（细胞液）外壳以及各种不同的细胞器（使用不同颜色材料的打印，以增加细胞器的区分度）后，再组合起来。因为打印的难度不大，整体耗材少，所以可以打印出整班的数量。教师进行相关知识的讲解前，可以把打印好的模型分发给所有的学生。学生除了能在课堂上结合老师的讲解和课本的介绍，利用细胞的立体模型对植物细胞的知识进行深入了解外，课下还可以用模型做进一步的对照复习。通过拆卸细胞模型，可充分调动学生的视觉、触觉等感官，加深其对知识的理解。 在中学阶段，除了在课堂教学上使用结合3D打印的教学用具外，可以适度举行涉及3D打印的竞赛，竞赛可以采用外观设计、组合结构、教学用具创新等形式。考虑到中学生的3D设计能力并没有良好的基础，因此学校或比赛举办方可以提供相关的模型给学生参考。如在机器人DIY竞赛中，比赛举办方提供种类繁多的3D模型包，学生可以自行设计机器人的结构图，并从模型包中取出相应的3D模型并打印，最后根据结构图组装起来。 2.3 大学教学 在目前的大学教学中，3D打印技术使用比较广泛。涉及到实物的外观、结构、机械、电路等的课程，皆可使用3D打印技术。除了在高等数学、大学物理、机械原理与设计、材料力学等基础课或专业课程的教学中使用3D打印的教学模型外，也能在实验、课程设计中使用3D打印。 随着各专业学科的交叉与融合，以及3D打印技术的日益成熟，它与各相关学科的结合会越加紧密，其作为“桥梁”性质的实现方式会越来越重要。各高校的专业设置虽涉及到3D打印，但并没有开设3D打印技术的相关课程，因此学生建模水平不高，设计出的成品与实际需求相距甚远。 3D打印本科专业建设的核心是“创新、设计、建模”。由于3D打印的接口面广，因此专业课设置要在不同方向上有所侧重。要学习的课程分为公共基础课、专业基础课、专业课以及课程设计。公共基础课包括高等数学、大学英语、大学物理、工程制图、线性代数、机械原理及设计、电工电子技术等。鉴于目前缺少适用于大学教学的3D打印教材，在此仅提供基础专业课的教学课程有：3D打印导论、3D打印原理、常规3D打印机的结构及组装、3D打印基础设计、3D建模基础与提高（使用目前流行的3DMAX、MAYA、Rhino等软件进行学习与应用）等。 学生自行选择不同行业方向的专业课，如动漫、机械、建筑、汽车、首饰等。以首饰专业课为例，它涉及到首饰设计、加工工艺、创意设计以及结构美学等课程。在选择相应的方向后，应增加该行业的相关知识的课程，以提高学生的基础。公共基础课、专业基础课作为学习基础，专业课则作为所学知识的综合运用。课程由浅至深，逐层递进和深入，最终促使学生掌握创新、应用的技能。教师在教授专业课时应注重引导学生的创新思维能力、发散思维能力，在实验、课程设计上应设计弹性大的题目。 至此，可以通过表1总结出小、中、大学不同学习阶段学生特点、教学基础、教学目标和教学内容。 3 教学实践中的问题与建议 3D打印在本质上是多媒体技术的延伸，是虚拟现实技术的延伸，它拓展了人的感觉和知觉，促进了人的思维能力的进一步发展，它与教学的融合势在必行7。 目前，3D打印在教学实践中存在诸多问题或空白，拓宽教学实践的各环节将促使3D打印与教学实践进一步的融合与发展。以下提出相关的建议。 3.1 学校安装相关配套的3D打印机 目前大多数学校没有配备相关配套的3D打印机，而3D打印机是进行教学、研究的基础设备。如果教学条件允许，还可以配备相关的外围设备，如3D Camega、KinectDIY等专业3D扫描仪。此外政府可以出台相关的政策，为大中小学配备3D打印机及相关设备。据了解，我国政府计划将在两年内为全国四十万所小学安装3D打印机，用于学校的教学和研究。未来可能会在大、中学推行进一步的相关政策。 3.2 编撰规范化的教材 3D打印技术虽然不是一门新兴的技术，发展的时间也相应的比较长，但目前的教学中仍然缺少内容丰富、案例经典的教材作为教学的参考。因此可编写适合大中小学使用的3D打印技术的书籍作为教学的材料。但不强制要求各学校必须采用，学校也可以自行编写符合自身教学要求的教材。规范化教材编写的主要出发点是用于规范化的教学。 3.3 对教师进行培训 3D打印教师应该在技术和教学设计等层面进行学习和提高，做好领路人的角色。课程设计应该围绕“切合实际、拓展思维和激发想象力”的目的。在中小学教师的培训上，培训人员除了教授相应的3D打印原理、机械结构、耗材等知识外，应该将重点放在培训教师对学生的思维与想象力进行引导的方法和技巧上。培训大学和职校教师，应该使其“各习所长”，即在他们的专业方面，针对性地教授不同专业的结构、建模、耗材、支撑等方面的知识和经验，辅以典例为佳。 3.4 相关竞赛设计 在各类大中小学竞赛中，学生往往只能使用举办方所提供的配套组件进行组装和二次开发，这在很大的程度上阻碍和限制了学生想法的表达，不利于学生在实践中自由发挥和拓展。3D打印能很好地提供解决方案，学生可以根据自己的想法设计并打印出相应的模型，并组装在自己的参赛作品中。此外，为了使3D打印能更好地与教学、实践等融合，可以举行不同主题的比赛。竞技类型，如机器人足球、机器人篮球、机器人搏击比赛、竞速、花样飞行、抢夺比赛等；解决任务型，如智能辅助；开拓思维型，如组合联动结构。也可以举行开拓参赛团队思维的比赛，设计并打印出新颖、独特、具有创造性的机器人零部件、外壳、骨架等。鼓励比赛优秀的作品进行进一步的研发。这样的比赛除了能促进3D打印的技术更新和发展外，还能拓展学生对控制芯片的编程、机械结构、模拟电路的认识。 3.5 成立相关委员会 目前的3D打印并没有很好地纳入规范化的组织和管理中，成立相关的委员会是行之有效的方法。通过成立相关委员会，创立评选制度，可以支持大中小学的学生对感兴趣的方向进行创新。可以通过评选项目提供必要的资金，并配给相应的指导老师。再者