三D打印技术在教学中的应用与探索样本

3D打印技术在教学中应用与摸索摘要：随着3D打印技术日益成熟，以及其在各行业和领域极具潜力革命性应用，如何普及3D打印并为社会培养专业3D打印人才是当前学校教诲一种重要课题之一。本文分析了3D打印分别在不同教学阶段受众特点，针对大、中、小学总结出不同教学目的和教学办法，提出了一种全过程3D打印教学体系和培养方针。通过详细案例，本文指出可以将3D打印融入主流课程教学实践当中，服务和提高已有课程教学水平。最后，本文总结了3D打印在教学实践中也许面临问题和解决方案，为有效开展3D打印在各阶段教学提供了理论指引和实际建议。Abstract：Withtheincreasinglymatureof3Dprintingtechnology，aswellasitsapplicationinvariousindustries，howtopopularize3Dprintingandcultivateprofessional3Dprintingtalentsforthesocietyisanimportanttaskofthecurrentschooleducation.Thispaperanalyzes3Dprintingaudiencecharacteristicsindifferentstagesofteaching，sumsupdifferentteachinggoalsandteachingmethodsrespectivelyforcollege，middleschoolandprimaryschool，andputsforwardawholeprocessof3Dprintingteachingsystemandcultivationguidelines.Throughthespecificcase，thispaperpointsoutthat3Dprintingcouldbeincludedinthemainstreamcurriculumteachingpracticetoserveandenhancethelevelofexistingteaching.Finally，thispapersummarizestheproblemsandsolutionsof3Dprintingteachingpractice，providestheoreticalguidanceandpracticaladviceforeffectivelycarryingout3Dprintingineverystageoftheteaching.核心词：3D打印；技术创新；教学办法；人才培养Keywords：3Dprinting；technologicalinnovation；teachingmethods；cultivationoftalents中图分类号：G40-057文献标记码：A文章编号：1006-4311（）32-0178-040引言发达国家已经开始摸索3D打印技术对教诲影响，并成立了有关项目用以增进3D打印技术与教诲融合，从而培养出适应当代设计、制造潮流人才，从而提高自身竞争力。新媒体联盟（NewMediaConsortium，NMC）在地平线报告中提出，3D打印是将来四到五年内值得关注新技术，它将带来教学、学习和研究领域创新[1]。英国教诲部已经选用多所小学作为试点学校，设立有关基金，为学校购买3D打印机，并对教师进行有关培训，此外，还开设3D打印有关课程作为学生手工课。学生可以通过电脑建模，打印自己所喜欢模型[2]。欧洲某些国家也进行了3D打印有关教学调研，如“将来教诲与学习”（LIFE）项目，对欧洲7国师生进行调研，以获得3D教学对学生课堂专心度和学习成绩影响[3]。希腊在两所高校开始初步实验将3D打印作为学习手段教学办法[4]。美国STEM教诲中STARBASEMinnesota是对学生提供STEM训练教诲项目。该项目通过引入3D打印支持，使学生能通过CAD软件自行设计相应课程模型，并进行实际测试和分析。该课程项目能极大地调动学生积极性，使枯燥数学分析亦能激发学生兴趣[1]。此外，尚有某些职业学校项目，如PlayMaker。该项目环绕着3D打印技术这一核心课程，学生可以设计、打印和验证模型物理理论。较之国外而言，国内3D打印普及和教诲仍处在起步阶段。国家当前十分注重3D打印技术和应用发展，例如国内科技部已将3D打印技术纳入国家863筹划，各地学校也开始进行关于3D打印课程试点。13D打印发呈现状以及学校教诲可行性当前3D打印机成本及其打印材料、质量、时间等都是制约3D打印在学校教诲中普及因素。解决好这些瓶颈能更好地增进教学和研究发展，为摸索教学新方向提供有效办法。1.13D打印机成本3D打印机成本始终是制约3D打印发展瓶颈。3D打印机售价从几千元到几十万元不等。为了减少3D打印机成本，许多公司已经着手相对便宜3D打印机研发。据报道，有些公司已经开始抢占教诲行业市场，推销千元如下3D打印机。随着3D打印机成本进一步减少，其普及将不再是难题。1.23D打印材料另一种制约3D打印普及瓶颈是耗材。当前3D打印可以支持各种打印材料，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打印支持各种类型材料，但不同材料需要相应打印设备支持，此外打印材料价格也并不便宜。当前教学研究中使用较为普遍是PLA（生物降解塑料聚乳酸，PolylacticAcid）材料和ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯，AcrylonitrileButadieneStyreneAcrylonitrileButadieneStyrene）。一公斤PLA或ABS耗材市场价格为60元左右。随着材料进一步改进和研发，生产技术发展和生产厂商增长，普通耗材价格将慢慢降至教学可接受范畴内。1.33D打印质量在打印模型过程中，有时会由于机器自身或环境问题，导致打印质量并不抱负，成品率普通在30%-50%左右，甚至更低。其中便宜3D打印机也是使成品率减少因素。种种因素将不利于教学实践和教学研究使用。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种亟待解决问题，当前3D打印时间普遍偏长，阻碍了教学实践以及教学研究发展。据报道，现下最新研究3D打印技术CLIP（ContinuousLiquidInterfaceProduction）打印速度是旧式打印几十倍以上，其打印出物体表面也十分光滑，完整。这项技术若能普及，将弥补3D打印时间长缺陷。23D打印在不同教诲群体中教学分析与探讨在3D打印教学上，学校应当在3D打印课程进行细致、进一步地规划，履行多方向、多环节主题学习。学生通过摸索、想象、实践等环节学习后，将激发想象力以及提高学习效率与兴趣。结合不同步期学生学习方向，学生在各阶段进程和方向上均有所侧重，进程如图1所示。2.1小学教学以“感性结识”与“培养想象力”作为小学教学方向。这一阶段学生，发散思维力强，想象力丰富，活泼好动，接受新鲜事物能力强。结合以上特点，每个小学单位至少配备一台以上3D打印机。设立3D打印课程应当“浅入浅出”。所谓“浅入”，就是用生动活泼、浅显易懂语言对3D打印原理和3D打印机进行简朴简介，让学生在感性上对3D打印有初步结识，对打印原理、设备以及应用范畴有个大体理解。“浅出”就是通过做些有趣味性、引起联想、充分结合课程简朴小实验、小制作来加深学生对3D打印结识和理解。此外，学校不能一味地使用强制性考试、规范化实验对学生进行应试教诲，而应使用更自由、轻松教学方式以提高学生兴趣，使学生产生成就感，形成教学良性循环[5]。3D打印课程目是将3D打印作为学生通往兴趣兴趣一座“桥梁”，而非仅作为一门来自于课堂又终结于课堂课程。在教学上，可以依照学校自身特点、专家研究等设计小实验、小制作。课程核心必要是以拓展学生思维、引导想象力为主，目是要激发学生想象力和兴趣、培养其思维能力。2.2中学教学以“想象力和实践相结合”作为中学教学方向。这一阶段学生，发散性思维能力与接受新鲜事物能力依然很强，有一定知识基本和逻辑思维能力。在小学阶段，学生有异想天开、天马行空想法，在中学阶段，开设3D打印课程应当故意识地引导学生想象力，将想象力与实践结合。在数学、地理、生物等科目可以结合3D打印课程进行科目交叉与融合。应当让学生在已有结识基本上，加深对三维空间理解，并且能简朴地掌握建模软件如AutoCAD操作，能进行简朴或者相对复杂建模。在中学教学中，学生已经学习到地理、物理、生物、化学等学科。在现阶段中学教学中，教学道具依然匮乏，特别在经济不发达地区，更是如此。教师基本无法使用道具进行演示，只能运用课件、播动画和视频来代替。学习知识不应当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学习将有助于学习横向拓展和纵向进一步。3D打印不受图形限制，可以打印出构造复杂教学模型，教师将内部认知构造可视化，化抽象为详细，化复杂为简朴[6]。理工科课程中，实体化、可拆卸与装配、可运动教学道具更能激发学生兴趣和想象力。在制作个性化、非大批量教学道具中，可以较好地运用3D打印打印能力。2.2.13D打印在地理课程中应用在地理课程学习中，应用到大量实体模型。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太阳系模型（其中包括可拆卸太阳、水星、金星和地球等模型），在不同节气变化地球位置；可以打印出不同步间段物体或现象标志性状态模型；也可以打印出可拆卸房屋模型，用以演示地震对房屋破坏；或者打印天气现象运动模型，用以体现气旋、冷锋、暖锋等天气现象运动；再例如使用模型层层分离展示方式，展示不同地带地形地貌、山岳形状等。通过打印图2恒星系统，如太阳系（组件均来自3D打印）。教师可以结合课本简介太阳系，并且移动地球等行星，以及对节气等知识点进行简介。还可以从系统中拆卸地球模型，取出内部每一层构造进行细致地解说，让学生从宏观到局部系统地理解太阳系构造。通过实物化可运动太阳系系统，可以使知识生动形象，加深学生结识。2.2.23D打印在物理课程应用在物理课程学习中，物理许多电路、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，或是合力箭头模型、同步卫星模型、地球模型、实验电路模型演示以及电阻、电容、电感等模型类比演示等。同步，制作3D模型可以与电子电路相结合，使模型可以完毕相应演示功能，如模型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（含打印无盖盒子、机械构造、排液管等，除了电压表、电源以及导线外，其她构造均由3D打印而成）零件，可以引导学生在宏观上对电容有一种深刻结识。在盒子里倒入导电液体，与电源、电压表连成闭合电路后，旋转可移动间距旋钮，调节盒子间距，或者调节排液旋钮，排出一定量液体，观测电压表电压示数变化。随后教师可以通过联系所学知识，解释实验现象。学生能调节盒子间距、导电液体量、以及更换“电容”介质等进一步加深对电容重要公式及有关知识理解。3D打印类似实验装置可以较好地应用于教学，不但可以验证理论对的性，还能培养学生动手能力，激发她们想象力和兴趣。只要有3D模型就能随时打印并组装，快捷且以便。2.2.33D打印在生物课程中应用在生物课程学习中，能应用到大量实体模型。使用3D打印技术，可以打印出可拆卸细胞、细菌、病毒构造模型、可拆卸多肽链、多糖、蛋白质、核酸等大分子化学球形构造模型或者可运动细胞膜构造模型。打印理解难度较大细胞有丝和无丝分裂等模型可以较好地解决学生理解问题。通过打印出细胞模型，如图4所示半截面植物细胞模型。3D打印出层1（细胞壁）、层2（细胞液）外壳以及各种不同细胞器（使用不同颜色材料打印，以增长细胞器区别度）后，再组合起来。由于打印难度不大，整体耗材少，因此可以打印出整班数量。教师进行有关知识解说前，可以把打印好模型分发给所有学生。学生除了能在课堂上结合教师解说和课本简介，运用细胞立体模型对植物细胞知识进行进一步理解外，课下还可以用模型做进一步对照复习。通过拆卸细胞模型，可充分调动学生视觉、触觉等感官，加深其对知识理解。在中学阶段，除了在课堂教学上使用结合3D打印教学用品外，可以适度举办涉及3D打印竞赛，竞赛可以采用外观设计、组合构造、教学用品创新等形式。考虑到中学生3D设计能力并没有良好基本，因而学校或比赛举办方可以提供有关模型给学生参照。如在机器人DIY竞赛中，比赛举办方提供种类繁多3D模型包，学生可以自行设计机器人构造图，并从模型包中取出相应3D模型并打印，最后依照构造图组装起来。2.3大学教学在当前大学教学中，3D打印技术使用比较广泛。涉及到实物外观、构造、机械、电路等课程，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、材料力学等基本课或专业课程教学中使用3D打印教学模型外，也能在实验、课程设计中使用3D打印。随着各专业学科交叉与融合，以及3D打印技术日益成熟，它与各有关学科结合会越加快密，其作为“桥梁”性质实现方式会越来越重要。各高校专业设立虽涉及到3D打印，但并没有开设3D打印技术有关课程，因而学生建模水平不高，设计出成品与实际需求相距甚远。3D打印本科专业建设核心是“创新、设计、建模”。由于3D打印接口面广，因而专业课设立要在不同方向上有所侧重。要学习课程分为公共基本课、专业基本课、专业课以及课程设计。公共基本课涉及高等数学、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。鉴于当前缺少合用于大学教学3D打印教材，在此仅提供基本专业课教学课程有：3D打印导论、3D打印原理、常规3D打印机构造及组装、3D打印基本设计、3D建模基本与提高（使用当前流行3DMAX、MAYA、Rhino等软件进行学习与应用）等。学生自行选取不同行业方向专业课，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、创意设计以及构造美学等课程。在选取相应方向后，应增长该行业有关知识课程，以提高学生基本。公共基本课、专业基本课作为学习基本，专业课则作为所学知识综合运用。课程由浅至深，逐级递进和进一步，最后促使学生掌握创新、应用技能。教师在专家专业学时应注重引导学生创新思维能力、发散思维能力，在实验、课程设计上应设计弹性大题目。至此，可以通过表1总结出小、中、大学不同窗习阶段学生特点、教学基本、教学目的和教学内容。3教学实践中问题与建议3D打印在本质上是多媒体技术延伸，是虚拟现实技术延伸，它拓展了人感觉和知觉，增进了人思维能力进一步发展，它与教学融合势在必行[7]。当前，3D打印在教学实践中存在诸多问题或空白，拓宽教学实践各环节将促使3D打印与教学实践进一步融合与发展。如下提出有关建议。3.1学校安装有关配套3D打印机当前大多数学校没有配备有关配套3D打印机，而3D打印机是进行教学、研究基本设备。如果教学条件容许，还可以配备有关外围设备，如3DCamega、KinectDIY等专业3D扫描仪。此外政府可以出台有关政策，为大中小学配备3D打印机及有关设备。据理解，国内政府筹划将在两年内为全国四十万所小学安装3D打印机，用于学校教学和研究。将来也许会在大、中学履行进一步有关政策。3.2编撰规范化教材3D打印技术虽然不是一门新兴技术，发展时间也相应比较长，但当前教学中依然缺少内容丰富、案例典型教材作为教学参照。因而可编写适合大中小学使用3D打印技术书籍作为教学材料。但不强制规定各学校必要采用，学校也可以自行编写符合自身教学规定教材。规范化教材编写重要出发点是用于规范化教学。3.3对教师进行培训3D打印教师应当在技术和教学设计等层面进行学习和提高，做好领路人角色。课程设计应当环绕“切合实际、拓展思维和激发想象力”目。在中小学教师培训上，培训人员除了专家相应3D打印原理、机械构造、耗材等知识外，应当将重点放在培训教师对学生思维与想象力进行引导办法和技巧上。培训大学和职校教师，应当使其“各习所长”，即在她们专业方面，针对性地专家不同专业构造、建模、耗材、支撑等方面知识和经验，辅以典例为佳。3.4有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配套组件进行组装和二次开发，这在很大限度上阻碍和限制了学生想法表达，不利于学生在实践中自由发挥和拓展。3D打印能较好地提供解决方案，学生可以依照自己想法设计并打印出相应模型，并组装在自己参赛作品中。此外，为了使3D打印能更好地与教学、实践等融合，可以举办不同主题比赛。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，如组合联动构造。也可以举办开拓参赛团队思维比赛，设计并打印出新颖、独特、具备创造性机器人零部件、外壳、骨架等。勉励比赛先进作品进行进一步研发。这样比赛除了能增进3D打印技术更新和发展外，还能拓展学生对控制芯片编程、机械构造、模仿电路结识。3.5成立有关委员会当前3D打印并没有较好地纳入规范化组织和管理中，成立有关委员会是行之有效办法。通过成立有关委员会，创立评比制度，可以支持大中小学学生对感兴趣方向进行创新。可以通过评比项目提供必要资金，并配给相应指引教师。再者，如果学生可以靠自身能力切实改进了3D打印技术，并有相应展