3D打印技术在中小学教学中的应用
引言
3D打印技术以计算机辅助设计（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地制造。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，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地关注。 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2012-2013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打印技术的独特功能一一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，促使学生更加的主动地参与到打印活动。
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。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”，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，主动的进行学习和探究。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。
“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的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的将学习的主动权交付学生，让学生在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。 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、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，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
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