3D打印技术在教学中的应用与探索

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。