3D打印技术在中小学教学中的应用研究

　　[摘 要] 2013年伊始，3D打印技术突然成为人们关注的热点，由工业、建筑、军事等应用领域逐渐走向民用领域。教育领域，特别是基础教育领域应用3D打印技术还处于起步、探索阶段。文章介绍了什么是3D打印技术：3D打印技术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;列举了3D打印技术在中小学学科教学中应用的几个案例;3D打印技术目前面临的一些诸如普及慢、成本高、速度慢等局限性。最后指出，3D打印技术作为第三次工业革命的重要标志之一，未来4～5年，必将普遍走进中小学课堂，必将对现有教学产生深刻的影响和变革。

　　[关键词] 3D打印：三维模型;中小学;教学应用

　　当前，3D打印技术正逐渐步入人们的视野。2012年11月16日在深圳举行的第十四届中国国际高新技术成果交易会将3D打印技术推向了一个高潮。2013年5月30日在北京召开的首届世界3D打印技术产业大会成立了世界3D打印技术产业联盟，标志着3D打印技术真正进入了大规模应用和研究的阶段。目前，在教育领域，特别是中小学基础教育领域，3D打印技术的应用还是一个崭新的领域，有许多问题值得研究和探讨。

　　一、什么是3D打印技术

　　3D打印技术，学名为“快速成型技术”(Rapid Prototype)，也称为“增材制造技术”，是一种以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，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印机出现在20世纪90年代中期，是一种利用光固化和纸层叠等技术的快速成型装置。它与普通打印机工作原理基本相同，打印机内装有液体或粉末等“打印材料”，与电脑连接后，通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。3D打印无须机械加工或任何模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件，从而极大地缩短产品的研制周期，提高生产率和降低生产成本。灯罩、身体器官、珠宝、根据球员脚型定制的足球靴、赛车零件、固态电池以及为个人定制的手机、小提琴等都可以用该技术制造出来。如今，这一技术在多个领域得到应用，人们用它来制造服装、建筑模型、汽车、玩具、巧克力甜品等。

　　二、3D打印技术教学应用理论依据

　　学习理论、教学理论以及“经验之塔”理论都为3D打印技术在教学中的应用提供了很好的理论依据。

　　学习理论是心理学中最核心，也是发展最成熟的领域之一。不管是华生的行为主义学习理论，还是斯金纳的操作性条件作用学习理论，都能有效地指导3D打印技术在教学中的实践活动。教学理论中的实验法教学方法，让3D打印技术有充分的用武之地。实验法是学生在教师指导下，运用一定的仪器设备进行独立操作，观察和研究这种操作引起的现象和过程，以获取知识的教学方法。实验法的基本形式是学生在教师的指导下独立自主地学习。实验法的优点在于，学生通过亲身活动，从感性知识过渡到理性知识，认识的过程比较完整。通过这种学习，学生的观察能力、独立思考能力、动手能力得到了很好的锻炼;求实的科学态度、探究的科学精神、热爱科学的情感也得到了培养。

　　戴尔于1946年所著的《教学中的视听方法》一书中提出的“经验之塔”理论融合了杜威的教育理论和当时流行的心理学观点，成为以后视听教学的主要理论依据。在“经验之塔”理论中，最底层的经验最具体，越往上越抽象，排成一个序列;教学活动应从具体经验入手，逐步进入抽象经验：在学校教学中使用各种媒体，可以使教学活动更具体，也能为抽象概括创造条件;位于“塔”的中间部位的那些视听教材和视听经验，比上层的言语和视觉符号具体、形象，又能突破时间与空间的限制，弥补下层直接经验的不足。

　　在教学过程中，我们要善于用好各种媒体，要学会并善于引用一些先进技术，来弥补各种直接经验的不足，变抽象为具体，使教学活动更高效。

　　总之，无论是在班级授课制的教学活动中，还是在个人的自主学习中，我们都要善于用技术来武装自己，让抽象的更具体，让具体的更形象。具体的学习经验是抽象经验的基石，所以，我们要用好具体的学习经验的基础，以便更好地与抽象的学习经验相结合。

　　综上所述，3D打印技术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。

　　三、3D打印技术教学应用案例

　　3D打印技术作为多媒体技术的新成员，其在中小学教学活动中的应用才刚刚起步。这里略举几例，加以说明。

　　1.语文学科

　　中小学都有说明文的教学，3D打印技术可以在这类教学中发挥积极的作用。例如，小学五年级《赵州桥》的教学。如果不是赵州桥所在地的学生，小学生就只能通过图片或视频来了解赵州桥的结构。3D打印技术的出现，可以很方便地打印出赵州桥的模型，学生就可以很直观地观察、欣赏赵州桥的整体及各个部分的构成。课文中的关于赵州桥具有泄洪能力的教学难点，学生通过观察模型桥梁以及做实验的方法，可以比较容易地突破。

　　又如，初中语文《人民大会堂》一课的教学。这篇课文比赵州桥的难度大多了。因为人民大会堂的结构比赵州桥更复杂。以往的教学主要是靠学生对文字的理解来掌握课文内容，最多也就是找些图片和视频帮助学生来理解人民大会堂的结构和功能。有了3D打印技术后，老师可以给每位同学打印出一个“真实”的人民大会堂供学生课前预习、课上讨论、课后研究，整个教学过程变得生动活泼，充满乐趣，教学效率自然会有很大提升。

　　2.数学学科

　　数学学科中关于立体几何，在中学和小学都有相关的内容。这部分内容对于学生来说，往往都是难点。以往在这部分教学内容上，教师大多采用画分解图，或者通过削萝卜(泥巴)等方法帮助学生理解几何体的变化。这些教具的准备往往费时费力，效果却不理想。现在有了3D打印技术，教师可以很方便地给学生打印出所需的几何体，根据需要实际切割或做其他的变化，这样的教学真是事半功倍，一下子就破解了问题的难点。

　　如，初中的学生很难知道一个圆柱体被拦腰斜切一刀，得到的截面是一个什么图像?学生自己画图或者教师画图帮助解释，学生都难以理解。而在3D打印技术的帮助下，这个问题就变得非常容易了。学生可以自己在3D打印出的实物上斜切一刀，再对截面图做进一步的测量、计算，自己就会得出结论。最后再进一步由感性知识上升到理性知识，从而实现知识的深化。

　　3.英语学科

　　英语学科学习必须掌握大量单词。以水果学习为例，我国南北方水果品种差异很大，有很多学生没有见过异地的水果。譬如，北方的学生可能没有见过南方的热带水果荔枝、黄皮、火龙果、菠萝蜜、莲雾、佛手瓜等等，而南方的学生可能没有见过毛杏子、李子、桑葚、石榴、樱桃等等。以往在学习这些单词时，最多也就是找些图片帮助学生记忆。现在，如果学生没有见过某种水果，老师可以马上用3D打印机打印出一个“真实”的水果给学生，这样，有了感性认识做基础，记忆单词就简单多了。

　　4.物理学科

　　物理学科的电路图连接对于初中学生是一个不小的困难。以前在解决这个难点时，通常采用在电路图上反复练习的办法。由于电路图十分抽象，部分学生总是不得要领，经常出错。如果3D打印技术出现在课堂上，教师打印出实物，让学生反复训练电路的连接，基本掌握好以后，再过渡到电路图的连接。通过这样一个过渡，学生学习的难度大大降低了，从而可以快速地掌握该知识点。

　　5.化学学科

　　化学学科中的分子、原子、质子、电子等的结构由于摸不着、看不到，学生理解起来十分困难。有了3D打印技术后，完全可以按比例把这些微观的东西放大并呈现出来。这种变微观为宏观的办法，对于初中学生的学习非常有帮助，学习的难点一下子就突破了。

　　6.地理学科

　　中学生很难理解太阳、地球及月亮的位置关系以及相关的日食、月食、节气等概念。在现有条件下，虽然也可以通过计算机动画来模拟太阳、地球及月亮的位置关系，但动画的制作成本较高，而且各个对象是虚拟的，非实物的，学生理解起来依然比较困难，与此相关的概念掌握也是问题很多。如果有了3D打印技术，太阳、地球、月亮可以按比例缩小打印出来，师生可以随时调整三者的位置关系，从而使相关概念的学习和各种问题的解决变得相对容易。这种变宏观为中观的办法，在教学中也非常有用。

　　7.生物学科

　　生物学科中有许多微观的内容和不便观察的内容让学习变得困难起来。如细胞的结构、血管的构造、大脑皮层的结构等内容，学生理解常常有很大的困难。像上述内容的学习，在3D打印技术支持的教学中，会变得相对容易。教师可以把细胞结构图和血管结构图放大并打印出来，也可以把大脑皮层的结构图放大并打印出来。有了这些打印出来的材料，学生的学习就会变得轻松快乐。

　　8.信息技术学科

　　信息技术学科中的计算机硬件认识和计算机组装一直是教学的难点之一。从前的教学中由于硬件的缺乏，教师只能用少量的设备给学生集体观察和演示，学生很难近距离地直接触摸诸如主板、网卡、内存条、CPU等，得来的知识总是模模糊糊。而3D打印技术的出现，可使这些配件按1：1的模型打印出来，分发给每一位学生，这样可以很容易地满足学生近距离触摸、观察及亲自组装的愿望。

　　9.通用技术学科

　　通用技术学科有许多场合需要3D打印技术的支持。如工艺设计教学中，可以使用3D打印技术来辅助模具的设计和工艺改进。由于3D打印机打印模具的方便快捷和成本低廉，这可以大大提高模具设计的效率。

　　又如在汽车维修与保养的教学中，由于实际汽车的成本较高，教学通常采用集体观看图片和视频的办法来组织教学，学生很难触摸到汽车真实的部件，直观感觉很差，教学效果很难保证。但是，3D打印技术的出现，完全可以使这种局面发生改观。学生可以利用3D打印机打印出的缩小版的模型进行详细的观察和维修实验。这种实际的操作远远胜于纸上谈兵式的教学，从而使教学效果产生质的飞跃。