基于3D打印技术的小学教学应用研究

黄延慧　陈婷婷　王洪江

摘要：随着信息技术的不断发展，3D打印技术在教育教学中的应用越来越广泛。该文通过分析3D打印技术的基本原理以及相关的理论支持，并利用具体的教学案例来分析3D打印在国内外小学教育中的应用现状，从而总结分析3D打印在小学教育教学中存在的问题以及给教学带来的优势，为3D打印技术在小学教育教學中的应用提出优化的建议。

关键词：3D打印技术；小学教学应用

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）29-0204-02

3D打印（3D printing），又称增量制造、积层制造（AdditiveManufacturing，AM），可指任何打印三维物体的过程。与传统的打印技术相比，3D打印技术具有以下三个特点：个性化制作的可实现性；产品研制周期的短期性；材料的高利用率。随着STEM教育在国内外的兴起以及3D打印技术的不断进步，这一技术在教育领域的应用得到支持，在教学中适当使用3D技术，不但可增强学生的创新能力，也能增强学生的实际操作能力。

13D打印技术教学应用的理论依据

1.1学习理论

“学习理论”要解决的基本问题是学习的实质问题，即有机体是如何获得个体经验的，这个获得的过程的实质如何。童宇阳学者认为华生的行为主义学习理论和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。学生的独立思考能力、动手能力、观察能力可通过这种基于实践的学习形式得到提高，同时探究的科学精神、热爱科学的情感也能得到培养。在利用3D技术进行实际教学时，应该注重如何让学生利用技术解决实际问题，而不是仅仅局限于技术本身。

1.2活动理论

活动理论是指的是“主体与客观世界的交互作用的过程。”钟启泉学者提出学生的人格发展是在一定的社会关系之中并通过活动得以实现的。因此，在学生的教学活动中，适当地融入活动，有助于学生人格发展。王萍学者认为基于3D打印的学习是一种在真实而富有意义的任务和问题驱动下的“做中学”，是一种活动教学。在“做中学”这种活动教学形式中，学习者通过问题或目标导向，并与其他学习同伴相互协作解决或完成相关的学习任务，在完成任务中以3D打印机或3D建模软件等工具为中介。基于活动理论设计的3D打印教学活动，更突出学生的自主学习以及自我解决问题的主导地位，同时也激发了学生的学习兴趣，让学生在做中学，学中做。

2教学应用

2.1.设计软件

利用软件让学生构想的虚拟物品通过3D打印机输出，是实现3D打印的重要组成部分。制作3D打印的软件有各种不同的软件，如3Dmax，Maya等，但是对于小学生来说，设计软件的操作的简单性是选择作为3D打印设计软件的一个重要特性。对于3Dmax这类较为复杂的设计软件，显然是不利于小学生进行创作的。为了让学生能更好地进行创作，为更好地实现3D打印在小学教学中的应用，下面将介绍几款适合小学生使用的3D建模软件。

2.1.13Done

3Done（http：//www.i3done.com/）是一款是国内制作的有多种不同版本的三维设计软件。它的界面简单容易操作，共有四个版本。3Done家庭版适合学生在家庭中使用，但不能在学校中使用。3DOne Plus是进阶版，实现360°任意建模的高级定制，可设计3D曲面造型和对设计进行修补。3Done Cut是激光切割3D设计软件，实现二、三维随意转化的灵活设计，但需要学校提供切割机才能使用。3Done Mini一款面向小学低年级的趣味三维创意设计APP。除第一个版本免费外，其他版本都需要收费。

2.1.2autodesk123 Ddesign

autodesk123 Ddesign（http：//www.123dapp.com/design）是国外的一款软件，界面简洁，容易掌握，但这款软件只有英文版，对于低年级的学生使用可能较困难。软件可以直接通过基本的草图和形状设计复杂的3D模型，这些模型可以直接通过3D打印机或者是数控激光切割机输出。

2.1.3Rhinoceros

Rhinoceros（https：//www.rhin03d.com/）可以创建、编辑、分析、提供、渲染、动画与转换NURBS、曲面、实体与多边形网格，不受精度、复杂、阶数或是尺寸的限制。这款软件需要付费，而且界面相对于上述的软件较为复杂，功能较多。

2.2应用案例

2.2.1国内案例

2.2.1.1开设社团活动、兴趣班

马府街小学学校通过开设社团课的形式进行授课，每周组织学生参加3D打印社团活动。信息技术教师的主要任务是不断地探索使用方法，在打印前关键的是利用建模软件进行设计。如指导学生建一个飞机的模型，需要花费两个小时，所以老师都认为建模是最关键的一步。

福州钱塘小学在课程开设3D打印兴趣课前，授课老师以及部分学生家长和学生一同试听，试听效果满意后，在开学时开设课程。课程总共20个学时，第一阶段是利用简单模型下载直接打印，第二阶段通过学习设计物品架、花瓶等掌握建模软件，并通过第三阶段的设计分享激发学生的创意，锻炼学生们的团队协作能力和沟通能力。

2.2.1.2由公司到校课程培训

由专门的培训公司到校内对学生开设课程，为学生提供专业的指导。宏博思维公司在小学中设立了3D立体设计的基础概念及应用课程。课程的培养目标是培养对立体设计及打印的兴趣，启发创作思维发挥创意，建立对3D立体设计软件操作技巧的基础，提升数学及逻辑思维。每个班级安排10-20名学生，学生通过四节课，根据要求完成不同的指定的简单物品。课程结束后，能完成相关要求的学生可以获得证书。这种以公司的形式进入学校进行培训的形式，能给学生更加专业的指导。

2.2.1.33D打印技术与学科课程融合

童宇阳学者通过分析3D打印技术的相关原理，提出了3D打印与学科教学的融合的形式。如在讲授《赵州桥》这一篇课文时，可以利用3D打印技术打印出赵州桥的模型，让学生通过实物分析赵州桥的特点，再结合课文进行学习，解决了教学难点。数学课上则可利用3D打印技术打印相关的几何体进行教学。

2.2.1.4在信息技术课程中应用

香港东华三院高可宁纪念小学，学生通过3D打印技术，将使用绘图软件绘画的立体物体通过3D打印机打印出来，提高学生的创作力。学校为学生提供自由的环境，从构想、设计、制作、粉饰作品的过程，都有学生一手包办，并通过学校的网站上传学生打印的作品，让学生的作品得到分享，同时也能拓展学生的想象空间。

2.2.2国外案例

2.2.2.1利用3D打印技术完成项目

在STEM组织的一个关于数学与科学的项目，主要对象是中高年级的小学生，目标是为学生提供一个了解如何设计一个登陆火星的计划的机会，其中包含了建立和发射火箭模型。在项目中学生首先学习机翼中的科学和测试火箭的不同部分，接着使用CAD软件来设计他们自己火箭的机翼，然后通过打印机打印出来。最后测试火箭发射，并收集数据分析结果。

2.2.2.2基于问题解决的教学形式

新西兰的Auroa小学让学生发现学校中存在的问题，并设计出解决问题的方案，利用3D打印技术实现。其中一个案例是教师里的碗柜的水槽总是阻碍门的关闭，学生先通过草图把解决方案写出来，再利用软件将模型设计出来，每一种解决方案的模型都设计一个或两个标准用来做测试。将零件打印出来后，进行测试，看看哪个方案最完善。第一个方案完成后，学生继续思考能更好，再次写新的方案，做出新的设计，最終把问题很好地解决。

2.2.3总结与建议

上述国内外3D打印技术应用案例中，国内外3D打印技术在中小学教育中的应用还处于探究阶段。由于小学学科相对比较简单，与3D打印结合的课程内容较少，3D打印技术主要是培养学生的动手能力和创造性思维。通过了3D打印课程的学习，学生的动手动脑能力都得到提高。

在小学中开展基于3D打印教学课程，可根据学校的实际情况，先对授课教师进行培训，让教师掌握相应的技术，并学习相关的教学案例后，再进行实际的教学。在教学中，教师应熟悉多种3D设计软件，为学生提供合适的3D建模软件，以减轻学生在操作方面的压力。课程安排可通过第二课堂的方式来开展，更有利于学生的思维拓展，让学生的设计不局限于任何学科，通过将多学科知识的融合来设计打印相应作品。与正式课堂相比，这种课堂模式更加自由，更有利于发展学生的创造性思维。另一种形式则是通过公司直接到校对学生进行培训，减轻教师学习的负担，同时公司的专业人员对于产品的了解较多，在应用培训方面可以提供更加专业的指导。在查找案例中，学生的作品展示一般是相关技术研发公司的主页中展示，而学校官网上展示较少。

3问题与挑战

3.1课程开设处于体验尝试期

上述案例中，课程主要是以体验尝试的方式进行，并没有完全成为学校的一门正式的课程，这种体验状态可能会在时间久了，兴奋感会衰退，从而影响课程的质量。因此，转变课程的形式，让课程规范化，为学生制作的作品提供一个分享的平台，使课程能更好地进行，而不是昙花一现。

3.2教师对3D打印技术的接受程度低

对于大部分在校教师来说，3D打印中三维设计软件的使用是相对比较难的，因为大部分在校老师可能是首次接触3D打印。就如案例中提到的学校，老师需要先进行培训学习才能在课堂中进行教学，而在学校中，大部分老师工作任务繁重，对于学习新技术，部分老师的接受度较低。另外，3D打印需要融合到课程中或者新设计一门课程，都需要老师重新探索设计新的课程计划，这对于老师来说也是—个困难。

4结束语

随着科学技术的不断发展，3D打印技术也将逐步发展，其成本、材料，制造时间等将逐渐得到改善，从而也推进3D打印技术在教育中的应用。近年来STEM教育的广泛应用，使3D技术在教育中应用得更加广泛，3D打印技术的研究有助于我们把握和预见技术在教育领域中的应用方式和应用前景，并进一步探讨如何充分发挥新技术的特点和优势，通过技术在教育中的应用体现和提升其价值。