3D打印技术在中小学教学中的应用研究论文

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，它由研究所的象牙塔开始走近普罗大众，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、速度慢等的局限性。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，3D打印技术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；新技术

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[1]。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打印机出现在上世纪90年代中期，即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打印无需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[2]。
二 3D打印技术的本质
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的学习。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[3]。戴尔于1946年所著的《教学中的视听方法》一书，他在书中提出的“经验之塔”理论[4]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，逐步进入具体经验；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。
“经验之塔”理论符合人们认识事物由具体到抽象、由感性到理性、由个别到一般的认识规律；而位于塔的中部介于做的经验与抽象经验之间，既能为学生学习提供必要的感性材料，容易理解，容易记忆，又便于借助于解说或教师的提示、概括、总结，从具体的画面上升到抽象的概念、定理，形成规律，是有效的学习手段。我们在教学与学习的过程中，应先从具体的经验入手，逐步进入抽象经验。

图1 戴尔的“经验之塔”理论
在教学过程中，我们要善于用好各种媒体，要学会并善于把一些先进技术引用到学习中来，这样可以使教学活动更具体，也能为抽象经验提供条件。利用一些媒体与一些先进技术来弥补各种直接经验的不足。在我们学习中，我们也要学会用技术变抽象为具体，这样就更便于我们学习、理解、巩固。
“经验之塔”理论不但延续了霍本关于视觉教学的原理，而且进一步强调了具体学习经验的重要性，强调抽象的学习必须以具体的学习经验为基础。
总之，无论是在教学活动中，还是在个人学习中，我们都要用技术来武装自己，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，以便更好的与抽象的学习经验的结合[5]。
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。
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当地的学生，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难点内容，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教学难点。
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，尽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，教学效率自然会有大的提升。
2 数学学科
数学学科中关于立体几何的内容，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它的变化，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和升华。
3 英语学科
英语学科首先能想到的就是单词学习。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是，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，教师打印出实物电路图，让学生反复训练电路的连接，基本掌握好以后，再过度到电路图的连接。通过这样一个过度，学生学习的难度大大降低了，从而可以快速地掌握电路图的连接。
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。
四 3D打印技术的局限性
目前，3D打印技术已经可以支持多种材料，已广泛应用在珠宝首饰、鞋类、工业设计、建筑、汽车、航天、牙科、医疗甚至美食等不同领域。根据应用目标的需求，所使用的材料有树脂、尼龙、石膏、ABS、聚碳酸酯（PC）或食材配料等。3D打印机的快速成型技术使之在市场上独具优势，在生产应用上潜力巨大，热点应用集中表现在工业应用、医学应用、日常生活应用及IT应用等方面[6]。3D打印技术在教育领域，特别是基础教育领域的应用才刚刚起步，目前还有一定的局限性。
1 3D打印技术的推广力度不够。
目前，学者们研究3D打印技术在基础教育中应用的研究很欠缺。截止到2013年7月22日，在CNKI《中国学术期刊网络出版总库》全文数据库中以“3D打印技术”+“教学”为主题词，不限年限，不限期刊种类，只查到《国际教育信息化2013地平线报告(高等教育版)》一篇文献。缩小主题词范围，以“3D打印”+“教学”为主题词，不限年限，不限期刊种类，也没有查到有效的文献。
2 3D打印机的成本比较高。
由于3D打印技术还是才出道的“新贵”，刚刚由研发的小众空间向主流市场进军，所以其价格比较昂贵。如今3D打印技术的精度约为0.1毫米，而且打印机本身的售价偏高，不过，随着技术的进步和成本的降低，一台普通三维打印机的成本有望比1985年的激光打印机还要低[7]。最近有业内人士表示，小型桌面3D打印机已经变得比较便宜了，售价大概为1.8万元。不过便宜也是相对而言，对桌面设备来说，1.8万对于普通大众阶层还是过于偏高，并且的它的成品率也并不能保证百分之百，有一定的良品率限制，打印材料不光种类少，价格也相对较贵[8]。
3 3D打印机打印速度相对比较慢。
和现在成熟的工业流水线生产相比，3D打印机在速度上还不具有优势。但这是技术发展和成熟的必经之路，要允许它循序渐进地完善和提高。
4 产权保护和税务问题[9]。
采用3D打印技术后，模仿者和创新者都能轻而易举地在市场上快速推出新产品，这就给知识产权的保护带来了难度。另外，过去税务局、海关对交易征税都是基于商品的价值。如果将来货物的制造模式都是通过购买3D打印机和“耗材”，从网上下载设计文件（大多数将是免费的）自行打印出所需的物品，那么传统的征税模式将难以为继。
五 结束语
3D打印技术真可谓“小荷才露尖尖角”！ 2012 年 4 月，英国经济学家(《经济学人》的编辑)保罗•麦基里(Paul•Markillie)在其出版的《经济学人》杂志的《第三次工业革命》一文中，将3D打印技术作为第三次工业革命的重要标志之一，引发了世人对3D打印技术的强烈关注[10]。3D打印技术前景广阔，有机构预测它是一项革命性技术，将引领一个革命性时代的到来 [11]。
目前，世界各国都在展开3D打印技术的研发和市场开发。随着3D打印时代的来临，各种行业将面临巨大的变革，教育行业自然不能例外。美国新媒体联盟（NMC）在《地平线报告2013年（基础教育版）》中也指出，未来4-5年，3D打印技术将成为主流趋势[12]，将大面积走进中小学课堂。3D打印技术将对现有教学产生深刻的影响。
可以预见，随着政府的引导，大企业对3D打印的兴趣日益浓厚，原材料成本就会随着下降，同时打印机技术也会不断改进。相信随着时间的推移，3D打印机的性价比会越来越高。3D打印技术走进中小学课堂指日可待了，让我们做好准备，迎接教育大变革时代的来临！
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参考文献
[1]首届世界3D打印技术产业大会：世界3D打印技术产业联盟成立[EB/OL]. <http://news.cntv.cn/2013/05/31/VIDE1369957846576227.shtml.>
[2]3D打印照相馆需百万 10厘米人像近两千[EB/OL]. <http://www.3dop.cn/News/Domestic/2013/0324/84.html.>
[3]劳凯声．教育学[M].天津:南开大学出版社,2001:289-290.
[4]视听教育理论[EB/OL]. <http://www.hut.edu.cn:88/netcourse/xdjyjs/kechengxuxi/shugao/shu1-3.html.>
[5]戴尔“经验之塔”理论简述及其对我们教学与学习的启示[EB/OL].
http://blog.sina.com.cn/s/blog_6ccbebed0100lw5f.html, 2013-07-22.
[6]王月圆,杨萍.3D打印技术及其发展趋势[J].印刷杂志,2013,(4):10-12.
[7]3D打印技术现状[EB/OL]. <http://baike.baidu.com/view/5403239.htm.>
[8]1.8万亲民价3D打印或将整合物流供应链 [EB/OL]. <http://www.wedohome.com/news/detail-6016.html.>
[9]郭振华,郭应焕.3D打印技术与社会制造[J].宝鸡文理学院学报(自然科学版),2013,(3):1-7.
[10]游清治.第三次工业革命和3D打印技术[J].新疆有色金属,2013,(1):105-108.
[11]3D打印能打印一切？或改变知识产权规则[EB/OL]. <http://www.weidong.gov.cn/info/news/wdqkjw/wdqkjnr/89543.htm.>
[12]NMC Horizon Report > 2013 K-12 Edition[DB/OL]. <http://www.nmc.org/publications/2013-horizon-report-k12.>

Application Research on Three-dimensional Printing Technology for Junior and Senior High School Teaching
Tong Yu-yang
(Lihu Middle School of Nanshan, Shenzhen 518055, China)
Abstract: At the beginning of 2013, the three-dimensional Printing (3D printing) technology caught the eyes of everyone. It comes out of the tower of ivory from the graduate school and comes into public view. It begins to tend towards from the fields of industry, architecture, military affairs, etc. to the fields of usage for the ordinary people. Three-dimensional printing technology is still in an initial and exploratory stage in the education field, especially in the realm of basic education. This article introduces what is the three-dimensional Printing technology; in fact three-dimensional printing technology is an extendability of multimedia technology, and what’s more, it’s an extendability of virtual reality technology, it not only enlarges human perception but also promotes the further development of the ideation of human; the article shows several cases about three-dimensional Printing technology, which have been used in subject teaching in primary and secondary schools; the article also expounds the limitations of three-dimensional printing technology such as popularization, cost as well as rapidity; in the following 4 to 5 years, three-dimensional printing technology, which is one of the important marks of the third industrial revolution, will go into the classrooms of primary and secondary schools, moreover, it will bring a profound impact and change to the existing teaching.
Key words: 3D printing; 3D model; primary and secondary schools; teaching application
 

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