【解析】3D打印技術在中小學教學中的應用

當前,，3D打印技術正逐漸步入人們的視野,。2013年北京召開的首屆世界3D打印技術產業(yè)大會成立了世界3D打印技術產業(yè)聯(lián)盟,，標志著3D打印技術真正進入了大規(guī)模應用和研究的階段,。目前,，在教育領域,，特別是中小學基礎教育領域,，3D打印技術的應用還是一個嶄新的領域，有許多問題值得研究和探討,。

3D打印技術教學應用理論依據  
學習理論,、教學理論以及“經驗之塔”理論都為3D打印技術在教學中的應用提供了很好的理論依據。 學習理論是心理學中最核心,，也是發(fā)展最成熟的領域之一,。不管是華生的行為主義學習理論，還是斯金納的操作性條件作用學習理論,，都能有效地指導3D打印技術在教學中的實踐活動,。教學理論中的實驗法教學方法，讓3D打印技術有充分的用武之地,。

實驗法是學生在教師指導下,，運用一定的儀器設備進行獨立操作，觀察和研究這種操作引起的現(xiàn)象和過程,，以獲取知識的教學方法,。實驗法的基本形式是學生在教師的指導下獨立自主地學習。實驗法的優(yōu)點在于,，學生通過親身活動,，從感性知識過渡到理性知識，認識的過程比較完整,。通過這種學習,，學生的觀察能力、獨立思考能力,、動手能力得到了很好的鍛煉,；求實的科學態(tài)度、探究的科學精神,、熱愛科學的情感也得到了培養(yǎng),。  

戴爾于1946年所著的《教學中的視聽方法》一書中提出的“經驗之塔”理論[4]融合了杜威的教育理論和當時流行的心理學觀點,，成為以后視聽教學的主要理論依據。在“經驗之塔”理論中,，最底層的經驗最具體,，越往上越抽象，排成一個序列,；教學活動應從具體經驗入手,，逐步進入抽象經驗；在學校教學中使用各種媒體,，可以使教學活動更具體,，也能為抽象概括創(chuàng)造條件；位于“塔”的中間部位的那些視聽教材和視聽經驗,，比上層的言語和視覺符號具體,、形象，又能突破時間與空間的限制,，彌補下層直接經驗的不足,。  在教學過程中,，我們要善于用好各種媒體,，要學會并善于引用一些先進技術，來彌補各種直接經驗的不足,，變抽象為具體,，使教學活動更高效。  

總之,，無論是在班級授課制的教學活動中,，還是在個人的自主學習中，我們都要善于用技術來武裝自己,，讓抽象的更具體,，讓具體的更形象。具體的學習經驗是抽象經驗的基石,，所以,，我們要用好具體的學習經驗的基礎，以便更好地與抽象的學習經驗相結合,。綜上所述,，3D打印技術在本質上是多媒體技術的延伸，是虛擬現(xiàn)實技術的延伸,，它拓展了人的感覺和知覺,，促進了人的思維能力的進一步發(fā)展，它與教學的融合勢在必行,。

3D打印技術教學應用案例  
3D打印技術作為多媒體技術的新成員,，其在中小學教學活動中的應用才剛剛起步,。這里略舉幾例，加以說明,。

1 語文學科
中小學都有說明文的教學,，3D打印技術可以在這類教學中發(fā)揮積極的作用。例如,，小學五年級《趙州橋》的教學,。如果不是趙州橋所在地的學生，小學生就只能通過圖片或視頻來了解趙州橋的結構,。3D打印技術的出現(xiàn),，可以很方便地打印出趙州橋的模型，學生就可以很直觀地觀察,、欣賞趙州橋的整體及各個部分的構成,。課文中的關于趙州橋具有泄洪能力的教學難點，學生通過觀察模型橋梁以及做實驗的方法,，可以比較容易地突破,。

又如，初中語文《人民大會堂》一課的教學,。這篇課文比趙州橋的難度大多了,。因為人民大會堂的結構比趙州橋更復雜。以往的教學主要是靠學生對文字的理解來掌握課文內容,，最多也就是找些圖片和視頻幫助學生來理解人民大會堂的結構和功能,。有了3D打印技術后，老師可以給每位同學打印出一個“真實”的人民大會堂供學生課前預習,、課上討論,、課后研究，整個教學過程變得生動活潑,，充滿樂趣,，教學效率自然會有很大提升。  

2 數(shù)學學科
數(shù)學學科中關于立體幾何,，在中學和小學都有相關的內容,。這部分內容對于學生來說，往往都是難點,。以往在這部分教學內容上,，教師大多采用畫分解圖，或者通過削蘿卜（泥巴）等方法幫助學生理解幾何體的變化,。這些教具的準備往往費時費力,，效果卻不理想。

現(xiàn)在有了3D打印技術,，教師可以很方便地給學生打印出所需的幾何體,，根據需要實際切割 或做其他的變化,，這樣的教學真是事半功倍，一下子就破解了問題的難點,。  如,，初中的學生很難知道一個圓柱體被攔腰斜切一刀，得到的截面是一個什么圖像,？學生自己畫圖或者教師畫圖幫助解釋,，學生都難以理解。而在3D打印技術的幫助下,，這個問題就變得非常容易了,。學生可以自己在3D打印出的實物上斜切一刀，再對截面圖做進一步的測量,、計算,，自己就會得出結論。最后再進一步由感性知識上升到理性知識,，從而實現(xiàn)知識的深化,。  

3 英語學科  
英語學科學習必須掌握大量單詞。以水果學習為例,，我國南北方水果品種差異很大,，有很多學生沒有見過異地的水果。譬如,，北方的學生可能沒有見過南方的熱帶水果荔枝,、黃皮,、火龍果,、菠蘿蜜、蓮霧,、佛手瓜等等,，而南方的學生可能沒有見過毛杏子、李子,、桑葚,、石榴、櫻桃等等,。以往 在學習這些單詞時,，最多也就是找些圖片幫助學生記憶。現(xiàn)在,，如果學生沒有見過某種水果,，老師可以馬上用3D打印機打印出一個“真實”的水果給學生，這樣,，有了感性認識做基礎,，記憶單詞就簡單多了,。

4 物理學科  
物理學科的電路圖連接對于初中學生是一個不小的困難。以前在解決這個難點時,，通常采用在電路圖上反復練習的辦法,。由于電路圖十分抽象，部分學生總是不得要領,，經常出錯,。如果3D打印技術出現(xiàn)在課堂上，教師打印出實物,，讓學生反復訓練電路的連接,，基本掌握好以后，再過渡到電路圖的連接,。通過這樣一個過渡,，學生學習的難度大大降低了，從而可以快速地掌握該知識點,。  

5 化學學科  
化學學科中的分子,、原子、質子,、電子等的結構由于摸不著,、看不到，學生理解起來十分困難,。有了3D打印技術后,，完全可以按比例把這些微觀的東西放大并呈現(xiàn)出來。這種變微觀為宏觀的辦法,，對于初中學生的學習非常有幫助,，學習的難點一下子就突破了。  

6 地理學科  
中學生很難理解太陽,、地球及月亮的位置關系以及相關的日食,、月食、節(jié)氣等概念,。在現(xiàn)有條件下,，雖然也可以通過計算機動畫來模擬太陽、地球及月亮的位置關系,，但動畫的制作成本較高,，而且各個對象是虛擬的，非實物的,，學生理解起來依然比較困難,，與此相關的概念掌握也是問題很多。如果有了3D打印技術，太陽,、地球,、月亮可以按比例縮小打印出來，師生可以隨時調整三者的位置關系,，從而使相關概念的學習和各種問題的解決變得相對容易,。這種變宏觀為中觀的辦法，在教學中也非常有用,。  

7 生物學科
生物學科中有許多微觀的內容和不便觀察的內容讓學習變得困難起來,。如細胞的結構、血管的構造,、大腦皮層的結構等內容,，學生理解常常有很大的困難。像上述內容的學習,，在3D打印技術支持的教學中,，會變得相對容易。教師可以把細胞結構圖和血管結構圖放大并打印出來,，也可以把大腦皮層的結構圖放大并打印出來,。有了這些打印出來的材料，學生的學習就會變得輕松快樂,。

8 信息技術學科
信息技術學科中的計算機硬件認識和計算機組裝一直是教學的難點之一,。從前的教學中由于硬件的缺乏，教師只能用少量的設備給學生集體觀察和演示,，學生很難近距離地直接觸摸諸如主板,、網卡、內存條,、CPU等,，得來的知識總是模模糊糊。而3D打印技術的出現(xiàn),，可使這些配件按1:1的模型打印出來,，分發(fā)給每一位學生，這樣可以很容易地滿足學生近距離觸摸,、觀察及親自組裝的愿望。  

9 通用技術學科  
通用技術學科有許多場合需要3D打印技術的支持,。如工藝設計教學中,，可以使用3D打印技術來輔助模具的設計和工藝改進。由于3D打印機打印模具的方便快捷和成本低廉,，這可以大大提高模具設計的效率,。  又如在汽車維修與保養(yǎng)的教學中，由于實際汽車的成本較高,，教學通常采用集體觀看圖片和視頻的辦法來組織教學,，學生很難觸摸到汽車真實的部件,，直觀感覺很差，教學效果很難保證,。但是,，3D打印技術的出現(xiàn)，完全可以使這種局面發(fā)生改觀,。學生可以利用3D打印機打印出的縮小版的模型進行詳細的觀察和維修實驗,。這種實際的操作遠遠勝于紙上談兵式的教學，從而使教學效果產生質的飛躍,。

3D打印技術的局限性
目前,，3D打印技術已經可以支持多種材料，已廣泛應用在珠寶首飾,、鞋類,、工業(yè)設計、建筑,、汽車,、航天、牙科,、醫(yī)療甚至美食等不同領域,。根據應用目標的需求，所使用的材料有樹脂,、尼龍,、石膏、ABS,、聚碳酸酯（PC）或食材配料等,。3D打印機的快速成型技術使之在市場上獨具優(yōu)勢，在生產應用上潛力巨大,，熱點應用集中表現(xiàn)在工業(yè)應用,、醫(yī)學應用、日常生活應用及IT應用等方面,。3D打印技術在教育領域,，特別是基礎教育領域的應用才剛剛起步，目前還有一定的局限性,。

1 3D打印技術的推廣力度不夠  
目前,，學者們研究3D打印技術在基礎教育中應用的研究很欠缺。截止到2013年7月22日,，在CNKI《中國學術期刊網絡出版總庫》全文數(shù)據庫中以“3D打印技術”+“教學”為主題詞,，不限年限，不限期刊種類，只查到《國際教育信息化2013地平線報告（高等教育版）》一篇文獻,�,？s小主題詞范圍，以“3D打印”+“教學”為主題詞,，不限年限,，不限期刊種類，也沒有查到有效的文獻,。  

2 3D打印機的成本比較高
由于3D打印技術還是才出道的“新貴”,，剛剛由研發(fā)的小眾空間向主流市場進軍，所以其價格比較昂貴,。如今3D打印技術的精度約為0.1毫米,，而且打印機本身的售價偏高，不過,，隨著技術的進步和成本的降低,，一臺普通三維打印機的成本有望比1985年的激光打印機還要低。最近有業(yè)內人士表示,，小型桌面3D打印機已經變得比較便宜了,，售價大概為1.8萬元。不過便宜也是相對而言,，對桌面設備來說,，1.8萬對于普通大眾階層還是過于偏高，并且它的成品率也并不能保證百分之百,，有一定的良品率限制,，打印材料不光種類少，價格也相對較貴,。  

3 3D打印機打印速度相對比較慢
和現(xiàn)在成熟的工業(yè)流水線生產相比,，3D打印機在速度上還不具有優(yōu)勢。但這是技術發(fā)展和成熟的必經之路,，要允許它循序漸進地完善和提高,。

4 產權保護和稅務問題
采用3D打印技術后，模仿者和創(chuàng)新者都能輕而易舉地在市場上快速推出新產品,，這就給知識產權的保護帶來了難度,。另外，過去稅務局,、海關對交易征稅都是基于商品的價值,。如果將來貨物的制造模式都是通過購買3D打印機和“耗材”，從網上下載設計文件（大多數(shù)將是免費的）自行打印出所需的物品,，那么傳統(tǒng)的征稅模式將難以為繼。  

目前，世界各國都在展開3D打印技術的研發(fā)和市場開發(fā),。隨著3D打印時代的來臨,，各種行業(yè)將面臨巨大的變革，教育行業(yè)自然不能例外,。美國新媒體聯(lián)盟（NMC）在《地平線報告2013年（基礎教育版）》中也指出,，未來4～5年，3D打印技術將成為主流趨勢,，將大面積走進中小學課堂,。3D打印技術將對現(xiàn)有教學產生深刻的影響。  可以預見,，隨著政府的引導,，大企業(yè)對3D打印的興趣日益濃厚，原材料成本就會隨之下降,，同時打印機技術也會不斷改進,。相信隨著時間的推移，3D打印機的性價比會越來越高,。3D打印技術走進中小學課堂指日可待了,，讓我們做好準備，迎接教育大變革時代的來臨,。

編輯：南極熊
童宇陽  （深圳市南山區(qū)麗湖中學）
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