由3D打印机热引发的思考

刘海欧

（北京师范大学附属实验中学，100032）

摘要：3D打印技术在教育中的运用可以促进学生空间思维、计算思维、设计思维和创造性思维的发展，促进学生虚拟世界、实体世界和内心世界的联通，激发学生的想象力。在中学技术教育阶段开展3D打印教学极具必要性，且很为迫切。

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关键词 ：3D打印机 技术教育 思考

近年，无论是翻开报纸、杂志，还是打开电视、网络，我们会发现“3D打印机”已经成为各大媒体争相报道的热门话题，英国《经济学人》杂志更是将3D打印技术描述为正在进行中的“第三次工业革命”。3D打印为何有如此大的魅力，让社会各界给予众多美誉？其对当今社会发展的意义何在？中学技术教育应该如何将3D打印引入到课堂教学中来，使其成为提升技术教育水平，激发青少年创新潜能的有力工具，这都是非常值得我们思考的问题。

一、3D打印的诞生

三维立体打印机（以下简称“3D打印机”）依托源于20世纪80年代后期发展起来的快速成型技术(Rapid Prototyping，RP)，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，通过逐层堆叠累积的方式构造物体，就如我们将设计好的Office电子文档可以在普通打印机上原模原样打印出来一样，3D打印机实现了计算机虚拟3D模型设计的所见即所得。

立体打印并不是一夜间突然兴起的新生事物。20世纪80年代初以来，工业立体成型技术主要被用于快速成型设计和开展相关研究，这一时期的成型设备体积较大，价格昂贵，使用专有的金属粉末、铸造介质（如沙子）、塑料或磁带，所能制造的产品也非常有限。1995年，美国麻省理工学院当时的毕业生Jim Bredt和Tim Anderson通过将喷墨打印机常规的把墨水挤压在纸张上的打印方式革新为将“约束溶剂”挤压到粉末床，从而创造了“三维打印”这一风靡当今世界的术语，并凭借着信息技术的迅猛发展，3D打印逐步得到普及，3D打印机的产量以及销量在21世纪得到了极大的增长，其价格也正逐年下降，售价仅为499美元的3D打印机已经在美国市场上市，这个曾经的“王谢堂前燕”开始进入寻常百姓家了。

二、3D打印机的现实意义

3D打印机具有打印精度高、生产速度快、高易用性等特点，产品制造不再单纯依靠大规模的生产流水线，其灵活性大大提高，这将对传统制造业的生产方式产生巨大冲击和颠覆性变革，进而改变产业链的运作模式。

以3D打印机为代表的数字化制造技术，其实质就是一次新的数字化制造革命，与新能源、互联网等一起被认为是构成第三次工业革命的关键因素，将对整个世界发展格局产生重大的影响。我国自1978年改革开放以来，经济社会取得了长足进步，已经成为世界第二大经济体，这在很大程度上要归功于“中国制造”。新的数字化制造革命会让制造业重新回到发达国家，“中国制造”面临巨大挑战的同时，机遇也同期而至。在3D打印技术迅猛发展和快速普及的今天，中国传统制造业只要顺应潮流，将3D打印作为自己创新发展和转型升级的新鲜动力，必将成为本轮技术革新浪潮的弄潮儿。

技术教育是信息产业发展中的重要一环，如何将3D打印机这一“第三次工业革命”中最具标志性的生产工具引入到教学中来，让我们的青少年认识、了解、掌握这门技术，把他们的好想法、好创意、好发明变成现实，使其成为激发青少年创新潜能的有力工具，已经作为一个课题摆在广大技术教育工作者的面前。

三、国内教学应用现状

目前，国内采用3D打印机开展教学主要集中在高等院校的一些专业。工业设计专业的学生可以在设计室内就把自己的设计转化成为产品，随时进行调整和改进；建筑工程专业的学生将在课堂上设计的建筑模型通过3D打印机打印出来，可以及时看到自己设计的楼宇方案的真实模型或样本，并据此不断修正和完善自己的设计方案，很好地弥补了学习阶段少有参加实际工程建设机会的缺憾，有助于学生对建筑设计的进一步理解，加强了学生从理论到实践的经验积累和感性认识，增加了学生所学专业的现实可操作性；在CAD设计教学方面，3D打印机的优势体现的更加明显，学生可以将原先只能停留在电脑设计阶段的模型直接打印成实实在在、可以触摸的样本，丰富了学生的学习体验和感受，极大地激发了学生的学习兴趣和动力。

在高校大学生充分享受利用3D打印技术所带来的便捷的同时，我国部分中小学也开始探索这一新兴技术在教育领域的实践。上海师范大学教育技术系黎加厚团队与上海市闸北区和田路小学共同合作，在小学一线教学中做了大胆的尝试，开发了面向小学生的3D打印校本课程——《虚实创造课程》。课程教学基于循序渐进的原则，分为案例学习、拍照创建、实物构建、想象搭建、虚实创造等五个阶段，采取共同学习和自主学习相结合的模式，逐步构建起学生的虚拟、实体和想象的联通并最终实现融通与创造。通过该课程的学习，学生创作出非常有创意的作品，他们的观察能力、设计能力、空间思维能力也有了明显的提升。

实践表明，3D打印技术在教育中的运用可以促进学生空间思维、计算思维、设计思维和创造性思维的发展，促进学生虚拟世界、实体世界和内心世界的联通，激发学生的想象力。同时，也为改变传统教学方式、培养并提高学生的创造力提供了一条便捷的途径。

四、对中学技术教育的启发

中学教育处于激发青少年创新潜能、培养创新能力的重要阶段，中学技术教育更是青少年接触、掌握新技术的重要平台，在中学技术教育阶段开展3D打印教学极具必要性，且很为迫切。

开展3D打印教学为各学科协同创造了有利条件。众所周知，学习是一个系统T程，各学科间的联系非常紧密。因此，不能仅仅将3D打印作为一门信息技术课程来教授，而要将其作为整个教育体系中一个关键环节进行配置，使其成为各学科教师协同授课、学生协同学习、教学相长、学用结合的一个重要平台。开展3D打印教学，教师和学生可以充分利用3D打印机的功能优势，将其应用拓展于基础学科教学以及科技活动等多个方面。学生可以使用3D打印机将数学课上很难想象出的复杂立体几何图形打印成实体模型，帮助他们理解学习，进一步增强对立体几何的认识，提高空间想象力；学生可以将在科学课堂上学的、但少有机会真正见到的航天飞机等大型高科技机器打印出可以摸得着、拆得开的机器模型，帮助他们了解其机械结构，提高学习兴趣和质量；同样，学生可以将在通用技术或劳动与技术课堂上学到的系统设计、结构设计、建筑设计、服装设计、航模设计等方面的知识通过3D打印机将设计方案直接打印出来，让学生看到真实的物体模型，降低从设计方案到真实物体实现的难度，让学生真实体验到设计的快乐、成功的喜悦，增强课程学习的兴趣和实践操作性。而在那些学生参与度很高的科技活动中，3D打印机可以为那些聪明的“小脑瓜”插上实现他们各种想法的翅膀，将原先限于加工工艺，或是只能停留在设计阶段，或是需要花大价钱借助生产加工厂才能做出来的智能机器人、赛车等快速地、容易地变成精彩纷呈的科技作品。3D打印带来的便利于学生如此，于各学科教师更不例外。各学科教师可以充分利用3D打印进行课件设计，使教学内容更加生动直观，提升教学质量，让学生真切地感受到3D打印技术的实用性，激发他们学习新技术的主动性和积极性。

具有强烈求知欲望的中学生为3D打印教学的开展提供了坚实的受众基础。步人中学时期的青少年，心智已经基本成熟，其所具备的认知能力、接受能力和自学能力，可以帮助他们更好地理解、学习和掌握3D打印技术，亲身融入到技术进步的快乐体验中来。开展3D打印教学，可以培养青少年对科学技术的兴趣，使他们掌握一门技能。长远来讲，可以激发他们的创新潜能，提高青少年推动技术进一步发展和完善的能力，“少年强则中国强”，让青少年接触、学习、掌握乃至创造先进技术，是确保中国能够在“第三次工业革命”中立于潮流之上的必由之路。