3D打印技术对学生技术素养提升的教育应用初探
李亮 俞树煜 王国华
摘 要：3D打印技术是未来几年最值得期待的新技术之一[1]。3D打印科普教育正以模块化知识库的形式，辐射学校教育领域，实现与教育教学接轨，与学科课程融合，助推学校素质教育发展。文章基于3D打印设备装备于学校的客观环境，就如何有效开展3D打印教学问题展开探究式教学实践，力求在提升学生技术素养过程中，综合运用文献分析法、问卷调查法、课堂观察法、访谈法等多种研究法，系统衡量中学生现阶段的技术素养水平，得出3D打印技术教育教学建议或教学策略。
关键词：3D打印;技术素养;教育应用;创新
中图分类号：G433? ? ? ?文献标志码：A? ? ? ? ? 文章编号：1673-8454（2021）04-0026-05
一、引言
伴随着现代信息技术的高速研发和颠覆性创新，被英国《经济学人》杂志的编辑保罗·麦吉里在《第三次工业革命》里誉为“第三次工业革命重要标志之一”[2]的3D打印技术，正以超时代的尖端技术形象在国际各领域高频亮相，成为各国抢占尖端科技领域、加快提升综合国力的制胜武器。为了实现科技强国战略性崛起，推动“中国制造”到“中国智造”，国内各行业领域在国家现代化宏观战略的引领下，积极参与3D打印技术研发、应用与推广。
《国家中长期人才发展规划纲要（2010—2020年）》中明确提出，人才队伍建设主要的任务之一就是突出培养创新型科技人才[3]。大众创新是引领科技发展的第一动力，是建设现代化经济体系的战略支撑。为抢占现代教育技术制高点，微型科普教育3D打印机涌入学校教育领域，成为新时代助推学校素质教育发展的新工具。
二、3D打印技术相关综述
1.技术素养
技术素养是指对科学和技术进行评价和做出相应决定所必需的基本知识和能力。其是一种科学方法，赋予强有力的综合分析认知能力，指的是使用、管理、评价和理解技术的能力[3]。
2.3D打印技术概念
对于3D打印技术的概念或称谓，最早在工业制造领域有“增材制造”“快速成型”“先进制造”的俗称，其最早在学术领域也被称为“增材制造技术”[4]。直到2009年，由美国材料与试验协会（ASTM）成立的添加制造技术子委员会正式对“3D打印技术”下过一个美式官方的定义，即“3D 打印（添加制造）技术是一种与传统材料加工方法正好相反的、基于三维数字模型的、通常采用逐层制造方式将材料结合起来的工艺”[4]。
对于3D打印技术的概念，国内学术领域理论学者的认同感基本都是以美式定义为基准，只是在研究透析3D打印原理的基础上，普遍认同由西安交通大学人文社会科学学院黎荔、西安交通大学快速制造国家工程研究中心副主任王永信二人合作编著的《3D打印青少年趣味课程》一书中给出的3D打印技术的概念：3D打印技术是一种以3D数字模式文件为基础，运用粉末状金属或塑料等特殊可粘合性材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术，被认为是“第三次工业革命”的重要生产工具[5]。
3.3D打印機的工作原理
透析3D打印机的工作原理，其与普通打印机的工作原理基本相同，之所以称为“打印机”，就是因为3D打印机参照了普通打印机的工作技术原理，只是在打印过程中所使用的打印材料有所不同。3D打印机的工作原理就是通过计算机与3D打印设备搭建的打印平台，来完成虚拟空间蓝图变成现实实物的这一过程，实现虚拟数据模型快速实物成型，具体可分为虚拟模型设计、数据切片处理、实物作品打印三个环节、六个步骤（见图1）。
4.3D打印技术的分类
根据3D打印材料的属性，常见的3D打印技术主要有喷墨3D打印、粉剂3D打印、生物活性打印、食物3D打印。而根据3D打印材料的物态及打印成形方法，目前常见的3D打印技术有光固化立体成形、熔融沉积成形、电子束选区熔化、激光选区熔化、分层实体制造、金属激光熔融沉积、电子束熔丝沉积成形[6]。
5.3D打印技术具有的独特优势
3D打印技术是一种以数字模式文件为基础，运用特殊粘合材料，通过逐层打印的方式来生成实物的新型快速成型技术，被定位为“第三次工业革命最具标志性的生产工具”[7]，是新一轮技术革命和产业制造进入快车道转弯的引擎，具有独特的前沿优势。
（1）增材制造生产模式节约成本
透析3D打印技术的工作原理，其为“增材制造技术”，是针对传统制造技术即“减材制造技术”进行创新改进的逆向工程。传统制造技术的突出特征就是通过减材动作来实现实体成型，过程中耗费成本，而3D打印技术则相反，主要表现在：①无须购买机械工具，3D打印平台能够完胜各类机械工具，代替开展虚拟模型设计、数据切割、智能逐层打印的工作;②3D打印机完全按需增加原材料，按需叠加打印，节省了打印材料，杜绝了打印原材料浪费，大大降低了制造的成本。
（2）满足个性化自由设计与制作
3D打印平台能够满足个性化自由设计与制作，是面向客户需求而研发的尖端技术成果，能够最大限度地满足客户的个性化自由设计与制作需求，主观设计的想象力、创新力不受局限，能够换位在客户的角度上，根据个性需求而实现个性化、自由化设计，制作虚拟模型，印证了“只有想不到没有做不到”的产品设计理念。打印平台完全支持个性化自由设计与制作，突出了创新设计、个性化自由设计理念，颠覆了传统制造技术，全方位满足个性需求、创新需求。
（3）产品成型的周期短，零时间交付
传统制作技术在生产制作过程中受到的制约因素较多，如耗材多、工序多、耗时长，尤其是要经过一系列的全天候工序，才能完成实物制作，而3D打印技术则克服了传统制作技术的弊端，打印速度快，周期大大缩短，真正实现了快速打印成型。
（4）虚拟模型无缝打印，精确不失真
3D打印机凝聚了前沿学术理论和尖端科技智慧，是精密机械制造、科学材料制造等技术的无缝整合，精密机械制造能够在技术上实现精准对接打印，科学打印材料能够适应精密机械完成逐层打印，其在虚拟实体模型打印过程中深度融合了数据终端智能精度扫描、分割传输、格式转换等数据智能处理功能，能够精确按照虚拟模型数据突破时空局限，使虚拟模型实现高精度、高标准、高质量打印，设计效果不失真，自然形象生动，视觉立体感冲击强烈。
三、研究方法、研究内容、研究思路及研究分析工具
1.研究方法
（1）文献研究法
本文运用文献研究法，通过中国学术期刊总库（CNKI）、专著、互联网资讯三大文献研究资源通道，针对3D打印献资料进行综合梳理与分析，阐述3D打印技术的概念、工作原理、结构、分类、关键技术、独特优势，理清国内外3D打印科普教育发展现状，并为本研究提供具有高质量说服力的学术理论支撑。
（2）问卷调查法
笔者长期从事高中一线现代教育技术工作，致力于技术与课程整合学术研究，本文基于3D打印科普教育设备装备于学校的客观环境，在文献研究分析基础上，针对高中阶段学习者特征，设计关于3D打印基础认知方面的标准调查问卷，通过选择调查样本→发放问卷→填写问卷→回收问卷→统计问卷数据→分析问卷數据→得出数据结论，对参与课题研究的学校学生主体进行基本理论素养、技术素养摸底调查，以此衡量其在科普教育3D打印技术培训前的基本素养水平，为预期培训提供对比依据。
（3）课堂观察法
科学可行的课堂观察具有目的性、分析性、系统性，通过观察学生在课堂教学过程中的动态思维交互与行为变化，发散课题研究者的思维感性认识，经过深度思考和综合分析，从学生思维交互与行为特征变动中获取课题试验探索成果。本文围绕科普教育3D打印技术的系统理论知识与实践技能两大部分学习内容，对学生开展为期一学期的课堂教学培训。在课堂教学培训过程中，依据科学可行的课堂观察量表，客观记录教学培训课堂中的学生思维交互与行为特征变化，并进行综合分析，为科普3D打印教育探索有效教学经验。
（4）访谈法
本文采用访谈法，一方面，针对参与3D打印学习的高一学生，在对其开展3D打印科普教育教学培训后，针对培训过程中存在的教与学等方面的问题，对学生主体进行系统性有效访谈，以此来发现在3D打印科普教育过程中存在的教学问题，提出教学建议，为提高高中阶段学习者技术素养积累宝贵教学经验;另一方面，针对学校一线各学科教育工作者，展开科普教育3D打印技术方面内容的交流互动，查找教与学短板，系统性完善科普教育3D打印教学建议。
2.研究内容
基于3D打印科普教育设备装备于学校的客观环境，围绕3D打印技术，针对学生的动手实践能力、想象力、创造力，有计划有组织地开展科普教育3D打印技术的系统理论知识与实践技能教学培训，力求在培训中提升学生技术素养，主要研究提升学生技术素养的具体可行办法，得出3D打印技术教育教学培训建议或教学策略。
3.研究思路
研究过程依赖3D打印科普教育设备装备于学校的客观环境，由从事一线技术课程教学且一直致力于前沿学术研究的教师展开教学探究。①对3D打印技术相关文献进行分析梳理，理清国内外3D打印技术的发展现状、3D打印技术的概念、工作原理、依托的关键技术、3D打印科普教育的支撑理论等内容，为本文研究做好学术理论支撑;②设计标准科学信度高的调查问卷，对参与本文研究的学生进行问卷调查，从各个维度来分析衡量学生的基本素养;③对学生进行3D打印教学理论学习与教学技能实践培训，课堂观察并记录学生的互动状态、协作状态等动态特征，分析3D打印技术培训对学生的影响，探究3D打印科普教育的有效教学模式;④对一线教育工作者和学生进行访谈。通过对学生访谈，从学习者视角探讨3D打印技术培训针对学生开展的过程，进一步获取3D打印教学影响、教学效果等有效反馈，发现教学环节存在的问题;对一线教育工作者进行有效访谈，可以帮助研究者探讨3D打印相关教学现况，在探讨中发现3D打印相关教学问题，并在评估的结论中验证3D打印科普教育的发展水平，进而提出符合现实客观环境下的高质量教学建议或教学策略。图2是本文研究的总体框架。
4.研究分析工具
鉴于科学性、逻辑性、技术性的问卷数据分析要求，问卷分析工具主张选取运用Excel 2013 数据分析工具来统计、分析收集到的问卷数据，完全能够达到透析学习者基本信息素养的高度。
四、3D打印技术教学培训分析结论
1.学生对信息技术学科不够重视，信息素养有待提升
通过问卷调查数据分析和访谈数据整理分析可知：信息技术学科在初、高中阶段不是中、高考必考科目，将其定位为应试教育学科外的一门素质教育学科，在学习过程中无任何学业压力。因此，可以得出结论：大部分学生对信息技术学科不够重视，定位偏低。
关于对计算机的认识与态度，大部分学生反映不了解计算机内部结构，不能熟练使用360安全卫士等杀毒软件维护系统稳定，不会给计算机做系统，对计算机设备的认识程度不高，处在浅层次上。大部分学生对信息技术学科不够重视，对信息技术学科定位偏低。常用办公软件作为计算机技能检测重点，大部分学生表示自己打字速度慢，不能熟练使用Office办公软件和Photoshop图片处理软件，甚至对一些基本功能都不知道，计算机信息化高级办公技术水平处于低层次。访谈中，大部分学生客观反思自己的信息素养和信息技能，认为自己只是停留在了解或知道某些软件或知识点的基础上，不会运用某一知识点解决实际问题或应用某一软件解决实际问题，信息素养水平不高，信息技能亟待提升。
2.3D打印技术教育教学能够促进学生多元智能发展，提升学生综合素质
3D打印技术教育教学能够促进学生多元智能发展，提升学生综合素质，尤其是在本研究开展的3D打印教学培训过程中表现得淋漓尽致。课堂观察发现，参与3D打印技术学习的学生对3D打印技术、设备、实物作品都表现出极浓的兴趣和学习的欲望。在3D打印理论知识与实践知识教学过程中，组织学生围绕理论知识点、虚拟模型设计、虚拟模型打印等环节进行小组讨论交流、小组成员协作，使得学生在语言智能、逻辑数学智能、空间智能、肢体动作智能、人际智能、内省智能、自然探索智能、存在智能方面都得到了提升，课堂中学生的互动次数远超传统学科课堂，协作能力、创新能力等都有所提升。
访谈数据分析也表明：大部分学生也反映自己在学习3D打印理论知识和参与3D打印实践阶段积极性很高，互动交流沟通技能得到提升，敢于公开表达自己的想法、意愿与主张，能够按照逻辑思维明白3D打印技术的工作原理，在实践过程中，动手实践能力得到强化，对3D打印技术与学科教学内容融合的思考比较多，激发了自身自然探索智能与内省智能的开发，使学生的综合素质得到提升。
3.3D打印技术与学科融合仍处于初级阶段，融合程度仍处于一般初级水平
研究可知：3D打印技术与学科融合进度仍处于初级阶段，融合程度仍处于一般初级水平。通过问卷调查、访谈交流和文献研究，我们清楚地知道，3D打印技术并没有与学科教学内容实现深度融合，3D打印技术相关文章数量少，多数文章只是停留在3D打印技术内涵的研究上，3D打印技术与学科教学内容相独立，与学科融合开展的探究性试验少。
五、3D打印教学应用建议
1.树立现代化教学理念，透析3D打印辅助学科教师创新课堂内容
教育的现代化首先是教育理念的现代化，教育理念的现代化是实施创新教育的前提[8]。这就要求教育工作者一定要紧跟时代步伐，树立现代化教学理念，用现代化教学理念指導自己的教育教学。3D打印技术与学科教学内容的融合是现代教育理念的客观要求，也是现代课题教研探究的必然要求，如何让3D打印教辅工具辅助一线学科教师开展教学内容讲授是一个系统性的课题研究，势必要求将3D打印技术与学科课堂教学内容进行情景化关联，透析哪些教学内容需要用何种3D打印教辅工具进行辅助教学，系统分析后运用3D打印技术设计并生成3D打印教辅工具。
2.开展形式多样的3D打印技术培训活动，建构常态化、制度化培训机制
通过与一线学科教师进行面对面访谈互动，绝大多数教师认为：3D打印技术培训很重要，学校、教育行政部门等相关教育机构应该组织信息素养较好的学科教师进行常态化、制度化的3D打印技术培训。
教师是教育教学过程中的一线组织者和引导者，教师的教育教学理念、教育教学方式，不仅直接关系着自身的现代化素养，而且还间接地影响着未来教育的性质与状态[9]。因此必须强化教师自身的教学技能。开展形式多样的3D打印技能培训，建构常态化、制度化的3D技术培训机制，既能够培养一线学科教师的信息素养，提升其3D打印设计、操作技能，又能为学科教学增添事半功倍的教辅工具，同时，会对学科教师产生更为深远的启迪：转换本位角色，改善知识结构，转变工作方式，创新课堂教学。
3.加大3D打印技术与学科章节内容探究性试验研究，努力实现3D打印技术与学科深度融合
3D打印技术与学科融合进度仍处于初级阶段，融合程度仍处于一般水平。这就要求在3D打印技术教育教学领域，加大其与学科章节内容探究性融合试验研究，鼓励学科教师在分析本学科教材内容、学情、教学重难点的基础上，确定章节内容与所需3D打印作品之间的内在联系，以此评估其打印的可行性、科学性，进而在教学实践过程中实现3D打印技术与学科章节内容的深度融合，为高效课堂增添生机活力。
4.落实“教师为主导，学生为主体”的理念，助推3D打印技术辅助素质教育内涵、目标落到实处
《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》明确提出：学校教育要以教师为主导，学生为主体，充分发挥学生主体能动性，把促进学生的成才成长作为学校教学工作的出发点和落脚点。学科教师在运用3D打印教具辅助开展教学过程中，必须以“教师为主导，学生为主体”，切实落实新课程核心理念，并着眼于提高学习者的综合素质，激发学生的学习欲望、兴趣爱好，弘扬学生的个性，培养学生的自主能动意识、协作意识、创新意识和发现问题、提出问题、分析问题、解决问题的能力，促进学生德智体美劳全面发展，助推3D打印技术辅助素质教育内涵、目标落到实处。
六、研究不足与展望
1.研究不足
由于参与研究的学习者信息素养参差不齐、学习能力具有局限性、参与研究的学校3D打印设备数量有限、掌握3D打印技术的教师数量少，在3D打印技术研究过程中不可避免地存在诸多主客观方面的不利因素，致使本文研究存在一些不足之处：①参与3D打印教学培训的高一学生信息素养水平仍属一般初级水平，且信息技能水平、学习能力、新事物接受能力参差不齐，加上参与3D教学培训的样本选择范围宽泛，来自8个班的400多名学生，很难使全部学生都能达到理想的培训效果，也无法保证预期的培训效果。②多媒体教学课件专业设计人员有限，课件来源单一，课件评估存在差异。因没有现成的系统性教学课件，用于3D打印教学的多媒体教学课件大都由课题组自行设计制作，人员少且设计水平参差不齐，课件总体数量少，缺乏多样性，不够丰富，其评估同样存在不合理性。
2.研究展望
3D打印技术是目前素质教育领域中新的教育教学内容，其在教育领域中闪烁的知识能量与技术能量特别强大，其与学科深度融合将会给教师的教和学生的学带来不可估量的价值、效果，实现学科教学效果的弯道变速转弯，创新教育，大力助推学校素质教育质量提升。
本文围绕3D打印技术理论知识与实践技能，运用现代教学理念和方法对学习者进行教学培训，旨在提升学习者的技术素养。就研究的深度而言，本文仍处于初级研究，并未与学科教学实现深度融合;就研究内容而言，只是就3D打印技术的理论知识和实践技能进行培训教学，并未深入到具体学科方面的相关探究，相关研究还需大力开展，持续探究，以期实现深度融合。
参考文献：
[1]NMC Horizon Report： 2013 Higher Education Edition[EB/OL].http：//www.nmc.org/publications/2013-horizon-report-higher-ed.
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[5]黎荔，王永信.青少年3D打印趣味课程[M].西安：西安交通大学出版社，2015.
[6]张学军，唐思熠，肇恒跃，等.3D打印技术研究现状和关键技术[J].材料工程，2016，44（2）：122-128.
[7]Manufacturing： The Third Industrial Rrevolution[EB/OL].The Econo-mist， 2012，4. http：//www.economist.com/node/21553017.
[8]蔡绪太，孙耕耘.教育理念的现代化是实施创新教育的前提[A].跨世纪园丁工程论丛[M].济南：山东人民出版社，2000：399-403.
[9]邬志辉.教师教育理念的现代化及其转化中介[J].东北师大学报，2000（3）：80-86.
（编辑：鲁利瑞）
