第一篇：3D打印技术在中小学教学中的应用
3D打印技术在中小学教学中的应用
——以英国中小学课堂引进3D打印技术项目为例
作者简介：李柯影，东北师范大学计算机科学与信息技术学院硕士研究生，研究方向为现代远程教育，Email:liky086＠nenu.edu.com；郑燕林，东北师范大学计算机科学与信息技术学院（吉林 长春 130117）。
内容提要：3D打印技术基于“设计即生产”的基本理念，通过支持学生在学习过程中的深度体验与参与发展学生的创造性思维和跨学科思维，同时也有助于提升学生的实践能力。该文主要分析英国中小学在学科教学中引入3D打印技术的目标指向、应用方式，并分析影响3D打印技术在学科教学中有效应用的相关因素，为探索教师在学科教学中适当应用3D打印技术提供参考。
关 键 词：英国 3D打印技术 学科教学 创新设计 体验式学习
3D打印技术以计算机辅助设计(CAD)软件生成的或通过实体扫描设备扫描实物所获得的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“积层造型法”逐层打印材料层创建物体，主要用于原型设计以及组件或产品的制造[1][2]。3D打印技术实现了“设计即生产”的创想，具有快速生成的特点，不但能够实现从零件设计到整体设计的跨越，而且所“打印”的产品，较之传统方法所生产的产品具有更强的稳固性、更精密的结构，支持更有创意的设计与生成，因此近年来在机械制造、生物医药、建筑设计、艺术创造等多个领域受到越来越多的关注[3]。
虽然3D打印技术在上述多个领域的应用受到关注，但目前针对3D打印技术在基础教育领域深入应用的系统研究相对较少。英国教育部及相关组织机构于2012-2013年实施了为期一年的探究3D打印技术在学科教学创新中的应用，该项目不仅取得了实质性教学应用成果，而且推动了3D打印技术在教育领域中的应用，为更多学校引进3D打印技术，变革教与学的模式起到示范与引领作用。本文结合英国3D打印技术教学应用案例，深入分析3D打印技术在英国中小学教学中应用的目标指向、应用效果及影响因素，探究3D打印技术在教学应用推广时需要注意的问题，希望为学校教育引入3D打印技术提供一定的参考。
一、3D打印技术在英国中小学教学中应用的目标指向
1.指向提升学生的学习主动性、培养学生的创新思维
基于对3D打印技术本身特性的把握，发现该技术可以作为动力激发工具和支持创新设计的技术工具应用到教学活动中，促进学生学习主动性的提高和学生创新思维的培养。
一方面，3D打印技术本身的功能特性以及对学习活动的支持作用决定了其作为技术支持工具对提升学生学习主动性有积极影响。首先，3D打印技术作为一种新型技术，其新颖性更加容易引起学生参与基于该技术的学习活动的好奇心和兴趣，激发他们主动参与学习活动的动机。其次，3D打印技术的独特功能——快速打印模型或实物，支持并激励学生主动参与打印活动。学生可以利用3D打印机将自己的创新设计或想法以可视化方式呈现给教师和其他学习者，由此获得的成就感，不仅会促使学生更加积极主动地参与学习活动，而且会激励他们主动参与创新设计。第三，3D打印技术支持的学习活动有助于体现学生作为学习活动主体主动参与学习的重要性和价值，进而促进学生主动参与学习活动。基于3D打印技术的学习任务，需要学生主动分析打印任务、参与计划与决策、参与创新设计原型，这种主体意识和被需要的感觉让学生意识到自己在学习过程中的重要性和价值，促使学生更加主动地参与到打印活动中。
另一方面，为保证学生主动参与并有效进行学习活动，英国教育研究者认为在3D打印技术快速打印实物功能的支持下，学生可以将时间和精力集中在创新设计环节，有助于创新思维的培养。创新启于格物致知，创新思维启于透彻地分析打印任务和丰富的实践经验，是进行创新设计、打印出创新性个性化作品的基础和源泉。学生通过主动参与创新设计、全面细致地分析打印任务，充分发挥想象力和创造力，最终打印出个性化的作品。
2.指向探索新的教学方法
英国3D打印技术在学科教学中的应用项目是在“人类可以通过制造和分享过程产生学习”理念指导下开展的学科教学创新探索项目[4]。该理念的核心是“制造”和“分享”，强调在真实情境中通过体验式学习与探究式学习是获得知识并实现学以致用的有效方式。所以，教师借助3D打印技术可以为学生创建“体验式学习中心”，这同时也是一个知识运用空间，学生需要主动参与到真实的实践活动中，并通过亲自动手操作获得直接的学习体验，提高解决问题的知识与技能水平。在3D打印技术支持下的体验式学习中心从学习内容、学习方式上都有所突破。
“体验式学习中心”的学习内容可以是一个专题的探究学习，也可以是单一知识或问题的学习与探究，还可以仅是一个创意的实现，甚至是这三者的交叉融合。在专题探究学习活动中，教师需要给学生提供一个主题及其设计纲要，并期望学生能对该设计做出自己的选择，主动地进行学习和探究。学生在专注于研究主题的同时，会自然地将3D打印机作为学习或探究内容的一部分。针对后两种学习内容，学生可以利用3D打印机将一个想法变成现实，将一个知识或问题以可视的打印作品呈现，有助于个性化和创新思维的发展。例如，沃特福德男子文法学校(Watford Grammar School for Boys)的学生打印出各种代数方程的3D图形[5]。
“体验式学习中心”的学习方式可以是协作学习，也可以是自主学习，前者是实现“共享”理念的有效方式，而后者在实践中已经证实了3D打印技术对学生个性化学习起着重要的支持作用。在2012-2013年英国3D打印技术走进校园项目研究中发现：基于3D打印技术的自主学习能改善学习效果并伴随产生其他更广泛的利益。例如在物理和数学学科教学中，教师非常希望能成功地使用打印机来促进学生思考、推理和理解学科教学知识，并且开展学生为主导的实验。这种自主学习方式更大程度地将学习的主动权交付学生，让学生在3D打印技术支持下进行自主学习，将知识学以致用。这种突破性的新教学方法，不仅有利于学生个性化发展，而且有助于学生创新思维的培养。
通过身临其境地制造和分享所产生的学习行为，对学习或知识获得具有实际效益，而且3D打印技术是为教师和学生提供体验式学习机会、为学生创建知识运用空间的重要支撑技术。体验式学习让学生更容易理解知识的内涵，在实践中有效应用知识是强化知识、体现知识的价值。这种新的教学方法，有利于促进学生主动参与学习与探究活动，培养学生的协作意识以及发展学生的创新思维和自主学习能力。、3D打印技术在英国中小学不同学科教学中的应用
3D打印技术在英国中小学不同学科教学中的应用，多角度展示3D打印技术在促进学科教与学的功能的优势和应用方式，为优化技术与学科知识的整合提供可借鉴的观点与方法，为实现学科教学目标以及突破学科教学难点提供策略。笔者基于对3D打印技术功能性特点和学科教学目标、特点等的考虑，总结出3D打印技术在学科教学中应用的分析框架(如图1所示)。
1.在“科学”学科教学中的应用
“科学”学科的教学内容涉及生物、化学和物理三方面的知识，其教学目标是通过学习与探索生物、化学和物理的基础知识，发展学生对科学本质、过程和方法的理解力，并通过不同形式的科学调查，帮助他们回答现实生活中的科学问题，提高科学素养[6]。
基于对3D打印技术功能特性与“科学”学科教学目标及特点的关联与分析，发现该技术可以观摩和协助探究两种方式促进学科教学目标的实现。首先，3D打印技术支持学生通过观摩教师利用3D打印机打印的模型来获得相关知识内容，有助于发展他们的观察能力、分析能力以及理解力。比如“科学”学科教师可以利用3D打印机打印眼球模型，帮助学生理解有关眼球构造、功能等知识。其次，3D打印技术支持学生在教师协助下主动构建3D模型，并对相关知识进行深度学习，提升他们探究事物本质、规律的能力。如“科学”学科教师可以组织学生在3D打印技术环境下讨论塑料的性能，也可以利用3D打印机协助学生构建分子、细胞甚至正弦波等模型[7]，学生在构建过程中可以通过研究这些数字模型文件的数据信息进行深度学习与探究，最终获得相关知识。当然，在项目中该学科的打印活动大部分依靠如Thingiverse等提供设计文件网站所共享的3D模型源数字文件。
3D打印技术通过提供观摩与协助构建这两种技术使用方式，为学生在“科学”学科学习中营造体验式的学习空间，促使学生获得更加直接的学习体验。学生通过主动进入该学习空间，获取空间中所展示和隐藏的知识，探究事物本质、过程和变化规律等，提高科学理解力、探究能力以及科学素养。观摩与协助构建体现了3D打印技术作为教学工具与学习工具应用到“科学”学科教学中的功能优势，对拓展教学工具的广度、挖掘教学工具深层内涵有重要意义。
2.在“数学”学科教学中的应用
中小学“数学”学科的培养目标是通过频繁的计算、推理、演示等教学活动，促进学生对数学基本概念和原理的理解和应用，培养学生推理能力和问题解决能力[8]。“数学”学科的教学难点是将抽象的数学概念或规律以简单可视化方式呈现给学生，促进学生理解和掌握。
基于对3D打印技术功能特性与“数学”学科教学目标、特点及难点的关联与分析，发现该技术可以通过演示和协同构建两种方式帮助突破数学学科教学难点，促进教学目标的实现。一方面，3D打印技术为教师演示数学抽象概念或规律形成过程提供技术支持。比如立体几何中关于毕达哥拉斯定理(勾股定理)和三角法的教学，一般停留在平面演示、想象、计算、推理的层面，但在3D打印技术支持下，教师可以利用3D打印机轻松简单地构建立体几何体，使该定理的推理演示过程更加直接地呈现给学生，促进学生从形象的实物和过程演示、推理中理解并掌握数学抽象概念和知识，而且有助于提升学生的立体空间感。另一方面，3D打印技术支持学生协同构建或探究数学规律。例如，沃特福德男子文法学校(Watford Grammar School for Boys)六年级组教师和学生协同研究与抛射体速度、高度和距离相关的微积分[9]。首先，他们利用3D打印机产生一个支持内部弹射器的联结，然后再利用3D打印机为这个项目生产一系列的抛射体。在实验中，学生可以通过立体多角度的观察物体运动与变化规律，促进他们对微积分知识的深度理解和掌握。此外，该校学生还打印出各种代数方程的3D图形，帮助理解代数方程的内涵。
3D打印技术通过演示和协同构建两种技术使用方式，为学生理解和掌握数学抽象概念，探究数学规律提供了可靠的技术支持。同样，教师可以借助3D打印机以立体简易化方式呈现数学概念或规律，有助于提升学生对抽象知识的理解度和掌握度。演示与协同构建体现了3D打印技术在“数学”学科教学中的应用对拓展教学工具深度的意义。第一，在知识展示方面。以往的学习内容大多基于二维平面进行展示，除非一些需要学生亲自操作的实验活动，否则都是依靠想象、理解或死记硬背的方式来获取知识。利用3D打印技术可以将概念和知识立体化、具体化、可视化，帮助学生摆脱对抽象概念和知识的空想，促进他们全面理解知识并激发他们的求知欲。第二，在知识实践方面，3D打印技术支持学生的创造活动，并能快速物化设计，既促进了学生主动参与学习活动，也有助于学生将理论知识与实践相联系。
3.在“设计与技术”学科教学中的应用
“设计与技术”学科是一门具有启发性、严谨性和实用性特点的学科，更是一门综合性学科。该学科的教学培养目标是通过组织和引导学生使用创造力和想象力设计并制造出能够解决各种情境下的现实及相关问题的产品，同时也考虑产品使用者的需求、愿望以及价值观；通过支持学生独立完成简单的设计与制造工作，提升其参与“设计与技术”学习活动的自信心，促进创造性专业技能的获得；通过批判、评估和测试他们的想法或产品，理解和应用相关项目学习事项、技能和流程[10]。
基于对3D打印技术功能特性和“设计与技术”学科教学目标和特点的关联与分析，发现该技术可以通过创造与设计促进教学目标的实现以及跨学科知识的融会贯通。第一，3D打印技术为教师和学生发挥想象力和创造力等创造性活动提供便捷性的技术支持。师生利用CAD等计算机辅助设计软件充分发挥想象、联想能力设计出3D立体数字模型，再使用3D打印机将模型实体化。第二，该技术为师生制造实用性产品提供技术保证。由于该学科特别注重产品的实用性，所以3D打印技术支持的教学活动不仅需要学生系统地考虑、细致地分析打印任务，并通过迭代完善工作创造出实用性强且质优的产品，而且要尽量节省生产原材料、保证高精度和高坚固性，为实际实施提供质量保障。比如在桥梁工程学教学中，学生可以利用3D打印机打印出桥梁模型，通过力学测试来及时发现并改进桥梁稳固性、规模等问题，为实际施工做足准备。第三，该技术为跨学科知识的综合运用提供桥梁。例如在Cramlington学习村庄[11]，学生在学习工程课程时，除了需要学习生产技能相关知识外，还包括物理、数学等方面的知识。比如学生在创造和生产椅子的过程中，首先需要考虑椅子的平衡性，防止打印过程中出现斜倒、扭曲的状况；其次要考虑椅子的承重力，防止先打印出来的部分被后打印的部分压挤变形；最后还需通过成本评估确保物有所值。可以看出这个过程不仅涉及有关生产过程的技术知识，而且涉及有关于椅子的稳定性、承受力以及平衡性等物理知识，还涉及用三角法来计算椅子的后视角、用软件绘制坐标等数学和软件操作知识。
3D打印技术通过创造与设计这两种技术使用方式为学生获得并应用知识提供可靠、便捷的技术支持，实践了“设计是重点，生产不是问题”的新思想，在提升学生分析、设计、评估、实践和创造能力,促进学生的分析性思维与创新性思维以及系统思维发展,提高现实中建造高质量的工程提供保障,并切实地实现了利用技术辅助工程设计等方面有重要实际意义。而且就如温莎男子学校(The Windsor Boys' School)的DT负责人[12]认为，熟悉3D打印设计流程(计划、设计、制造和评估)的学生能够利用3D打印机来缩短“制造”阶段的时间，使打印机在“打印”产品时更快。这意味着学生可以将更多的时间和精力分配到产品的“设计”上，发展他们的创新思维。此外，目标指向中提到的“体验式学习中心”，更多地发生在“设计与技术”学科教学过程中。
三、影响3D打印技术在英国中小学教学中应用的因素分析
通过对2012-2013年英国开展的3D打印技术进入学科教学项目的分析，总结出成功背后的影响因素有以下几个：
1.教师对3D打印技术的教学应用持积极的态度
正如许多参与项目的老师说，他们只花几个月的时间就能足够熟练地使用打印机和相关软件，并且能在教学中成功而自信地使用。在实践教学中表明，自信的教师在使用3D打印技术时要比那些相对孤立且不能坚持解决委托或获得持续支持的教师更得心应手，因为他们有着对主题探究的热情和敢于实验与创新的胆量。正所谓“心之所向，身之所往”。当教师憧憬并相信3D打印技术具有促进教与学的潜能，便会致力于技术与教学的有效整合，探究创新教学方法，最终获得成功的经验和有效的技术应用策略。
2.教师与教学支持人员的通力协作
英国3D打印技术在中小学学科教学中应用项目，是由教育部、物理学会、全国数学教师理事会(NCETM)、3D打印机厂商、学校等合作进行的。其合作的目的有三个：一是确保教学中所选择的软件是适合跨学校、跨科目的；二是提高各种资源的有效利用率，包括各学校的教师资源、技术资源；三是促进交流与共享技术应用经验。技术与教学整合需要投入大量的时间、精力和人力。例如参与项目的Highworth女子文法学校有成功的案例，该校的DT老师和物理技术人员密切合作，共同设计一组可以通过金箔模拟阿尔法粒子的散射的设备。所以，教师与教学支持人员，包括专业技术人员、3D打印机厂商、同一学科或不同学科的教师之间的通力协作是推动探索技术促进学科教学的持续动力。
3.必要的软硬件环境建设
(1)软件
项目组织者和支持者为教师和学生提供使用设计软件的专门培训，而且尽可能选择容易上手且免费的设计软件，比如很多学校选择使用的免费Sketchup(草图大师)。基于该类设计软件的数字设计模型是3D打印机打印产品的源文件。该文件在打印输出时，通常是一个.stl文件，然后送入第二层软件并生成打印机指令(G code)，该指令唯一指向于一个特定的打印机。.s3g文件格式的G代码通过SD卡输入打印机。打印项目中Makerware和复制因子G计划通常被用于生成G代码[13]。数字设计模型可以从如Thingiverse等免费网站下载，这有助于入门打印机操作的学习。
(2)3D打印机
从英国3D打印技术应用到学科教学的项目经验分享中可以看出，3D打印机的选择关系着能否有效使用打印机并将其优势功能发挥到最大化。需要从以下几点考虑：第一，要考虑3D打印机的使用者和使用目的。若是教师使用3D打印机打印教学模具，优先考虑打印机的速度和质量；若是学生利用该技术制作模型，则还需要考虑其易用性、耗材和成本。第二，要考虑打印机本身的一些因素，比如打印速度、打印机文件传输接口、与学校操作系统和网络的兼容性以及质量和售后支持等。第三，要重视打印机所置放位置和环境，防止拖拉或移动，避免要打印出来的物体出现干燥和翘曲等问题。所以，学校或者教师在选择和使用3D打印机时需要全面且慎重考虑。
4.对应用过程提供系统的支持
(1)来自学校管理层的支持
参与项目的大多数学校里的领导教师都是具备专业计算机辅助设计能力的设计与技术专家，他们通过“低干涉”管理让学科教师更专注于技术使用方法和教学目标实现途径，这不仅为学校师生提供财政支持以及他们创新使用3D打印机的视角，而且在鼓励和支持教师使用新的、不熟悉的技术，组织并建立强大的人才团队以及给学生传授他们的技术知识等方面也起着积极作用。
(2)对应用3D打印技术的教师团队进行专门的培训
学校管理者与相关技术专家在学校引入3D打印技术后需要对校内拟在教育教学中的应用3D打印技术的教师进行专门的、系统的培训。培训初始期间，3D打印技术的使用轻松实现教师、技术工作人员和学生的一些大胆创新性想法，进而激发他们对技术持续探索的热情。而且，跨部门在使用相关软件时证明专门的培训和持续的支持对技术使用与推广起着至关重要的作用，因为没有经验的教师必须花一段时间来提高使用打印机和应用设计软件的能力。
培训课程一般包含为教师提供3D打印机项目基础内容和实践机会，组织讨论会分享使用3D打印机的经验想法等活动。此外，教师需要花费正常教学以外的时间和精力来巩固编程技术和CAD专业技术，以保证熟练使用3D打印机并充分发挥3D打印机的功能。
四、结束语
2014年地平线报告中将3D打印技术应用划为2-3年的中期计划，报告中指出3D打印技术对教学和学习有很大的潜在价值[14]。3D打印技术将无形的思想与设计有形化，通过提供观摩与探究、演示与构建、创造与制造等技术支持，为学生搭建一个知识运用空间，创造一个体验式学习中心，充分体现学生作为学习活动主体性的原则，有助于培养并发展学生的成功智力，即分析性智力、实践性智力和创新性智力。
3D打印技术在英国中小学学科教学中取得比较明显的应用成果，并且由此总结了相应的学科教学应用模式，不仅开启3D打印技术促进教与学的探索，而且有望为其他国家或地区的学校引入该技术提供成功的案例和有价值的指引。但从项目试点学校反馈中可以发现在实践过程中存在一些问题，比如打印复杂模型时耗时、耗力的问题，网络软件与打印机接口契合的问题，教师和学生熟练使用3D打印机的问题等。如何将3D打印技术恰当有效地应用到学科教育中以优化教与学活动过程，提升教学质量，仍然是教育研究者值得探索的问题。
参考文献：
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IMARY_national_curriculum_Science.pdf.
第二篇：3D打印技术在中小学教学中的应用研究
3D打印技术在中小学教学中的应用研究
摘要:近些年来，3D打印技术逐渐走进了人们的生活之中，受到越来越多的关注，目前由于此项技术可在短时间内制造出各种物件，被广泛的应用于航空、医学等等领域。而且，随着技术越来越成熟，在教育行业也在逐渐的被普及起来，本文将对3D技术在教育行业中的应用进行分析，并对目前在教育行业中存在的问题进行探讨，为此项技术在教育行业更好的发展提供借鉴意义。关键词：3D打印技术；中小学教育；应用研究 引言
现如今，3D打印技术在教育行业逐渐被广泛的应用，英国教育部已经实现了大约1年的试点应用，将3D打印技术应用到各个学科体系之中，已经取得了不错的效果，极大的增加了对于3D技术在教育行业应用的信心。本文将首先介绍3D打印技术的概念，在通过中小学各个学科教育中的实际应用，来探究3D打印技术在教育行业中对于应用问题，最后再指出3D打印技术目前存在的问题，提供借鉴意义。
二、3D打印技术在教育行业的应用
（一）数学学科
在数学学科的领域中，在学习几何立体图案的主视图、侧视图和俯视图时，对于较为复杂的几何立体时，很多中小学生在想象时，较为抽象，脑海中的空间思维能力相对较弱，缺乏具体的实物来模拟，很多教师也很难对同学之间产生共鸣。有了3D打印技术，老师们可以很方便、很快捷的打印出所需要的几何体，展示在中小学生们的面前，将图案分别从正面、侧面、俯面进行观看，十分直观的实现了在此章节的教学工作。除此之外，比如一个复杂的几何体，被横切后，出现什么样的图案，在3D打印技术的帮助之下，也可以迎刃而解。
（二）物理学科
在学习力学的章节时，很多的机械模型在进行受力分析时，学生们很难在大脑中呈现出每一个时刻的受力状况，比如：横摆运动、转动带受力分析等等，有了3D打印机之后，老师打印出机械的模型，并对机械模型的受力进行分析，十分形象的展现每一时刻的受力状况，在教学方面，大大的降低了难度，让学生们更加形象的得到理解。
（三）地理学科
在学习地理学科时，很多学生搞不懂太阳、月亮及地球之间的转动关系，不明白自转与公转运动，脑海中没有清晰的认识，学生们理解起来相对比较困难，老师们可以用3D打印机将其打印出来，比例得到一定的缩小，老师们可以更加形象的通过调整三者之间的位置，来描绘自转和公转运动的情况，大大的降低了教学难度，使得学生们可以更加方便的理解。
（四）历史考古学科
老师在讲解历史各个朝代工艺品时，未来能够用个清晰的认识，老师们可以使用3D打印机进行制作，比如：西周时期的鼎、西汉时期的竹简、清代时期的青花瓷等等，可以丰富学生们的阅历，增加对历史文物的了解。
（五）生物医学科
在学习生物医学类的知识时，对很多人体器官的构造在理解起来，有一定难度，比如：细胞的结构、体内循环系统、皮脂的结构、脑部结构等等，在理解起来有一定的难度，像上面的内容，可以用3D打印技术很好的实现，使教学变得相对容易，可以将这些结构以放大的比例进行打印，展现在学生们面前，可以更加详细的了解。
（六）航空类学科
在航空类的教学中，对于飞机的构造，学生们可能很难去理解，飞机的启动和落地的流程也很难形成记忆，有了3D打印机，这些问题都可以解决。以缩小的比例打印出飞机，老师模拟演示操控飞机的起飞和落地的过程，有利于学生们更好的形成记忆，使学生们的对飞机的构造及动力系统了解的更加深刻。
三、3D打印技术的局限性
（一）在教育行业推广有限，应用较少
3D打印技术在我国国内的各大中小学校中实践案例较少，实际运用3D打印技术来教学的较少，同时此类的期刊论文研究也相对较少，不少的学校领导对此技术心存顾虑，整体的在教育行业推广较少，缺乏成功的案例实践。
（二）成本相对较高
由于3D打印机属于稀缺类型的物件，而且科技含量相对较高，处于进入市场的初期阶段，价格处以“新贵”的姿态，普通大众在接受起来相对困难。不过，随着技术的进步，听说小型桌面的3D打印机大概售价低到一万以下，但成品率不能保证百分之百，在制作质量和工艺水准上存在一定的误差。
（三）使用材料种类有限
在使用3D打印机时，需要使用与之相符合的材料，各种材料种类有限，能够应用于3D打印的材料还非常单一，以塑料为主，并且打印机对单一材料也非常挑剔。且在采购起来，存在一定的困难，同时采购材料还存在着一定的成本，对各个学校来说，又是额外支付的一笔成本，加重了成本的负担。
（四）产品强度问题
在教学工作中，对于打印出来的仅用于观看的小物件产品，仅用于观看，在磨损及使用上不会造成太大伤害，倘若打印出来的产品时大物件，而且需要长时间的进行使用和模拟，那么物件的强度也是一个很大的问题，产品的强度有效期大概多久，能够使用多长时间，是每一个学校在购买3D打印机时的重要考虑因素。
（五）产权保护及税务问题
如果3D打印技术流放到教育行业之后，必然的会产生很多的模仿者和创新者，这就需要实现知识产权的保护，同时，由于货物的制造均是打印出来的，非真正的商品价值，在税务征收方面存在一定的问题，传统的征税模式将无法适应。
四、结论
毋庸置疑，3D打印技术对于中小学的教育行业起到了巨大的作用，可以极大的激发学生们的学习兴趣，同时还能够降低教师的教学困难，增加了课堂的创新精神，但是，由于目前国内在此技术的应用上，确实还存在着局限性，需要逐一克服，实现更广泛的推广。同时，在技术应用上，厂家需要更多的站在市场的角度来思考问题，得到政府相关部门的扶持，充分的迎合市场，才能够更加广泛的得到推广。相信未来5年内，3D打印技术会逐渐的走向成熟，逐渐的走进每一个人的生活之中。
参考文献：
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第三篇：3D打印技术在小学教学中的应用
3D打印技术在小学教学中的应用
1986年美国科学家查尔斯?胡尔发明出世界上第一台3D打印机。随后胡尔成立了世界上第一家3D打印设备公司。然而，这一技术却由于价格昂贵、不够成熟等原因并没有引起业界的重视。经过近30年的发展，3D打印技术已逐步走向成熟，且价格有所降低，开始风靡全球。2013年《地平线报告》的基础教育版，首次将3D打印的教育应用列入了“待普及”的新技术清单。3D打印技术越来越受到教育界的关注。
一、小学阶段开设相关课程的价值与意义
素质拓展课程是传统课堂教学的必要补充，是全面推进素质教育的有效途径，它注重个性塑造和创新能力的培养，旨在开拓学生视野和提升学生设计和动手的能力。随着各地教育教学水平和科学技术水平的发展，越来越多“新鲜”课程走进中小学素质拓展课堂。
小学阶段的学习是学生成长和成才的基础，对学生今后的发展方向起到引领作用。3D打印作为二十一世纪的朝阳产业，理应在人群中推广。“3D打印教育”由高等教育特定领域向基础教育普通课堂过渡，逐渐推向中小学课堂是其发展的必然趋势。目前，国内外对3D打印技术的教学应用处于起步阶段，还需不断摸索。可以明确的是，3D打印可以把新技术和创造性学习联系到一起，让学生体验新技术带来的巨大能量的同时，在项目探究中体会创新的乐趣。
二、3D打印技术在小学的教学内容
1.3D打印的定义
3D打印是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快速成型技术，它是一种增材制造技术。
2.3D打印的应用领域
与传统的减材制造相比，3D打印技术摆脱了模型复杂程度的束缚，实现了完全数字化，降低了制造的难度，提高了制造的速度。近年来，3D打印被越来越多地应用于各个领域，如创业产业领域、制造业领域、航空航天领域、文物保护领域、医疗卫生领域等。
3.3D打印机
在小学教学中，我们主要使用了HOFI-X1 3D打印机。HOFI-X1 3D打印机是基于熔丝沉积制造（FDM）原理的3D打印设备，它与台式电脑或笔记本电脑通过USB电缆连接就可以打印出三维实体模型。3D打印的方式是逐层打印，每一个层都在上一层上堆积而成，上一层起到支撑的作用。随着打印时长的推移，3D打印作品逐步完成。学生可以清晰地看到打印的整个过程。这种设备结构一目了然，机器坚固耐用，性能稳定十分适用于小学教学。
4.制图软件介绍
Sketchup使用简便，学生可以快速上手，是一个极受欢迎的三维设计软件，它就像“铅笔”一样，可以画出理想的图形。TinkerCAD是一个基于浏览器的3D建模平台，没有软件安装条件的学生可以选择这个绘图方式。UG NX可以用于绘制二维和三维图形，是一款专业级的制图软件，多用于工程制图，功能强大，学生学习基本操作也不难上手。AutoCAD是一款计算机辅助设计软件，同样可以用于二维制图和基本三维设计，使用无需懂得程序设计，即可自动制图，因此它可以用于土木建筑、装饰装潢、工业制图、工程制图、电子工业、服装加工等多个领域。
5.三维扫描仪
三维扫描仪可以扫描出静态或者动态物体，由于三维扫描仪的扫描范围有限，因此需要变换扫描仪与物体的相对位置或将物体放置于电动转盘上，在光线充足的条件下经过多次扫描以拼凑物体的完整模型。三维扫描出的模型可以直接导入到3D打印机，并打印出来。
6.沙盘制作
学习了三维制图和打印机的使用后，学生已经具备自己设计制作简单模型的能力，他们不再满足于制作个人的小物品。给学生分组，以团队的形式分工合作制作沙盘，让他们在合作中真正实现自主创意、自主管理、自主学习，通力合作。学生自主创意的作品有颇具天津特色的天塔湖公园等。
三、结语
3D打印技术的原理、电脑制图是本课程的难点。小学生学起来还是需要一定时间，需要教师耐心教授。创意设计和模型制作是本课程的重点，教师应引导学生，并随时对他们提出的问题给予指点和反馈。3D打印技术在小学是一门全新的课程，教学没有经验可循，教师可通过总结归纳的方式，把学生提问的知识点转化为系统的知识结构。
素质拓展课程是激发学生兴趣和培养小学生动手能力的重要途径，这一阶段的学习对其终身发展起着至关重要的作用，值得重视。如今，3D打印的风暴已经波及全球，让学生接触并学习3D打印技术对于我国的科技发展具有战略性意义。
参考文献：
[1]兀旦晖，赵晨飞.3D打印技术在教学中的应用研究[J].教学信息，2013.[2]童宇阳.3D打印技术在中小学教学中的应用研究[J].现代教育技术，2013.
第四篇：浅谈3D打印技术在教学中的应用（写写帮整理）
浅谈3D打印技术在教学中的应用
[摘 要]3D打印是一种新兴的学习辅助技术，教学领域将是未来3D打印技术推广应用的重要市场。本文首先从3D打印的原理着手，剖析了3D打印技术在教学中的作用，并探讨了3D打印技术在教学实践中的应用模式，以及为进一步研究3D打印技术在教学中的应用提供参考。
[关键词]3D打印技术 教育应用 应用模式
中图分类号：D170 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）11-0382-01 1、3D打印的原理
对于大多数人来说，提到“打印”，首先想到的是能打印文稿或照片等平面内容的普通打印机，事实上二维的喷墨打印和某些类型的3D打印在技术表现上确实比较相似，3D打印使用特制的设备将材料一层层地喷涂或熔结到三维空间中，从而让打印的数字虚拟对象实现三维实体化。3D打印机的精确度相当高，可以打印出模型的大量细节，而且它比起铸造、冲压、蚀刻等传统方法能更快速地创建原型，特别是传统方法难以制作的特殊结构模型。一般来说，通过3D打印获得一件成品需要经历建模、分层、打印和后期处理四个主要阶段：
（1）三维建模
通过GoScan之类的专业3D扫描仪或是Kinect之类的DIY扫描设备获取对象的三维数据，并且以数字化方式生成三维模型。也可以使用3ds Max、Blender、AutoCAD、SketchUp等三维建模软件从零开始建立三维数字化模型，或是直接使用已做好的3D模型。
（2）分层切割
由于描述方式的差异，3D打印机并不能直接操作3D模型。当3D模型输入到计算机以后，需要通过打印机配备的专业软件来进一步处理。即将模型切分成一层层的薄片模块，每个模块的厚度由喷涂材料的属性和打印机的规格决定。
（3）打印喷涂
由打印机将打印材料逐层喷涂或熔结到打印台的三维空间中，根据工作原理的不同，有多种流程方式。较常规的是先喷一层胶水，然后在上面撒一层粉末。如此反复；或是通过高能激光融化合金材料，一层层地熔结成模型。整个过程根据模型大小、复杂程度、打印材质和工艺流程耗时几分钟到数天不等。
（4）后期处理
由于3D打印机规格、打印材质、打印精度的不同，可能出现成品截面粗糙或有毛刺的现象，这时就需要对打印出来的模型进行必要的加工处理，如：表面打磨、剥离、上色、固化处理等。2、3D打印技术在教学中的作用
2.1 提高学生主动学习的积极性
3D打印是以计算机软件生成或通过实体扫描获得的数字模型文件为基础，运用粉末状的金属或塑料等具有粘合性的材料，通过“积层造型法”逐层打印出实物的技术。该技术应用于课堂上能够激发学生浓厚的兴趣。通过3D打印，课本上的二维知识能够快速转化为三维的实物，3D打印本身的功能特性和新颖性以及对教学过程的辅助作用都能够激发学生的好奇心和学习兴趣，提高学生的积极性与主动性。通过将3D打印技术引入课堂，学生可以将自己的想法与构思实体呈现出来，不仅培养了学生的动手能力，还加深了对知识的理解与记忆，激发学生深入学习的热情，积极地投入到再学习中，形成良性循环。
2.2 培养学生的创新思维能力
3D打印技术为学生提供了一个自由发挥想象力的平台，学生可以通过3D打印将许多课本中看不见摸不着的内容变为实物，能够使学生捕捉知识要点并实体定格。在3D打印技术的支持下，学生可以将更多的时间与精力投入到设计与创新环节，通过自身的理解与想象，结合课本上的知识举一反三，将记忆理论概念转化为实物创作，在体验实践中融会贯通进而创新。可以说3D打印技术引入学校教学中，极大地促进了学生思维能力和创新能力的提高，学生可以参与创新设计，尽情发挥自己的想象力和创造力，将创新思维能力培养贯穿于学习活动之中，通过打印出具有个人特色的实体作品，体验课本外的知识实践应用。
2.3 帮助教师探索新的教学方法
在传统的教学中，教师只能通过口头讲述的方式来为学生讲解知识，即使是多媒体技术和设备非常发达的今天，教师也只能通过音视频使得教学相对生动真实，由于大量学科仍是非实物化的教学方式，加上学生的阅历有限，理解能力不足，使得他们对知识掌握的程度仍未教师理想。有了3D打印技术的支持后，教师就能够将全新的“体验式教育”实施到课堂之中，将课本上以前那些难以触摸，或是难以在课堂上具现化的内容打印成三维实物，让学生通过自己的亲身触碰和体验来加强学习理解。以学生为主导的教学方式，教师将学习的主动权交给学生，帮助学生去感受最真实最具体的内容，结合着理论概念与知识点，让学生更容易理解其中的内涵与意义。3、3D打印技术在教学实践中应用模式探究
3.1 3D打印技?g用于课堂情境教与学
以莱夫为代表的情境学习理论认为，知识寓于情境之中，学习者通过具体活动能更好地获得知识，强调知与行的交互性。而我国教师在教学中普遍实施的是灌输式教学法，教学模式僵化。3D打印技术对于教师和学习者的重要价值体现在：它能够更加真实形象地呈现特定事物，并让学习者获得深刻的感知体验。利用3D打印机可将大多数有益于教学的模型实物打印出来并呈现在课堂上，借助实物教具教师可以更容易将抽象问题进行深刻解析，学习者也可通过其帮助对知识加深理解，实现教学双方所共同期望的交互教学模式。
在桌面3D打印机巨头MakerBot举办的数学工具模型大赛上，爱好者制作了各类创意教具，并用3D打印机将创意立体化为三维实物，大大提高了学习者的学习兴趣。大量实践证明，教学中采用生动的、符合情境的教具，课堂氛围更热烈，教学过程更轻松，学习效果更显著。（图1）为教师自行设计并打印的球齿轮教学模型，3D打印教具的使用可促使学习者将已有知识经验与实际问题进行联系，深化知识和内涵；使教师从知识权威转变为学习者研学的促进者，有利于引导学习者应用所学知识来解决“现实”问题。
3.2 3D打印技术用于课外创新实践活动
创新是一个民族进步的灵魂，提高自主创新能力、建设创新型国家必须依靠创新型人才，而我国教育工作者针对如何培养人才创新能力难题一直在努力探索。许多学校创建了学生社团以鼓励创新，但往往一些创意思想都囿于现实而被迫终止。例如在模具设计中学生试图将创意付诸实践时发现，即使标准零部件仍需去市场上逐一甄选，过程繁杂，而非标准件则必须找代工厂进行单件生产，加工周期长且价格昂贵，这些困扰在很大程度上消减了学生创新的积极性。
3D打印的出现彻底改变了?@一现状，任何创意设计都不再局限于传统加工能力的局限，3D打印机可以快速打印出学生DIY过程所需的零件，学生几乎可以足不出户就能将创意变成成品。3D打印可激发学生对某些科学过程或现象进行可视化展现，便于进行科技发明或创新制作，为实现设计提供一种更加高效的途径。
3.3 3D打印技术用于培养大学生的综合技能
当今社会对人才的知识体系要求发生剧烈变化，从传统的单一知识形式转变为多领域知识融合形式。3D打印对于中小学生可简单定位为一种科普教育，而在高等教育理工学科中则应是一种技能教育。因此，3D打印机对于大学生不仅仅是一种模型制作设备，更应该通过对打印设备的系统学习，深入掌握所涉及的各种技术知识。
如前所述，3D打印技术是一种集多领域知识于一体的技术形式，它要求学生综合学习机械设计、计算机技术、控制技术、光学技术、材料科学等多种专业技术，这就必然促使大学生加强多领域知识的学习与融合，契合当今社会对综合型人才的需求。
3.4 3D打印技术用于提高大学生就业竞争力
近年来我国大学生就业问题日益突出，其根源在于人才培养与社会需求脱节，存在“两张皮”现象。部分专业的课程设置和课程内容不能与时俱进，与社会岗位对专业人才的要求不相符合。2014年9月，人力资源咨询机构WANTED Analytics发布报告表示，近四年来市场上对具备3D打印与增材制造相关技能的人员需求量持续上升；2014年8月，3D打印行业的招聘广告数量比去年同期增长103%，且相关岗位的人员招聘难度系数最高达到60%，企业很难招聘到具有此项专门技术的人才，人才缺口十分巨大。
目前，我国还没有设置3D打印专业，仅出现小规模具有高校背景的培训机构，远不能满足市场对3D打印人才的需求，所以亟待将3D打印技术融入课堂教学，将人才培养与社会需求结合起来，可以大大提高学生就业竞争力。
3.5 3D打印技术用于开展产学研项目
技术作为连接知识与生产的桥梁，不仅是知识的应用与物化，要进行构思设计，还要直接作用于生产过程，进行产品开发与制造。因此，积极开展产学研项目合作是把握技术的理论性与实践性之间发展规律的重要环节。
3D打印技术用于开展产学研项目有利于培养学生科研能力，增强科研转化能力。对于高校，一方面可对3D打印技术进行深入科学研究，另一方面应向企业提供共享服务。如青岛高新区引进西安交通大学快速制造国家工程研究中心卢秉恒院士团队，帮助其打造完整的3D打印产业链；与中科院自动化所共建青岛智能产业技术研究院，建设3D打印社会资源平台等，形成双赢的局面。
4、结束语
目前，3D打印技术受到了各个领域的高度重视。虽然3D打印引入教学中还存在着很多困难，但其带来的效果是不可估量的。3D打印技术的运用，需要学校与师生的支持，使其充分发挥作用，为我国教育事业的发展提供动力。
参考文献
[1] 张彦芳.3D打印技术及其应用[J].科技视界，2013
[2] 刘翠.3D打印技术及其在职业教育领域中的应用[J].电子制作，2014
[3] 杨洁.3D打印在教育中的创新应用[J].中国医学教育技术，2014
第五篇：3D打印技术在教学中的应用与探索
3D打印技术在教学中的应用与探索
摘要：随着3D打印技术的日益成熟，以及其在各行业和领域极具潜力的革命性应用，如何普及3D打印并为社会培养专业的3D打印人才是当前学校教育的一个重要课题之一。本文分析了3D打印分别在不同教学阶段的受众特点，针对大、中、小学总结出不同的教学目标和教学方法，提出了一个全过程的3D打印教学体系和培养方针。通过具体案例，本文指出可以将3D打印融入主流课程的教学实践当中，服务和提升已有课程的教学水平。最后，本文总结了3D打印在教学实践中可能面临的问题和解决方案，为有效开展3D打印在各阶段的教学提供了理论指导和实际建议。
Abstract： With the increasingly mature of 3D printing technology，as well as its application in various industries，how to popularize 3D printing and cultivate professional 3D printing talents for the society is an important task of the current school education.This paper analyzes 3D printing audience characteristics in different stages of teaching，sums up different teaching goals and teaching methods respectively for college，middle school and primary school，and puts forward a whole process of 3D printing teaching system and cultivation guidelines.Through the specific case，this paper points out that 3D printing could be included in the mainstream curriculum teaching practice to serve and enhance the level of existing teaching.Finally，this paper summarizes the problems and solutions of 3D printing teaching practice，provides theoretical guidance and practical advice for effectively carrying out 3D printing in every stage of the teaching.关键词：3D打印；技术创新；教学方法；人才培养
Key words： 3D printing；technological innovation；teaching methods；cultivation of talents
中图分类号：G40-057 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）32-0178-04
0 引言
发达国家已经开始探索3D打印技术对教育的影响，并成立了相关的项目用以促进3D打印技术与教育的融合，从而培养出适应现代设计、制造潮流的人才，从而提高自身的竞争力。新媒体联盟（New Media Consortium，NMC）在2013年地平线报告中提出，3D打印是未来四到五年内值得关注的新技术，它将带来教学、学习和研究领域的创新[1]。英国教育部已经选取多所小学作为试点学校，设立相关的基金，为学校购买3D打印机，并对教师进行相关培训，此外，还开设3D打印的相关课程作为学生的手工课。学生可以通过电脑建模，打印自己所喜欢的模型[2]。欧洲的一些国家也进行了3D打印的相关教学调研，如“未来教育与学习”（LIFE）项目，对欧洲7国的师生进行调研，以获得3D教学对学生课堂的专心度和学习成绩的影响[3]。希腊在两所高校开始初步试验将3D打印作为学习手段的教学方法[4]。美国STEM教育中的STARBASE Minnesota是对学生提供STEM训练的教育项目。该项目通过引入3D打印的支持，使学生能通过CAD软件自行设计相应课程的模型，并进行实际的测试和分析。该课程项目能极大地调动学生的积极性，使枯燥的数学分析亦能激发学生的兴趣[1]。此外，还有一些职业学校的项目，如PlayMaker。该项目围绕着3D打印技术这一核心的课程，学生可以设计、打印和验证模型的物理理论。
较之国外而言，国内3D打印的普及和教育仍处于起步的阶段。国家当前十分重视3D打印技术和应用的发展，例如我国科技部已将3D打印技术纳入国家863计划，各地学校也开始进行有关3D打印课程的试点。3D打印发展现状以及学校教育的可行性
目前3D打印机的成本及其打印材料、质量、时间等都是制约3D 打印在学校教育中普及的因素。解决好这些瓶颈能更好地促进教学和研究的发展，为探索教学新方向提供有效的方法。
1.1 3D打印机成本 3D打印机的成本一直是制约3D打印发展的瓶颈。3D打印机的售价从几千元到几十万元不等。为了降低3D打印机的成本，许多公司已经着手相对廉价的3D打印机的研发。据报道，有些公司已经开始抢占教育行业的市场，推销千元以下的3D打印机。随着3D打印机的成本进一步降低，其普及将不再是难题。
1.2 3D打印的材料 另一个制约3D打印普及的瓶颈是耗材。目前的3D打印可以支持多种打印材料，如热塑性塑料、尼龙、合金、金属粉末、石膏、陶瓷、可食用材料、光敏树脂等。虽然3D打印支持多种类型的材料，但不同的材料需要相应打印设备的支持，此外打印材料的价格也并不便宜。目前的教学研究中使用较为普遍的是PLA（生物降解塑料聚乳酸，Polylactic Acid）材料和ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯，Acrylonitrile Butadiene Styrene Acrylonitrile Butadiene Styrene）。一千克的PLA或ABS耗材的市场价格为60元左右。随着材料的进一步改进和研发，生产技术的发展和生产厂商的增加，普通耗材的价格将慢慢降至教学可接受的范围内。
1.3 3D打印的质量 在打印模型的过程中，有时会由于机器本身或环境的问题，导致打印的质量并不理想，成品率一般在30%-50%左右，甚至更低。其中廉价的3D打印机也是使成品率降低的原因。种种原因将不利于教学实践和教学研究的使用。随着3D打印技术将不断改良和创新，打印质量会随之而提高。
1.4 打印时间 打印时间长也是一个亟待解决的问题，现在的3D打印时间普遍偏长，阻碍了教学实践以及教学研究的发展。据报道，现下最新研究的3D打印技术CLIP（Continuous Liquid Interface Production）的打印速度是旧式打印的几十倍以上，其打印出的物体表面也十分光滑，完整。这项技术若能普及，将弥补3D打印时间长的缺点。3D打印在不同教育群体中的教学分析与探讨
在3D打印的教学上，学校应该在3D打印的课程进行细致、深入地规划，推行多方向、多环节的主题学习。学生通过探索、想象、实践等环节的学习后，将激发想象力以及提高学习效率与兴趣。结合不同时期学生的学习方向，学生在各阶段的进程和方向上都有所侧重，进程如图1所示。
2.1 小学教学 以“感性认识”与“培养想象力”作为小学教学的方向。这一阶段的学生，发散思维力强，想象力丰富，活泼好动，接受新鲜事物的能力强。
结合以上的特点，每个小学单位至少配备一台以上的3D打印机。设置的3D打印课程应该“浅入浅出”。所谓的“浅入”，就是用生动活泼、浅显易懂的语言对3D打印的原理和3D打印机进行简单的介绍，让学生在感性上对3D打印有初步的认识，对打印原理、设备以及应用范围有个大致的了解。“浅出”就是通过做些有趣味性、引发联想、充分结合课程的简单小实验、小制作来加深学生对3D打印的认识和理解。此外，学校不能一味地使用强制性的考试、规范化的实验对学生进行应试教育，而应使用更自由、轻松的教学方式以提高学生的兴趣，使学生产生成就感，形成教学的良性循环[5]。3D打印课程的目的是将3D打印作为学生通往兴趣爱好的一座“桥梁”，而非仅作为一门来自于课堂又终结于课堂的课程。
在教学上，可以根据学校自身的特点、专家的研究等设计小实验、小制作。课程的核心必须是以拓展学生的思维、引导想象力为主，目的是要激发学生的想象力和兴趣、培养其思维能力。
2.2 中学教学 以“想象力和实践相结合”作为中学教学的方向。这一阶段的学生，发散性思维的能力与接受新鲜事物的能力依然很强，有一定的知识基础和逻辑思维能力。在小学阶段，学生有异想天开、天马行空的想法，在中学阶段，开设的3D打印课程应该有意识地引导学生的想象力，将想象力与实践结合。在数学、地理、生物等科目可以结合3D打印课程进行科目的交叉与融合。应该让学生在已有的认识基础上，加深对三维空间的理解，并且能简单地掌握建模软件如Auto CAD的操作，能进行简单或者相对复杂的建模。
在中学教学中，学生已经学习到地理、物理、生物、化学等学科。在现阶段的中学教学中，教学道具仍然匮乏，尤其在经济不发达的地区，更是如此。教师基本无法使用道具进行演示，只能利用课件、播动画和视频来替代。学习知识不应该和活动情景分离而独立抽象存在[5]，在情境中学习，与社会实践活动结合起来的学习将有利于学习的横向拓展和纵向深入。3D打印不受图形限制，可以打印出结构复杂的教学模型，教师将内部认知结构可视化，化抽象为具体，化复杂为简单[6]。理工科的课程中，实体化、可拆卸与装配、可运动的教学道具更能激发学生的兴趣和想象力。在制作个性化、非大批量的教学道具中，可以很好地利用3D打印的打印能力。
2.2.1 3D打印在地理课程中的应用 在地理课程的学习中，应用到大量的实体模型。实体模型能培养学生视空间能力，如教师可以打印出可运动的太阳系模型（其中包含可拆卸的太阳、水星、金星和地球等模型），在不同节气改变地球的位置；可以打印出不同时间段物体或现象的标志性状态的模型；也可以打印出可拆卸的房屋模型，用以演示地震对房屋的破坏；或者打印天气现象的运动模型，用以表现气旋、冷锋、暖锋等天气现象的运动；再比如使用模型层层分离的展示方式，展示不同地带的地形地貌、山岳的形状等。
通过打印图2的恒星系统，如太阳系（组件均来自3D打印）。教师可以结合课本介绍太阳系，并且移动地球等行星，以及对节气等知识点进行介绍。还可以从系统中拆卸地球模型，取出内部的每一层结构进行细致地讲解，让学生从宏观到局部系统地了解太阳系的结构。通过实物化的可运动太阳系系统，可以使知识生动形象，加深学生的认识。
2.2.2 3D打印在物理课程的应用 在物理的课程学习中，物理的许多电路、定律皆可由3D打印模型演示。如对自由落体、胡可、弹性碰撞等定律进行验证，或是合力的箭头模型、同步卫星模型、地球模型、实验电路模型的演示以及电阻、电容、电感等模型的类比演示等。同时，制作的3D模型可以与电子电路相结合，使模型能够完成相应的演示功能，如模型的LED发光、自行水平移动、垂直移动和旋转等。
通过打印如图3设备（含打印的无盖盒子、机械结构、排液管等，除了电压表、电源以及导线外，其他结构均由3D打印而成）的零件，可以引导学生在宏观上对电容有一个深刻的认识。在盒子里倒入导电液体，与电源、电压表连成闭合电路后，旋转可移动间距的旋钮，调整盒子的间距，或者调整排液旋钮，排出一定量液体，观察电压表的电压示数变化。随后教师可以通过联系所学知识，解释实验现象。学生能调整盒子间距、导电液体的量、以及更换“电容”介质等进一步加深对电容的重要公式及相关知识的理解。3D打印类似的实验装置可以很好地应用于教学，不仅可以验证理论的正确性，还能培养学生的动手能力，激发他们的想象力和兴趣。只要有3D模型就能随时打印并组装，快捷且方便。
2.2.3 3D打印在生物课程中的应用
在生物课程的学习中，能应用到大量的实体模型。使用3D打印的技术，可以打印出可拆卸的细胞、细菌、病毒的结构模型、可拆卸的多肽链、多糖、蛋白质、核酸等大分子的化学球形结构模型或者可运动的细胞膜的结构模型。打印理解难度较大的细胞有丝和无丝分裂等模型可以很好地解决学生的理解问题。
通过打印出细胞模型，如图4所示的半截面的植物细胞模型。3D打印出层1（细胞壁）、层2（细胞液）外壳以及各种不同的细胞器（使用不同颜色材料的打印，以增加细胞器的区分度）后，再组合起来。因为打印的难度不大，整体耗材少，所以可以打印出整班的数量。教师进行相关知识的讲解前，可以把打印好的模型分发给所有的学生。学生除了能在课堂上结合老师的讲解和课本的介绍，利用细胞的立体模型对植物细胞的知识进行深入了解外，课下还可以用模型做进一步的对照复习。通过拆卸细胞模型，可充分调动学生的视觉、触觉等感官，加深其对知识的理解。
在中学阶段，除了在课堂教学上使用结合3D打印的教学用具外，可以适度举行涉及3D打印的竞赛，竞赛可以采用外观设计、组合结构、教学用具创新等形式。考虑到中学生的3D设计能力并没有良好的基础，因此学校或比赛举办方可以提供相关的模型给学生参考。如在机器人DIY竞赛中，比赛举办方提供种类繁多的3D模型包，学生可以自行设计机器人的结构图，并从模型包中取出相应的3D模型并打印，最后根据结构图组装起来。
2.3 大学教学 在目前的大学教学中，3D打印技术使用比较广泛。涉及到实物的外观、结构、机械、电路等的课程，皆可使用3D打印技术。除了在高等数学、大学物理、机械原理与设计、材料力学等基础课或专业课程的教学中使用3D打印的教学模型外，也能在实验、课程设计中使用3D打印。
随着各专业学科的交叉与融合，以及3D打印技术的日益成熟，它与各相关学科的结合会越加紧密，其作为“桥梁”性质的实现方式会越来越重要。各高校的专业设置虽涉及到3D打印，但并没有开设3D打印技术的相关课程，因此学生建模水平不高，设计出的成品与实际需求相距甚远。
3D打印本科专业建设的核心是“创新、设计、建模”。由于3D打印的接口面广，因此专业课设置要在不同方向上有所侧重。要学习的课程分为公共基础课、专业基础课、专业课以及课程设计。公共基础课包括高等数学、大学英语、大学物理、工程制图、线性代数、机械原理及设计、电工电子技术等。鉴于目前缺少适用于大学教学的3D打印教材，在此仅提供基础专业课的教学课程有：3D打印导论、3D打印原理、常规3D打印机的结构及组装、3D打印基础设计、3D建模基础与提高（使用目前流行的3DMAX、MAYA、Rhino等软件进行学习与应用）等。
学生自行选择不同行业方向的专业课，如动漫、机械、建筑、汽车、首饰等。以首饰专业课为例，它涉及到首饰设计、加工工艺、创意设计以及结构美学等课程。在选择相应的方向后，应增加该行业的相关知识的课程，以提高学生的基础。公共基础课、专业基础课作为学习基础，专业课则作为所学知识的综合运用。课程由浅至深，逐层递进和深入，最终促使学生掌握创新、应用的技能。教师在教授专业课时应注重引导学生的创新思维能力、发散思维能力，在实验、课程设计上应设计弹性大的题目。
至此，可以通过表1总结出小、中、大学不同学习阶段学生特点、教学基础、教学目标和教学内容。教学实践中的问题与建议
3D打印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，它与教学的融合势在必行[7]。
目前，3D打印在教学实践中存在诸多问题或空白，拓宽教学实践的各环节将促使3D打印与教学实践进一步的融合与发展。以下提出相关的建议。
3.1 学校安装相关配套的3D打印机 目前大多数学校没有配备相关配套的3D打印机，而3D打印机是进行教学、研究的基础设备。如果教学条件允许，还可以配备相关的外围设备，如3D Camega、KinectDIY等专业3D扫描仪。此外政府可以出台相关的政策，为大中小学配备3D打印机及相关设备。据了解，我国政府计划将在两年内为全国四十万所小学安装3D打印机，用于学校的教学和研究。未来可能会在大、中学推行进一步的相关政策。
3.2 编撰规范化的教材 3D打印技术虽然不是一门新兴的技术，发展的时间也相应的比较长，但目前的教学中仍然缺少内容丰富、案例经典的教材作为教学的参考。因此可编写适合大中小学使用的3D打印技术的书籍作为教学的材料。但不强制要求各学校必须采用，学校也可以自行编写符合自身教学要求的教材。规范化教材编写的主要出发点是用于规范化的教学。
3.3 对教师进行培训 3D打印教师应该在技术和教学设计等层面进行学习和提高，做好领路人的角色。课程设计应该围绕“切合实际、拓展思维和激发想象力”的目的。在中小学教师的培训上，培训人员除了教授相应的3D打印原理、机械结构、耗材等知识外，应该将重点放在培训教师对学生的思维与想象力进行引导的方法和技巧上。培训大学和职校教师，应该使其“各习所长”，即在他们的专业方面，针对性地教授不同专业的结构、建模、耗材、支撑等方面的知识和经验，辅以典例为佳。
3.4 相关竞赛设计 在各类大中小学竞赛中，学生往往只能使用举办方所提供的配套组件进行组装和二次开发，这在很大的程度上阻碍和限制了学生想法的表达，不利于学生在实践中自由发挥和拓展。3D打印能很好地提供解决方案，学生可以根据自己的想法设计并打印出相应的模型，并组装在自己的参赛作品中。此外，为了使3D打印能更好地与教学、实践等融合，可以举行不同主题的比赛。竞技类型，如机器人足球、机器人篮球、机器人搏击比赛、竞速、花样飞行、抢夺比赛等；解决任务型，如智能辅助；开拓思维型，如组合联动结构。也可以举行开拓参赛团队思维的比赛，设计并打印出新颖、独特、具有创造性的机器人零部件、外壳、骨架等。鼓励比赛优秀的作品进行进一步的研发。这样的比赛除了能促进3D打印的技术更新和发展外，还能拓展学生对控制芯片的编程、机械结构、模拟电路的认识。
3.5 成立相关委员会 目前的3D打印并没有很好地纳入规范化的组织和管理中，成立相关的委员会是行之有效的方法。通过成立相关委员会，创立评选制度，可以支持大中小学的学生对感兴趣的方向进行创新。可以通过评选项目提供必要的资金，并配给相应的指导老师。再者，如果学生能够靠自身的能力切实改进了3D打印的技术，并有相应的展示方式，通过委员会的审核后，可报销其费用，并给予相应的奖励。
3.6 其他 授课老师引领学生发挥想象力，记录下他们对3D打印的想法（学习方法、技术的改进）等，将想法在大中小学校的网络共享平台上进行汇总，让不同的想法互相“碰撞”。也可以邀请相关方面的专家来校演讲，或是组织学生到政府、公司等开设的3D打印展区进行参观，使学生能接触到3D打印行业的新方向，了解3D打印的最新进展。总结
重视3D打印，就是要发挥一切积极的因素，使3D打印的课程和实践在学校教学中进行交叉与融合，不断循环发展。在3D打印教学的创新中，可以结合现在的在线教育、大数据等新技术，不断挖掘3D打印在课程教学的潜能和优势。在建设3D打印课程的体系中，需要多方协调和政策的支持，才能形成良好的教学和研究的氛围。
未来3D打印在教学、研究、设计、制造等方向的应用和实践将会进一步的深入和发展，它将以其独特的方式影响着人们生活的方方面面。
参考文献：
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