让3D打印技术走进未来教室

王玉清

当前，全球热炒3D打印技术，很多省市政府工作报告提到“大力发展移动互联网、云计算、物联网、3D打印等新技术和新产业”。2013年美国《新媒体联盟地平线报告》的基础教育版预言:“首先是云计算和移动学习，到了中期阶段是学习分析，在未来四到五年，3D打印、虚拟和远程实验室会获得广泛的技术应用。”今年4月24日，由商务部、科技部、国家知识产权局和上海市人民政府共同主办的第二届中国(上海)国际技术进出口交易会上设置了3D打印展区，为观众提供了最直接的体验。我们教育工作者要理性地看待这种技术，既要看到它所带来的发展机遇，也要正视教育面临的挑战。本文探讨在中小学校未来教室建设中，3D打印技术在培养学生创新精神和动手实践能力方面的作用和价值。

什么是3D打印技术

1.概念

3D打印技术，也称“叠加制造技术”，是以三维设计模型为基础，通过分层加工、叠加成形的方式加工材料制造三维物体的技术。它与普通打印机的工作原理基本相同，不同的是，打印机内装有液体或粉末等“打印材料”，它使用的“墨水”是实实在在的原材料。3D打印并不是新鲜的技术，这个思想起源于19世纪末的美国，并在20世纪80年代得以发展和推广。中国物联网校企联盟把它称作“上上个世纪的思想，上个世纪的技术，这个世纪的市场”。

2.过程原理

3D打印，每一层的打印过程分为两步，第一步在需要成型的区域喷洒一层特殊胶水，胶水液滴本身体积很小，且不易扩散。第二步是喷洒一层均匀的粉末，粉末遇到胶水会迅速固化黏结，而没有胶水的区域仍保持松散状态。这样在一层胶水一层粉末的交替下，实体模型将会被“打印”成型，打印完毕后只要扫除松散的粉末即可“刨”出模型，而剩余粉末还可循环利用。

3.特点

（1）维度转变。3D打印技术的出现，彻底颠覆了人们的2D打印思维，3D打印机已经变成了人们将梦想变为现实的“装备”。

（2）耗材转变。打印耗材由传统的墨水、纸张转变为胶水、粉末，这里的胶水和粉末都是经过处理的特殊材料，不仅对固化反应速度有要求，对于模型强度以及“打印”分辨率都有直接影响。

（3）精度高。即使模型表面有文字或图片也能够清晰打印。

3D打印技术的应用发展

1.3D打印技术已走进日常生活

目前，3D打印技术主要运用于传统制造业、医疗行业、文物保护行业、建筑设计行业和配件饰品行业。人们使用该技术打印出了灯罩、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。比如，美国麻省理工学院的博士生彼得·施密特打印出了能够滴答滴答走动的塑料钟表。美国科学家已经研发出了能打印皮肤、软骨、骨头和身体其他器官的三维“生物打印机”，利用特殊的高分子材料，还可以为器官移植患者量身打造所需器官。

2.3D打印技术将影响各行各业

以3D打印技术为代表的先进制造业、商用无人机、基因组测序和个性化医疗是当今的前沿技术。我国首家3D打印体验馆正式落户北京工业设计创意产业基地，真人雕像成为这里最抓人眼球的打印项目，来到店里的顾客只需经过十几分钟360度扫描照相和三四个小时的3D打印制作，就能够得到一个形象逼真、立体的人物塑像。上海盈创装饰集团有限公司董事长马义和的3D打印房，开创了3D打印技术应用于建筑行业的先河，它是全世界第一批通过3D打印技术建造的实体建筑。

3.3D打印技术将改变学生发展

目前，教育领域对3D打印机的使用率在上升。随着3D打印机价格的下降，以及出现更多的在学习上的应用，3D打印机将成为学生学习的辅助工具。对于学生而言，3D打印机能把他们幻想中的东西变成现实，可以利用技术创造出完全属于自己的东西，是一个非常强大的培养学生创造力和学习能力的工具。青岛二中现已引进3D打印设备，并开设3D打印课。

3D打印技术的优点

（1）不需要在工厂操作。桌面打印机可以打印出小物品，并且人们可以将其放在办公室一角、商店甚至房子里；而自行车车架、汽车方向盘甚至飞机零件等大件物品，则需要更大的打印机和更大的放置空间。

（2）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，从而缩短产品的研制周期，提高生产率和降低生产成本。IT行业尤其明显，苹果和佳能公司推出新款产品的速度极其快速，3D打印在设计新产品模型中起到的作用不可磨灭。

（3） 3D打印让制造业不再有污染。3D打印机制造出的产品外形能够根据应用或环境进行优化，还可以进一步开发其潜力，使用可回收利用的或环保的打印材料进行生产。

（4）3D打印颠覆传统教育方式。3D打印走进学校、走进课堂，打开了创作可操作教学模型的可能性，成为打开教与学的全新方法的大门。学生可以用它打印出自己设计的原型产品，可以用它方便地打印出自己设计的建筑实体模型，可以用它来复制有考古意义的物品，可以用它来制作3D版本的艺术品，可以用它来绘制真实的地势图和人口分布图、可以用它设计食物的产品造型、可以打印各种各样的实体汽车部件，可以把分子模型打印出来观察，可以打印出细胞、病毒、器官和其他重要的生物样本，可以将他们的“理论问题”打印出来并在他们自己的学习空间中寻找答案。我们知道，现在的中小学生知识学得很多，但是动手能力和创新能力较差。3D打印技术可以让学生获得感知体验，可以让学生将自己的创新设计变成实物，展示学校没有的标本和物体，提高中小学生的创新、设计和动手能力。英国教育部日前宣布小规模试验将3D打印技术应用到数学、物理、计算机科学、工程和设计等教学中。此外，一些国家开始将3D打印技术应用于对盲童的教育，将一部分平面的图形通过3D打印机打印成立体模型，使盲童用手触摸可以感受到事物原貌。

3D打印技术的不足

（1）材料性能差，强度、刚度、机械加工性能等都远不如传统加工方式。

（2）材料来源有局限，成本高。目前可供3D打印机使用的材料非常有限，主要是石膏、无机粉料、光敏树脂、塑料等。3D 打印成品非常“脆弱”，容易碎。

（3）精度问题。由于分层制造存在台阶效应，每个层次虽然很薄，但在一定微观尺度下，仍会形成具有一定厚度的一级级“台阶”，如果需要制造的对象表面是圆弧形，那么就会造成精度上的偏差。

（4）3D打印技术目前还并不十分成熟，产业应用不足，它还不具备“让制造业发生巨大变革”的能力，在工业级别的应用仍旧有限。在成本上也根本不是传统制造业的对手，单件商品的价格，跟流水线作业无法相提并论。

（5）目前来看，国内3D打印机的创新能力不强，打印技术仍需要不断创新。

（6）健康问题。在不通风的地方使用3D打印机，可能会导致健康问题。3D打印机首先是将塑料加热，然后通过喷嘴喷出，创造出设计模型。这个过程类似于工业生产，会释放出有毒物质，但一般的使用者不会使用防护设备。这些微粒在空中漂浮，容易被人吸入肺部，吸入过多可能会引发肺病、血液以及神经系统疾病，甚至会导致死亡。

3D打印技术走进未来教室的几点思考

新技术为我们教育工作者提供了难得的机遇，我们要把思想理念落实到实际行动中，开展前瞻性的理论与实践研究，让教育服务现实，服务未来。未来教室是一个集多媒体教室、计算机教室、微格教室、校园电视台等多种环境为一体的新形式教学环境，创设了数字化、虚拟现实与真实现实的学习环境，把师生充分地融合在一起，实现了动态的学习过程。通过互动系统，任何学生都可以向教师反映听课程度，教师有针对性地改变进度；教室流媒体全程录下课程，学生可以在课后通过终端复习，无法到课堂的学生甚至可以在另外的空间同步上课；系统内的物联网则控制着教室内一切物品，随时根据需要进行移动、调整。笔者认为，3D打印技术走进未来教室，必须坚持以学生发展为中心、以改革创新为动力和以实验教学为抓手。

1.以学生发展为中心

《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010-2020年)》指出：“以学生为主体，充分发挥学生的主动性，把促进学生成长作为学校一切工作的出发点和落脚点。”《北京市中长期教育改革和发展规划纲要(2010-2020年)》指出：“形成有利于学生积极主动、自由全面、生动活泼成长的环境，学生的创新精神和实践能力显著提高，拔尖创新人才培养取得突破。”北京市教委《关于加强中小学实验教学和实验室建设工作的意见》重点从实验室仪器存放管理、账目管理、教学流程管理等8个方面提出规范性要求，强调要培养学生创新精神和实践能力，促进学生终身发展，进一步规范实验室人、财、物的管理，提高仪器设备的使用效益，促进实验教学的开展。

作为教育工作者，我们应该冷静地看待3D打印技术，正视它的优点和不足，发挥其积极作用。在中小学校未来教室建设中，将3D打印技术应用于创新教育，为教学提供思想、智慧与科技相融合的最佳路径，要以学生发展为中心，努力发挥3D打印技术在培养学生创新精神和动手实践能力方面的积极作用。

2.以改革创新为动力

“创新是一个民族的灵魂，是一个国家兴旺发达的不竭动力。” 21世纪中国之所以能够如此迅猛发展，创新在其中扮演了重要的角色。2013年12月14日，嫦娥三号探测器成功落月，中国成为世界上第三个有能力独立自主实施月球软着陆的国家，开启了中国首次“落月梦”。嫦娥三号在月球上开展了一系列科学实验，包括利用月基光学望远镜进行天文观测、利用极紫外相机对地球等离子体层进行观测、利用测月雷达对巡视路线上的月壳浅层结构厚度等进行剖面式观测等。培养学生的创新意识和能力是时代的要求，也是实施素质教育的根本任务。在2013年两会上，全国政协委员、中航工业副总工程师、中国航母舰载机歼-15总设计师孙聪强调，歼-15项目率先采用了数字化协同设计理念，而这与3D打印技术关系紧密，钛合金和M100钢的3D打印技术已应用于新机试制过程，主要是主承力部分。3D打印给了人们一个想象的空间，给了一种可能性，可以有效地提高学生的改革创新能力。

3.以实验教学为抓手

“为什么我们的学校总是培养不出杰出人才？”

这就是震耳发聩的“钱学森之问”。这是关于中国教育事业改革与发展的一道艰深命题，需要整个教育界乃至社会各界共同破解。笔者认为，随着素质教育的不断推进，实验教学愈加重要，如何通过实验教学改进学生的学习方式，培养学生的创新能力，是我们教育工作者必须深入探讨的课题。

要树立重视实验教学意识，继续落实北京市教委《关于加强中小学实验教学和实验室建设工作的意见》，制订实施的具体办法，坚持以“用”为导向，发挥实验室的最大使用效益，提高中小学实验室建设与管理的整体水平，有效推动实验教学开展，着力培养学生动手能力和创新精神，加强对3D打印等新技术、新产品的研究，开展新型教学仪器设备教学适应性评估，努力实现人与物的融合、匹配，让学生动起来，让物动起来。扎实推进实验教学管理互动模块的试用，监控学校中物理、化学、生物和小学科学课程实验教学活动的开展情况，评估仪器、设施的使用效益，实现有效的动态管理。

要加强实验教学研究。实验教学的价值不应仅仅在于使学生学会使用一些仪器，掌握一些实验仪器的操作技能，或是用来验证已学过的知识，更重要的是使学生学会和掌握实验的方法。教师要深入研究演示实验及学生实验的设计思想和实验方法，把更多的验证性实验改造成探索性实验，让学生真正去操作和体验。目前，我们正在筹划成立市级实验教学教研室，拟建立专家工作室、名师工作室，建立教育技术装备工作实践基地，建立企业合作研究平台。

实现中国梦，教育任重道远。当前，基础教育正处在改革发展的关键时期。实验教学工作是落实国家课程方案，推进教学改革，提高教育教学质量的基本要求，是实施素质教育，培养学生创新精神和实践能力，促进学生终身发展，培养创新型人才的重要途径。我们将继续坚持以学生发展为本，以实验教学为主要内容和重要载体，让3D打印等新技术走进教室、走进课堂，推进教育装备和教育教学的全面深度融合，为增强学生社会责任感、创新精神和实践能力服务，发挥教育技术装备在教育发展中的引领促进作用，为以教育装备现代化促进教育现代化的发展贡献力量。