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讓3D打印技術走進未來教室 王玉清 當前，全球熱炒3D打印技術，很多省市政府工作報告提到“大力發(fā)展移動互聯網、云計算、物聯網、3D打印等新技術和新產業(yè)”。xx年美國新媒體聯盟地平線報告的基礎教育版預言:“首先是云計算和移動學習，到了中期階段是學習分析，在未來四到五年，3D打印、虛擬和遠程實驗室會獲得廣泛的技術應用?！苯衲?月24日，由商務部、科技部、國家知識產權局和上海市人民政府共同主辦的第二屆中國(上海)國際技術進出口交易會上設置了3D打印展區(qū)，為觀眾提供了最直接的體驗。我們教育工作者要理性地看待這種技術，既要看到它所帶來的發(fā)展機遇，也要正視教育面臨的挑戰(zhàn)。本文探討在中小學校未來教室建設中，3D打印技術在培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神和動手實踐能力方面的作用和價值。 什么是3D打印技術 1.概念 3D打印技術，也稱“疊加制造技術”，是以三維設計模型為基礎，通過分層加工、疊加成形的方式加工材料制造三維物體的技術。它與普通打印機的工作原理基本相同，不同的是，打印機內裝有液體或粉末等“打印材料”，它使用的“墨水”是實實在在的原材料。3D打印并不是新鮮的技術，這個思想起源于19世紀末的美國，并在20世紀80年代得以發(fā)展和推廣。中國物聯網校企聯盟把它稱作“上上個世紀的思想，上個世紀的技術，這個世紀的市場”。 2.過程原理 3D打印，每一層的打印過程分為兩步，第一步在需要成型的區(qū)域噴灑一層特殊膠水，膠水液滴本身體積很小，且不易擴散。第二步是噴灑一層均勻的粉末，粉末遇到膠水會迅速固化黏結，而沒有膠水的區(qū)域仍保持松散狀態(tài)。這樣在一層膠水一層粉末的交替下，實體模型將會被“打印”成型，打印完畢后只要掃除松散的粉末即可“刨”出模型，而剩余粉末還可循環(huán)利用。 3.特點 （1）維度轉變。3D打印技術的出現，徹底顛覆了人們的2D打印思維，3D打印機已經變成了人們將夢想變?yōu)楝F實的“裝備”。 （2）耗材轉變。打印耗材由傳統的墨水、紙張轉變?yōu)槟z水、粉末，這里的膠水和粉末都是經過處理的特殊材料，不僅對固化反應速度有要求，對于模型強度以及“打印”分辨率都有直接影響。 （3）精度高。即使模型表面有文字或圖片也能夠清晰打印。 3D打印技術的應用發(fā)展 1.3D打印技術已走進日常生活 目前，3D打印技術主要運用于傳統制造業(yè)、醫(yī)療行業(yè)、文物保護行業(yè)、建筑設計行業(yè)和配件飾品行業(yè)。人們使用該技術打印出了燈罩、身體器官、珠寶、根據球員腳型定制的足球靴、賽車零件、固態(tài)電池以及為個人定制的手機、小提琴等。比如，美國麻省理工學院的博士生彼得施密特打印出了能夠滴答滴答走動的塑料鐘表。美國科學家已經研發(fā)出了能打印皮膚、軟骨、骨頭和身體其他器官的三維“生物打印機”，利用特殊的高分子材料，還可以為器官移植患者量身打造所需器官。 2.3D打印技術將影響各行各業(yè) 以3D打印技術為代表的先進制造業(yè)、商用無人機、基因組測序和個性化醫(yī)療是當今的前沿技術。我國首家3D打印體驗館正式落戶北京工業(yè)設計創(chuàng)意產業(yè)基地，真人雕像成為這里最抓人眼球的打印項目，來到店里的顧客只需經過十幾分鐘360度掃描照相和三四個小時的3D打印制作，就能夠得到一個形象逼真、立體的人物塑像。上海盈創(chuàng)裝飾集團有限公司董事長馬義和的3D打印房，開創(chuàng)了3D打印技術應用于建筑行業(yè)的先河，它是全世界第一批通過3D打印技術建造的實體建筑。 3.3D打印技術將改變學生發(fā)展 目前，教育領域對3D打印機的使用率在上升。隨著3D打印機價格的下降，以及出現更多的在學習上的應用，3D打印機將成為學生學習的輔助工具。對于學生而言，3D打印機能把他們幻想中的東西變成現實，可以利用技術創(chuàng)造出完全屬于自己的東西，是一個非常強大的培養(yǎng)學生創(chuàng)造力和學習能力的工具。青島二中現已引進3D打印設備，并開設3D打印課。 3D打印技術的優(yōu)點 （1）不需要在工廠操作。桌面打印機可以打印出小物品，并且人們可以將其放在辦公室一角、商店甚至房子里；而自行車車架、汽車方向盤甚至飛機零件等大件物品，則需要更大的打印機和更大的放置空間。 （2）無需機械加工或任何模具，就能直接從計算機圖形數據中生成任何形狀的零件，從而縮短產品的研制周期，提高生產率和降低生產成本。IT行業(yè)尤其明顯，蘋果和佳能公司推出新款產品的速度極其快速，3D打印在設計新產品模型中起到的作用不可磨滅。 （3）3D打印讓制造業(yè)不再有污染。3D打印機制造出的產品外形能夠根據應用或環(huán)境進行優(yōu)化，還可以進一步開發(fā)其潛力，使用可回收利用的或環(huán)保的打印材料進行生產。 （4）3D打印顛覆傳統教育方式。3D打印走進學校、走進課堂，打開了創(chuàng)作可操作教學模型的可能性，成為打開教與學的全新方法的大門。學生可以用它打印出自己設計的原型產品，可以用它方便地打印出自己設計的建筑實體模型，可以用它來復制有考古意義的物品，可以用它來制作3D版本的藝術品，可以用它來繪制真實的地勢圖和人口分布圖、可以用它設計食物的產品造型、可以打印各種各樣的實體汽車部件，可以把分子模型打印出來觀察，可以打印出細胞、病毒、器官和其他重要的生物樣本，可以將他們的“理論問題”打印出來并在他們自己的學習空間中尋找答案。我們知道，現在的中小學生知識學得很多，但是動手能力和創(chuàng)新能力較差。3D打印技術可以讓學生獲得感知體驗，可以讓學生將自己的創(chuàng)新設計變成實物，展示學校沒有的標本和物體，提高中小學生的創(chuàng)新、設計和動手能力。英國教育部日前宣布小規(guī)模試驗將3D打印技術應用到數學、物理、計算機科學、工程和設計等教學中。此外，一些國家開始將3D打印技術應用于對盲童的教育，將一部分平面的圖形通過3D打印機打印成立體模型，使盲童用手觸摸可以感受到事物原貌。 3D打印技術的不足 （1）材料性能差，強度、剛度、機械加工性能等都遠不如傳統加工方式。 （2）材料有局限，成本高。目前可供3D打印機使用的材料非常有限，主要是石膏、無機粉料、光敏樹脂、塑料等。3D打印成品非?！按嗳酢保菀姿?。 （3）精度問題。由于分層制造存在臺階效應，每個層次雖然很薄，但在一定微觀尺度下，仍會形成具有一定厚度的一級級“臺階”，如果需要制造的對象表面是圓弧形，那么就會造成精度上的偏差。 （4）3D打印技術目前還并不十分成熟，產業(yè)應用不足，它還不具備“讓制造業(yè)發(fā)生巨大變革”的能力，在工業(yè)級別的應用仍舊有限。在成本上也根本不是傳統制造業(yè)的對手，單件商品的價格，跟流水線作業(yè)無法相提并論。 （5）目前來看，國內3D打印機的創(chuàng)新能力不強，打印技術仍需要不斷創(chuàng)新。 （6）健康問題。在不通風的地方使用3D打印機，可能會導致健康問題。3D打印機首先是將塑料加熱，然后通過噴嘴噴出，創(chuàng)造出設計模型。這個過程類似于工業(yè)生產，會釋放出有毒物質，但一般的使用者不會使用防護設備。這些微粒在空中漂浮，容易被人吸入肺部，吸入過多可能會引發(fā)肺病、血液以及神經系統疾病，甚至會導致死亡。 3D打印技術走進未來教室的幾點思考 新技術為我們教育工作者提供了難得的機遇，我們要把思想理念落實到實際行動中，開展前瞻性的理論與實踐研究，讓教育服務現實，服務未來。未來教室是一個集多媒體教室、計算機教室、微格教室、校園電視臺等多種環(huán)境為一體的新形式教學環(huán)境，創(chuàng)設了數字化、虛擬現實與真實現實的學習環(huán)境，把師生充分地融合在一起，實現了動態(tài)的學習過程。通過互動系統，任何學生都可以向教師反映聽課程度，教師有針對性地改變進度；教室流媒體全程錄下課程，學生可以在課后通過終端復習，無法到課堂的學生甚至可以在另外的空間同步上課；系統內的物聯網則控制著教室內一切物品，隨時根據需要進行移動、調整。筆者認為，3D打印技術走進未來教室，必須堅持以學生發(fā)展為中心、以改革創(chuàng)新為動力和以實驗教學為抓手。 1.以學生發(fā)展為中心 國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(xx-2020年)指出：“以學生為主體，充分發(fā)揮學生的主動性，把促進學生成長作為學校一切工作的出發(fā)點和落腳點。”北京市中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(xx-2020年)指出：“形成有利于學生積極主動、自由全面、生動活潑成長的環(huán)境，學生的創(chuàng)新精神和實踐能力顯著提高，拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)取得突破。”北京市教委關于加強中小學實驗教學和實驗室建設工作的意見重點從實驗室儀器存放管理、賬目管理、教學流程管理等8個方面提出規(guī)范性要求，強調要培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神和實踐能力，促進學生終身發(fā)展，進一步規(guī)范實驗室人、財、物的管理，提高儀器設備的使用效益，促進實驗教學的開展。 作為教育工作者，我們應該冷靜地看待3D打印技術，正視它的優(yōu)點和不足，發(fā)揮其積極作用。在中小學校未來教室建設中，將3D打印技術應用于創(chuàng)新教育，為教學提供思想、智慧與科技相融合的最佳路徑，要以學生發(fā)展為中心，努力發(fā)揮3D打印技術在培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神和動手實踐能力方面的積極作用。 2.以改革創(chuàng)新為動力 “創(chuàng)新是一個民族的靈魂，是一個國家興旺發(fā)達的不竭動力。”21世紀中國之所以能夠如此迅猛發(fā)展，創(chuàng)新在其中扮演了重要的角色。xx年12月14日，嫦娥三號探測器成功落月，中國成為世界上第三個有能力獨立自主實施月球軟著陸的國家，開啟了中國首次“落月夢”。嫦娥三號在月球上開展了一系列科學實驗，包括利用月基光學望遠鏡進行天文觀測、利用極紫外相機對地球等離子體層進行觀測、利用測月雷達對巡視路線上的月殼淺層結構厚度等進行剖面式觀測等。培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和能力是時代的要求，也是實施素質教育的根本任務。在xx年兩會上，全國政協委員、中航工業(yè)副總工程師、中國航母艦載機殲-15總設計師孫聰強調，殲-15項目率先采用了數字化協同設計理念，而這與3D打印技術關系緊密，鈦合金和M100鋼的3D打印技術已應用于新機試制過程，主要是主承力部分。3D打印給了人們一個想象的空間，給了一種可能性，可以有效地提高學生的改革創(chuàng)新能力。 3.以實驗教學為抓手 “為什么我們的學校總是培養(yǎng)不出杰出人才？” 這就是震耳發(fā)聵的“錢學森之問”。這是關于中國教育事業(yè)改革與發(fā)展的一道艱深命題，需要整個教育界乃至社會各界共同破解。筆者認為，隨著素質教育的不斷推進，實驗教學愈加重要，如何通過實驗教學改進學生的學習方式，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力，是我們教育工作者必須深入探討的課題。 要樹立重視實驗教學意識，繼續(xù)落實北京市教委關于加強中小學實驗教學和實驗室建設工作的意見，制訂實施的具體辦法，堅持以“用”為導向，發(fā)揮實驗室的最大使用效益，提高中小學實驗室建設與管理的整體水平，有效推動實驗教學開展，著力培養(yǎng)學生動手能力和創(chuàng)新精神，加強對3D打印等新技術、新產品的研究，開展新型教學儀器設備教學適應性評估，努力實現人與物的融合、匹配，讓學生動起來，讓物動起來。扎實推進實驗教學管理互動模塊的試用，監(jiān)控學校中物理、化學、生物和小學科學課程實驗教學活動的開展情況，評估儀器、設施的使用效益，實現有效的動態(tài)管理。 要加強實驗教學研究。實驗教學的價值不應僅僅在于使學生學會使用一些儀器，掌握一些實驗儀器的操作技能，或是用來驗證已學過的知識，更重要的是使學生學會和掌握實驗的方法。教師要深入研究演示實驗及學生實驗的設計思想和實驗方法，把更多的驗證性實驗改造成探索性實驗，讓學生真正去操作和體驗。目前，我們正在籌劃成立市級實驗教學教研室，擬建立專家工作室、名師工作室，建立教育技術裝備工作實踐基地，建立企業(yè)合作研究平臺。 實現中國夢，教育任重道遠。當前，基礎教育正處在改革發(fā)展的關鍵時期。實驗教學工作是落實國家課程方案，推進教學改革，提高教育教學質量的基本要求，是實施素質教育，培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神和實踐能力，促進學生終身發(fā)展，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的重要途徑。