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期刊简介: 《中国教育技术装备》原(教育仪器设备)创刊于1987年,是由中国教学仪器设备行业协会主办的中国教育技术装备领域的专业权威期刊。历时30年,勤耕不辍,不懈努力,致力于服务教育改革,构建交流平台,推动理论研究,传承实践理性,促进行业发展和进步。本刊介绍和研究国内外教育技术与装备建设之理论与实务,交流教育技术与装备在教育教学过程中整和互动的实践经验,引...>>更多

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3D打印教育装备在中小学教育应用的现状和问题分析
信息来源:《中国教育技术装备》杂志社官网 发表时间: 2019/10/7 阅读数:583

3D打印教育装备在中小学教育应用的现状和问题分析

摘要:当前,3D打印技术在中小学的应用呈快速发展趋势,已经逐渐成为教育装备现代化建设的新增长点和驱动课程创新的新亮点。但是,教育理念、课程资源、师资保障、课时安排、装备配备等方面的问题影响了3D打印技术在中小学教育教学中的应用水平。推动3D打印技术的教育教学应用必须以问题为导向,从理念引领、政策引导、师资保障、标准研发等方面展开。

关健词3D打印教育装备教育应用

DOI10.13492/j.cnki.cmee.2018.22.004

近年来,3D打印教育装备在教育中的应用得到普遍的推广,其教育价值也逐渐凸显,成为培养学生创新意识、创新思维和创新能力的重要载体。从其本身所具有的特点来说,3D打印教育装备具有“所想即所得”的天然优势,能够将学生的创意变成看得见、摸得着的作品,使学生在实践过程中获得成就感、喜悦感,从而激发学生的学习兴趣及内在驱动力。3D打印技术能够实现数学、材料学、物理学、信息技术、艺术设计等多学科的有机融合,是开展STEAM教育或创客教育的有效手段[1]。同时,3D打印技术在工业、建筑、军事、医学等领域均有广泛应用,因此,通过3D打印教育装备可以引导学生由简单的创新设计向更广阔的领域延伸。

2015年,李克强总理在国务院举办的“先进制造与3D打印”专题讲座中强调指出,“增材”的发展理念很可能会对我国的发展方式产生颠覆性影响。为了应对经济社会发展对创新人才和3D打印技术的需要,近年来各级教育部门逐步开始研究和开展基于3D打印技术的教育教学实践活动。2017年,教育部先后发布了《综合实践活动指导纲要》《普通高中课程方案(2017)》等文件,明确提出要在中小学开设3D打印技术有关的课程,建设3D打印创新实验室[23]。与此同时,不仅部分学校积极开展3D打印创新教育,3D打印也受到了一些校外培训机构的推崇。

为了深入和全面了解3D打印教育装备在中小学的应用情况,如普及程度、与教育教学结合的具体形态、教学应用方式和应用效果等,教育部教育装备研究与发展中心于2017年对沈阳、武汉、成都、深圳、江门、广州、南京7地的近30所中小学进行了“3D打印教育装备在教育教学中的应用”专项调研。本文以调研为基础,对3D打印教育装备在中小学的应用情况及存在的问题进行了分析,并提出了提升3D打印教育装备应用效果的一些思路和建议。

13D打印教育装备应用现状

随着3D打印技术的进步和成熟,其在各级学校教育教学活动中的应用呈现快速发展趋势。调研发现,大中城市绝大多数中小学校都配备有3D打印机,大部分是和创客实验室结合在一起的,有少部分单独建设3D打印创新(创客)实验室。南京市、广州市是较早开启3D打印教育的地区。2017年,南京市各区已有近200所学校开设了3D打印相关的课程。学校类别覆盖公办示范性普通高中、普通中小学以及外来务工子弟较多的民办学校截至目前,武汉市江汉区全区有50%以上的学校配置了3D打印实验室。广州市、深圳市也有部分学校建设了3D打印实验室,但是调研的其他地方基本是以零星配备为主,不能构成班级授课的条件,省会城市以外的学校甚至出现配备3D打印教育装备而大部分闲置的情况。各地教育局反映,建设3D打印实验室、开展普惠式教育是他们的强烈愿望,也是广大学生的愿望,不少学校都在未来2~3年内有购置3D打印设备的计划。

3D打印教育装备的教学应用方式来看,有全班开课、兴趣小组、竞赛小组等多种方式。其中,建设3D打印实验室的学校具备了班级授课的条件,因此班级授课是应用的基本形式。利用3D打印设备组织兴趣小组或社团活动是最主要的教学应用方式。以广州某中学为例,学校的3D打印(创客)实验室对学生开放的时间是每天下午5点以后。而更多的情况是,在学校创客实验室中配备了少量的3D打印设备,供少数对创客有兴趣的学生在创作过程中使用。可以看出,目前3D打印教育还是一种相对精英化和小众化的教育,很多想学习的学生得不到机会,尚未达到普惠的程度。

在建设有3D打印实验室的学校中,各地通过积极探索也取得一些宝贵的经验。教育装备应用在各学段有不同的表现形式。在小学阶段作为辅助学科教学的工具,侧重于科普体验。具体来说,3D打印技术通过与语文、数学、科学、美术等国家课程相融合,帮助小学生更直观形象地理解学科知识,达成学科教学目标。如在语文教师讲授《赵州桥》一文时,可以用3D打印技术制作赵州桥模型,从而为语文教学提供教具在数学课上,教师可以指导学生利用3D打印技术制作不同几何形状的立体模型,帮助学生建立空间概念在劳动技术课上,孩子们可自行设计并用3D打印机制作饼干模具,从而做出具有独特创意的饼干等。学生在这些与学科融合的活动中,体验掌握3D打印的基本技能,帮助理解学科概念。在中学阶段,3D打印重点是围绕3D打印技术核心开展数字思维、建模能力、作品创作的培养和训练以提高学生的技术思维和技术思想,学生通过学习使用3D打印设备及相关建模软件,提高了动手能力,同时,加强了对新型科技产品的认知,促进了创新能力的提升有的学校专门成立3D打印社团,讲解和使用3D打印技术有的学校将3D打印技术与学校特色活动、创客活动、科技活动等进行整合,如在校本课程航模研究上,学生利用3D打印技术设计和制作航模发动机篆刻社团在计算机上设计并用3D打印机直接打印出图章玩转机器人社团用3D打印机制作机器零件等。江门市蓬江区怡福中学的一名初三学生利用3D打印机设计制作了自动监测水位的报警装置,在全国科技创新大赛中获奖。

从学校实践来看,3D打印教育装备在教学中之所以能够蓬勃发展,最重要的原因是3D打印体现出的现代性、综合性、实践性和创新性的教育价值,这和以往强调知识教育的装备不同,传统教育装备主要用以支撑演示、验证和科学探究,在以信息化和智能化为特征的新时代,科技发展日新月异,需要培养学生的创新精神,才能适应未来的社会发展。3D打印作品的开放性有利于培养学生的发散思维和批判思维,3D打印作品的易得性有利于激发学生的创新热情,是创新教育的重要载体,是知识教育的必要补充。同时,3D打印教育装备的经济性为开展普惠式教育提供了重要的前提。3D打印同教育教学的结合形态非常多样化,可以和学校的各项教学活动如学科教学、校本课程、实践活动、科技竞赛等有机融合,这也是其生命力所在。调研中教师们也表示,如果3D打印脱离了校内的课程,其应用范围就会大大受限。

23D打印教育装备在应用中存在的问题

虽然很多中小学购买了3D打印设备,建设了3D打印实验室,但是不少学校还存在“用不了”“用不好”的现象,特别是一些教育欠发达地区的学校,由于3D实验室建好后利用率很低,逐步沦为形象工程[4]。总结起来,可分为以下六方面。

2.1教育理念相对落后

在调研中发现,尽管多数教师对3D打印教育装备进入学校持积极态度,但对如何利用3D打印培养学生创新精神和实践能力缺乏理解,不能在学生发展核心素养背景下深刻认识3D打印课程特有的技术素养、创意素养和数字素养内涵,不能充分理解以3D打印教育装备为代表的现代教育装备可以同学校的课程建设、教育教学深度融合,成为促进和引领课程改革的重要因素,仅仅把3D打印当作一种简单的技术手段[5]

2.2课程指导和教材资源不够完善

目前,3D打印在中小学教育教学中的应用缺少课程标准指导,也缺少针对不同学段科学设计的教材,教师在开展教学时只能依靠国外不成体系的资料或者使用3D打印设备生产厂商提供的教学用书进行使用,导致各地中小学呈现的教学方式五花八门,课程形态多种多样,教学效果良萎不齐。

2.3课时安排较为紧张

目前,各级学校开设的3D打印课程一般是作为综合实践活动的组成部分,按照《综合实践活动指导纲要》要求,小学1~2年级平均每周不少于1课时小学3~6年级和初中平均每周不少于2课时。但是,由于综合实践活动内容非常丰富,很难保证3D打印相关的课程有足够的学时。由于课时受限,在很多学校里3D打印只限于社团活动,成了少数学生的奢侈课程,这与优质教学资源普惠理念背道而驰。

2.4师资力量有所欠缺

3D打印作为一门新兴科学技术,融合了信息、机械、物理、材料等跨学科知识内容,存在一定的技术专业门槛。由于我国教师教育长期以来实行单科专业化培养与培训,因此,当3D打印等现代教育装备技术进入教学中时,教师普遍感觉到知识和能力结构不能满足教学需要。特别是3D打印技术与学科的融合非常紧密,这就要求不仅信息技术等专业教师要承担起教学任务,各学科教师也要掌握3D打印技术。目前,3D打印有关的培训多是设备生产商提供的技术培训,真正能够提升专业技术教师和学科骨干教师专业水平的教研培训很少。

2.5 3D打印装备配置标准缺失

开展3D打印教育教学的基础是建设3D打印实验室,并配备3D打印有关的教育装备。而3D打印作为新兴科技之一,目前还缺乏统一科学的实验室建设和装备配备标准,使得学校在规划和建设时没有参考依据,实验室建设标准各异。且由于3D打印在教育教学中应用还处于起步和探索阶段,具备教学实践经验的教师相对不足,难以判断设备的优劣和教学适用性。

2.6经费保障不足

尽管3D打印设备在价格上已经具有优势,但是在很多地区,全面建设仍然有一定的困难,学校在申请时难度较大、周期较长。而且建设费用往往不包含耗材、培训,致使建设之后不能很好发挥作用。在调研中发现,受经费的限制,有的学校在3D打印课上只能“选择性打印”,大多数孩子的设计和创意不能实现。

3、总结和展望

尽管3D打印教育在推进过程中面临师资、课时、教材、场地、资金等各种困难,但是各地都表现了深入推进的积极热情,率先探索3D打印创新教育的学校和师生普遍认可3D打印在提高教学效率、丰富教学手段、满足个性化学习、培养创新能力等方面的教育价值和意义,并将加大投入推动3D打印创新教育的全面普及。因此,应该抓住“十三五”期间大力加强教育装备现代化建设的战略机遇,树立装备课程化、课程活动化的新理念,按照理念引领、课程引导、装备支撑、师资保障、实验先行的原则,探索可推广。可复制的普惠式的3D打印教育应用模式,逐步建立和完善3D打印“产学研用”一体化生态圈。各地教育局和学校建议推动3D打印课程化,必须由教育部装备主管部门组织专家队伍开发课程资源,解决教材和评价等共性问题,必须紧紧依靠教育专家、技术专家、一线教师深入研究,厘清课程理念、精心设计内容和探索教学模式,并做好3D打印实验室配置标准、教师培训方案、设备维护更新、耗材补充机制等一系列措施,整体协调推进,从而提升3D打印技术在教育教学中的应用水平[46]

参考文献

[1]刘莲花,张涛,戴艳红.3D打印技术在S TEAM教育中的应用探讨[J].长沙航空职业技术学院学报,2016,16(3)24-26.

[2]教育部.教育部关于印发《中小学综合实践活动课程指导纲要》的通知(教材(2017) 4)[Z].2017-09-25.

[3]教育部.教育部关于印发《普通高中课程方案和语文等学科课程标准(2017年版)》的通知(教材〔20177)[Z].2017-12-29.

[4]史一棋,邱志伟.教育装备现代化课堂变得如此前卫[N].人民日报,2017-07-03(12).

[5]曹志祥.“育”见未来课程改革中的教育装备现代化[J].基础教育课程,2017(21)10-15.

[6]黄蔚,刘俊波.装备改变教育创新引领未[N].中国教育报,2017-08-12(03).

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