本文由《現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育研究》雜志授權(quán)發(fā)布
作者：孫江山、吳永和、任友群
摘要近些年來興起的開源系統(tǒng)和創(chuàng)客運(yùn)動(dòng)，引發(fā)了制造技術(shù)的革命。在第三次工業(yè)革命新浪潮影響下，3D打印等數(shù)字桌面制造工具成為全球各領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)。作為一種快速成型技術(shù)，3D打印是蘊(yùn)含“設(shè)計(jì)思維”的個(gè)性化創(chuàng)造工具，可以塑造可重用的多態(tài)教育對(duì)象，打造虛實(shí)結(jié)合的教育應(yīng)用服務(wù)創(chuàng)新平臺(tái)，促進(jìn)基于創(chuàng)造的學(xué)習(xí)。當(dāng)前有代表性的3D打印教育創(chuàng)新應(yīng)用項(xiàng)目，主要集中在創(chuàng)客空間、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室和STEAM課程中。3D打印教育創(chuàng)新應(yīng)用體系應(yīng)不斷優(yōu)化3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)，完善3D打印教育服務(wù)支持體系，在創(chuàng)新理論不斷演進(jìn)與更新中，豐富基于創(chuàng)造的學(xué)習(xí)樣態(tài)，拓展基于創(chuàng)造的學(xué)習(xí)存在形式，使3D打印從象牙塔里的高科技發(fā)展，成為融入學(xué)校、家庭和社會(huì)教育常態(tài)的具有革命性影響的技術(shù)，成為技術(shù)支持教育應(yīng)用創(chuàng)新不可或缺的元素。
關(guān)鍵詞：3D打印；創(chuàng)客空間；創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室；STEAM；教育創(chuàng)新
一、引言
近些年來興起的開源系統(tǒng)和創(chuàng)客運(yùn)動(dòng)，引發(fā)了制造技術(shù)的革命，并演變成為第三次工業(yè)革命的主要形式，3D打印等數(shù)字桌面制造工具、開源軟硬件和互聯(lián)網(wǎng)是其重要的構(gòu)成元素。《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》、《福布斯》、《紐約時(shí)報(bào)》、《連線》等主流媒體先后從工業(yè)、商業(yè)、信息產(chǎn)業(yè)等多方面強(qiáng)調(diào)了3D打印的重要性（Wired，2010-2014；Vance，2011；The Economist，2012；Hart，2012）。2012年初，美國政府規(guī)劃未來四年內(nèi)在1000所學(xué)校引入“創(chuàng)客空間”，配備3D打印機(jī)和激光切割機(jī)等數(shù)字制造工具，通過實(shí)踐培養(yǎng)新一代的設(shè)計(jì)師和生產(chǎn)創(chuàng)新者（Dougherty，2012）。2015年，我國第一次將“創(chuàng)客”寫入政府工作報(bào)告，確定支持發(fā)展“眾創(chuàng)空間”，為創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新搭建平臺(tái)。致力于預(yù)測(cè)影響全球教育領(lǐng)域的教學(xué)、學(xué)習(xí)和創(chuàng)造性探究新興技術(shù)的新媒體聯(lián)盟地平線報(bào)告，更是連續(xù)兩年在基礎(chǔ)教育、高等教育和圖書館教育的三個(gè)版本中，將教育應(yīng)用中主流技術(shù)的重要進(jìn)展聚焦到3D打印上（L·約翰遜等，2014）。文獻(xiàn)分析表明，在醫(yī)學(xué)、機(jī)械工程、建筑、材料、電子工程以及教學(xué)科研等領(lǐng)域，基于3D打印的學(xué)術(shù)性研究與日俱增。
二、3D打印教育創(chuàng)新分析
1.3D打印教育特性
3D打印是一種以三維數(shù)字形式立體構(gòu)造物理對(duì)象的一種快速成型技術(shù)（Rapid Prototyping，RP）（王娟等，2015），原理是先將實(shí)體模型分為若干薄層，每次打印材料生成一個(gè)薄層，通過塑料或粉末狀金屬等可粘合材料，層層疊加生成物體，這已成為當(dāng)前增材制造（Additive Manufacturing，AM）技術(shù)的主要存在形態(tài)。
理論上，任何3D數(shù)字模型都可以實(shí)現(xiàn)3D打印成型，最常用于概念模型評(píng)估、迭代設(shè)計(jì)、工程評(píng)價(jià)、定制、模型展示及工具和成品制造?；?D打印顯著特征和多樣化創(chuàng)新應(yīng)用，3D打印教育特性體現(xiàn)為：
?。?）塑造可重用的多態(tài)教育對(duì)象
3D打印作為3D數(shù)字制造技術(shù)，體現(xiàn)出的最大特征是精準(zhǔn)、全息地快速成型。結(jié)合數(shù)字掃描，3D打印能快速精準(zhǔn)地打印出自然物體和人造物體的可重用制品。由真實(shí)的生活經(jīng)驗(yàn)、技術(shù)以及工具整合形成的創(chuàng)意，不僅可以設(shè)計(jì)藍(lán)圖呈現(xiàn)，更可以通過3D打印塑造為多態(tài)教育對(duì)象。珍貴的標(biāo)本、化石和歷史文物等作為教具和學(xué)具受購置、安全和維護(hù)成本制約，3D打印重塑可重用的教育制品，可以保證在信息不失真的條件下，傳播珍貴歷史人文遺產(chǎn)。
?。?）蘊(yùn)含“設(shè)計(jì)思維”的個(gè)性化創(chuàng)造工具
3D打印將個(gè)性化定制關(guān)鍵的影響因素如技能、成本、時(shí)間都降低到最低點(diǎn)，不需要增加額外的成本，不需要掌握專業(yè)的工藝，就可以打印出復(fù)雜、多樣化的構(gòu)造體；不僅實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的零部件成型，更能將所有裝配部件作為整體一次性打印成型。在差異化教育模式探索中，3D打印能使不同教育層次的個(gè)人以專業(yè)水平實(shí)現(xiàn)從想象到產(chǎn)品的個(gè)性化創(chuàng)造，滿足學(xué)習(xí)者對(duì)個(gè)性化創(chuàng)意設(shè)計(jì)進(jìn)階的不同需求。這樣，3D打印最大限度地促成了學(xué)習(xí)者從教育消費(fèi)者到創(chuàng)造者的轉(zhuǎn)變。
?。?）打造虛實(shí)結(jié)合的教育創(chuàng)新應(yīng)用平臺(tái)
緊湊、便攜的3D打印作為改變時(shí)空限制的制造技術(shù)，拓展了制造即服務(wù)的新模式?；诰W(wǎng)絡(luò)的3D打印服務(wù)支持協(xié)同制造，作為一種新型數(shù)字技術(shù)，教育工作者和學(xué)習(xí)者能夠在3D打印制造平臺(tái)上開展課堂或自主研發(fā)項(xiàng)目。中小學(xué)的科學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室、大學(xué)的學(xué)術(shù)性創(chuàng)客空間以及博物館的制造空間，都是圍繞培育和激勵(lì)這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新而開展的主要形式。
2.3D打印促進(jìn)基于創(chuàng)造的學(xué)習(xí)
3D打印的三個(gè)教育特性促進(jìn)基于創(chuàng)造的學(xué)習(xí)。創(chuàng)造是人的本性，創(chuàng)造是認(rèn)知、社會(huì)和情感活動(dòng)的重要組成部分，具體體現(xiàn)是新穎的獨(dú)創(chuàng)性想法或行動(dòng)，是和理解、運(yùn)用社會(huì)文化背景知識(shí)產(chǎn)生出某種新穎和有價(jià)值產(chǎn)品的創(chuàng)造性思維及活動(dòng)緊密相連的。在人類進(jìn)化過程中，心智和動(dòng)手能力是實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造的兩個(gè)關(guān)鍵要素，其養(yǎng)成是持續(xù)終生的過程。
?。?）有創(chuàng)造的“做”中學(xué)
杜威的“做中學(xué)”（或“從做中學(xué)”）（Learning by Doing）影響教育理論與實(shí)踐已有百年，踐行的基本教育原則是“以學(xué)生活動(dòng)來架構(gòu)課程，以直接經(jīng)驗(yàn)的獲得為核心旨趣，在情境化的教學(xué)場(chǎng)域中，通過學(xué)生的各種‘做’——觀察、實(shí)驗(yàn)、探究、勞作、游戲等來組織實(shí)施教學(xué)（屠錦紅等，2014）。”基于3D打印的各種“做”中學(xué)活動(dòng)，通過3D打印塑造的多態(tài)教育對(duì)象能夠?qū)Ω鞣N學(xué)習(xí)策略提供有效的支撐。比如技術(shù)與工程教育中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和機(jī)械設(shè)計(jì)，使用3D打印技術(shù)個(gè)性化打造實(shí)物模型，如機(jī)器人和航模零部件、建筑結(jié)構(gòu)以及類生物組織如骨骼，讓學(xué)生的想象轉(zhuǎn)換成作品，抽象工程術(shù)語轉(zhuǎn)化為可視化的三維模型繪制，學(xué)習(xí)者自然而然完成了創(chuàng)造者的蛻變。
?。?）完整的基于創(chuàng)造的人性化學(xué)習(xí)
代表了當(dāng)今教育改革新思路與發(fā)展趨勢(shì)的“21世紀(jì)技能”，旨在培養(yǎng)學(xué)習(xí)者未來必需的技能（學(xué)習(xí)與創(chuàng)新技能，信息、媒介和技術(shù)技能，生活與職業(yè)技能）。我國新課程改革綱要提出的設(shè)置“綜合實(shí)踐活動(dòng)課程”（信息技術(shù)教育、研究性學(xué)習(xí)、社區(qū)服務(wù)與社會(huì)實(shí)踐活動(dòng)以及勞動(dòng)與技術(shù)教育），倡導(dǎo)“自主、合作、探究”的多元學(xué)習(xí)方式，注重聯(lián)系學(xué)習(xí)者日常社會(huì)生活經(jīng)驗(yàn)，在科學(xué)和藝術(shù)人文知識(shí)的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)上，加強(qiáng)社會(huì)責(zé)任、創(chuàng)新精神和動(dòng)手實(shí)踐能力的培養(yǎng)。賦含“設(shè)計(jì)思維”的3D打印教育創(chuàng)新平臺(tái)開辟的是基于創(chuàng)造的個(gè)性化學(xué)習(xí)空間，從提出探究問題開始，到構(gòu)建新穎的獨(dú)創(chuàng)性想法和構(gòu)思，最后制造出某種有社會(huì)價(jià)值的創(chuàng)意產(chǎn)品。這是一個(gè)“學(xué)”與“做”的循環(huán)迭代過程，實(shí)現(xiàn)真正完整的基于創(chuàng)造的人性化學(xué)習(xí)體驗(yàn)與實(shí)踐。
三、3D打印教育創(chuàng)新應(yīng)用
筆者通過相關(guān)文獻(xiàn)的分析和國內(nèi)外相關(guān)網(wǎng)站的檢索，包括閱讀報(bào)刊文摘、報(bào)告、論文以及其他材料，再結(jié)合各類項(xiàng)目開展的實(shí)際狀況，重點(diǎn)系統(tǒng)梳理了當(dāng)前有代表性的3D打印教育創(chuàng)新應(yīng)用項(xiàng)目。筆者對(duì)所屬教育類型、用途和存在形式進(jìn)行分析，并根據(jù)存在形式將3D打印教育創(chuàng)新應(yīng)用項(xiàng)目劃分為創(chuàng)客空間、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室、STEAM課程三類，提供典型案例加以具體闡述，旨在為3D打印教育應(yīng)用創(chuàng)新的實(shí)踐探索提供借鑒。
1.創(chuàng)客空間
創(chuàng)客空間（Makerspace）是配備創(chuàng)客所需設(shè)備和資源的開放的工作場(chǎng)所。在創(chuàng)客空間里，可以依托互聯(lián)網(wǎng)支持協(xié)同創(chuàng)新，利用3D打印機(jī)等桌面制造設(shè)備與工具完成個(gè)人產(chǎn)品的DIY制作。對(duì)于想方設(shè)法把自身各種創(chuàng)意轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)際產(chǎn)品的創(chuàng)客來說，3D打印資源的可重用性是實(shí)現(xiàn)快速創(chuàng)新應(yīng)用的保障。在針對(duì)美國圖書館的調(diào)查顯示，3D打印主要出現(xiàn)在公共圖書館和學(xué)校圖書館，公共圖書館給不同能力、層面的社會(huì)大眾傳授3D打印使用方法，并指導(dǎo)相關(guān)的設(shè)計(jì)與制造，高校圖書館將3D打印用于支持師生開展日常教學(xué)與科研活動(dòng)。如實(shí)現(xiàn)大眾歷史文化傳播的史密斯學(xué)會(huì)的Smithsonian X 3D項(xiàng)目，用于機(jī)械工程教育的特拉華大學(xué)機(jī)械工程系的Design Studio項(xiàng)目，哈佛大學(xué)和伊利諾伊大學(xué)厄巴納-尚佩恩分校開展協(xié)同創(chuàng)新的微電池項(xiàng)目，探索器官制造的澳大利亞臥龍崗大學(xué)生物繪圖儀項(xiàng)目，開創(chuàng)科學(xué)儀器制造新途徑的密歇根理工大學(xué)的開放可持續(xù)發(fā)展技術(shù)研究小組的開源、可3D打印光學(xué)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目。還有值得一提的是，麻省理工學(xué)院的比特與原子中心，開展跨學(xué)科的數(shù)字制造技術(shù)研究與實(shí)驗(yàn)，研究實(shí)現(xiàn)比特?cái)?shù)據(jù)與原子物體的相互轉(zhuǎn)化，并推行制造實(shí)驗(yàn)室（FabLabs），配備3D打印機(jī)等桌面制造設(shè)備以及編程工具，方便學(xué)習(xí)者利用這些技術(shù)進(jìn)行科學(xué)探究，該項(xiàng)目已經(jīng)擴(kuò)展到包括中國在內(nèi)的世界各地。創(chuàng)客運(yùn)動(dòng)開啟了基于創(chuàng)造的學(xué)習(xí)的創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式新探索，不同社會(huì)文化背景的個(gè)體在創(chuàng)客空間里，可以創(chuàng)造性地思考，借助于可重用的3D打印資源，最終實(shí)現(xiàn)自己?jiǎn)栴}解決的方案和構(gòu)想。這不僅包括非正式學(xué)習(xí)環(huán)境中培養(yǎng)藝術(shù)人文等方面的終身教育，也涵蓋正式學(xué)習(xí)環(huán)境下的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)與STEAM教育。
2.創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室
通過提高3D打印機(jī)等數(shù)字工具與資源為學(xué)習(xí)者提供適宜的學(xué)習(xí)環(huán)境和學(xué)習(xí)資源，許多面向正式學(xué)習(xí)環(huán)境的教育創(chuàng)新應(yīng)用也應(yīng)運(yùn)而生，如HodLipson發(fā)起探索科技創(chuàng)新的Fab@Home項(xiàng)目和PauloBlikstein創(chuàng)設(shè)的科學(xué)探究與工程教育項(xiàng)目FabLab@School。Fab@Home的學(xué)校項(xiàng)目Fab@School由美國國家科學(xué)基金會(huì)（National Science Foundation）、摩托羅拉（Motorola Inc.）和麥克阿瑟基金會(huì)（MacArthur Foundation）資助，該項(xiàng)目旨在探索如何將3D打印融合到小學(xué)課程中。該課程計(jì)劃創(chuàng)設(shè)一個(gè)任務(wù)驅(qū)動(dòng)的學(xué)習(xí)情境，在解決實(shí)際問題過程中結(jié)合3D打印技術(shù)，增強(qiáng)對(duì)數(shù)學(xué)和科學(xué)抽象概念的理解和應(yīng)用，體驗(yàn)和掌握工程和設(shè)計(jì)的核心概念和準(zhǔn)則，促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新能力和動(dòng)手能力。弗吉尼亞大學(xué)的Glen Bull和他的專家團(tuán)隊(duì)為該項(xiàng)目創(chuàng)立了稱為“邊做邊學(xué)”的課程計(jì)劃（胡迪·利普森等，2013）。該課程計(jì)劃講述了一個(gè)生活在非洲村落的小男孩，借助一本有關(guān)能源的書，反復(fù)嘗試和修改，最后找到了制作自己風(fēng)力發(fā)電機(jī)的最佳設(shè)計(jì)方案。學(xué)生跟隨故事情節(jié)，利用清晰圖解信息，使用軟件設(shè)計(jì)風(fēng)車葉片和齒輪等零部件，然后3D打印和測(cè)試他們自己的風(fēng)力發(fā)電機(jī)。學(xué)生通過一系列動(dòng)手實(shí)驗(yàn)了解動(dòng)能、電流和傳動(dòng)比等抽象的科學(xué)和工程概念。不同于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室關(guān)注可預(yù)測(cè)的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，這些創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的學(xué)習(xí)情境基于的主要是有關(guān)科學(xué)和設(shè)計(jì)的開放式問題，遵循學(xué)習(xí)者的差異化學(xué)習(xí)過程，利用3D打印等技術(shù)強(qiáng)化協(xié)作和創(chuàng)造性地解決問題。此類創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目核心部分包括：指導(dǎo)教師使用具有本地特色和全球化的課程計(jì)劃，并注重與學(xué)校課程的融合；一系列可讓學(xué)習(xí)者從事尖端科學(xué)研究和工程項(xiàng)目的活動(dòng)設(shè)計(jì)；一套適合科學(xué)的實(shí)驗(yàn)裝備（除去3D打印和掃描等數(shù)字化制造設(shè)備外，還配備易用的建模與仿真軟件以及各類傳感器）。
3.STEAM教育
近幾年，一些國家和組織探索3D打印應(yīng)用于STEM課程，以推動(dòng)技術(shù)驅(qū)動(dòng)的教學(xué)創(chuàng)新，使得技術(shù)與工程教育和藝術(shù)人文教育融合成為學(xué)校文化的一部分，這被稱為STEAM教育。英國教育機(jī)構(gòu)在2012-2013年策劃的一個(gè)探索科學(xué)與工程教育及教師教育的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目證實(shí)，3D打印作為一種課程教學(xué)資源，對(duì)學(xué)生的參與和學(xué)習(xí)有積極的影響（Department for Education，2013）。美國斯特塔西有限公司在職業(yè)教育領(lǐng)域推廣技術(shù)與工程教育的3D Printing Curriculum是典型的STEAM學(xué)習(xí)資源包。STEAMtrax是由3D打印機(jī)制造商3D系統(tǒng)公司（3D Systems Inc.）設(shè)計(jì)的面向中小學(xué)的一種科技創(chuàng)新課程，將3D打印技術(shù)和工程設(shè)計(jì)整合到科學(xué)、數(shù)學(xué)、人文藝術(shù)的核心理論知識(shí)實(shí)踐體驗(yàn)中，在相關(guān)的學(xué)習(xí)情境里，培養(yǎng)問題解決、協(xié)作、溝通和批判性思維的基本技能。STEAMtrax課程模式是基于問題探究的教學(xué)模式，通過主題式故事情境設(shè)計(jì)，借助3D設(shè)計(jì)和打印技術(shù)增強(qiáng)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)工具包（Hands-on Science Kits），提供自主探究和動(dòng)手實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)，建構(gòu)核心科學(xué)理論知識(shí)和應(yīng)用技能。這種主題式課程設(shè)計(jì)能靈活地配合開展形成性評(píng)價(jià)和總結(jié)性評(píng)價(jià)，包括工程教育指標(biāo)的評(píng)估。
The City X Project創(chuàng)設(shè)了創(chuàng)新工作坊（the City X Workshop）開展體驗(yàn)學(xué)習(xí)。該項(xiàng)目在建設(shè)外星球X城市情境中，學(xué)習(xí)者扮演不同的虛擬市民角色，與專業(yè)人士一起通過集體智慧，解決相關(guān)的健康、安全、通信、交通運(yùn)輸?shù)纫幌盗芯哂写硇缘恼鎸?shí)社會(huì)問題，最終提出可3D打印的創(chuàng)意設(shè)計(jì)。為把設(shè)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，創(chuàng)新工作坊采納的是蘊(yùn)含“設(shè)計(jì)思維”的工程設(shè)計(jì)模式，如下表所示，課程分為三個(gè)單元，每個(gè)單元2小時(shí)。The City X Project提供免費(fèi)的在線工具包，包括教學(xué)指導(dǎo)手冊(cè)、學(xué)習(xí)者訓(xùn)練手冊(cè)和3D打印講義等。通過創(chuàng)新工作坊的學(xué)習(xí)，掌握3D技術(shù)和STEM（科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)）技能，實(shí)現(xiàn)問題解決能力、創(chuàng)造力、批判性思維等素質(zhì)培養(yǎng)教育。
四、3D打印教育創(chuàng)新應(yīng)用體系
3D打印技術(shù)已跨入技術(shù)成熟期，為包括教育在內(nèi)的社會(huì)各領(lǐng)域廣泛接納和掌握，3D打印教育創(chuàng)新應(yīng)用研究面對(duì)的是構(gòu)建新一代信息技術(shù)融合的基于創(chuàng)造的學(xué)習(xí)環(huán)境，進(jìn)行理論、技術(shù)與應(yīng)用的協(xié)同推進(jìn)，使得3D打印從象牙塔里的高科技發(fā)展成為融入學(xué)校、家庭和社會(huì)教育常態(tài)的具有革命性影響的技術(shù)，成為技術(shù)支持的教育應(yīng)用創(chuàng)新不可或缺的元素。這包括不斷優(yōu)化3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)，完善3D打印教育服務(wù)支持體系，在3D打印教育創(chuàng)新理論不斷演進(jìn)與更新中，豐富基于創(chuàng)造的學(xué)習(xí)樣態(tài)，拓展基于創(chuàng)造的學(xué)習(xí)存在形式。如在電子書包平臺(tái)中，融入“3D打印技術(shù)”和“STEAM教育”，使學(xué)習(xí)者獲得基于創(chuàng)造的個(gè)性化學(xué)習(xí)服務(wù)與學(xué)習(xí)體驗(yàn)，從而培養(yǎng)具有較高設(shè)計(jì)思維和創(chuàng)新思維等思維品質(zhì)的21世紀(jì)人才。本文據(jù)此以層次結(jié)構(gòu)提出了3D打印教育創(chuàng)新應(yīng)用體系，如圖1所示。
1.技術(shù)實(shí)現(xiàn)
用戶終端包含輸入和輸出兩種，承載著學(xué)習(xí)者接入和訪問3D打印制造平臺(tái)的有效交互實(shí)現(xiàn)。終端設(shè)備包括PC、平板電腦、智能手機(jī)以及穿戴式計(jì)算設(shè)備等。終端設(shè)備除傳統(tǒng)交互式顯示外，拓展3D顯示設(shè)備如3D投影儀、顯示頭盔（HMD）、護(hù)目鏡（Goggles）和體三維顯示器（Volumetric 3D Display）等，以構(gòu)建人、設(shè)備與產(chǎn)品實(shí)時(shí)聯(lián)通，實(shí)現(xiàn)虛擬信息和現(xiàn)實(shí)世界的融合呈現(xiàn)。在3D打印制造平臺(tái)中，為體現(xiàn)工業(yè)4.0個(gè)性化和數(shù)字化智能制造模式，會(huì)使用一系列特定的設(shè)備，包括3D打印機(jī)、3D掃描儀和激光切割機(jī)等來支持靈活的基于創(chuàng)造的學(xué)習(xí)。
2.服務(wù)支持
用戶終端配置有CAD/CAM轉(zhuǎn)換軟件，將輸入的CAD文件（STL文件）轉(zhuǎn)換為3D打印機(jī)能識(shí)別的CAM文件（G-code文件），自動(dòng)完成產(chǎn)品打印。3D打印機(jī)接入互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成3D打印網(wǎng)絡(luò)，發(fā)揮互聯(lián)網(wǎng)群體智慧支持學(xué)習(xí)者的交流學(xué)習(xí)與創(chuàng)意分享。3D打印應(yīng)用服務(wù)關(guān)鍵構(gòu)成是能將學(xué)習(xí)者的創(chuàng)意轉(zhuǎn)換為3D模型的3D設(shè)計(jì)，包括提供3D模型創(chuàng)建工具箱、設(shè)計(jì)庫和模型裝配。此外，通過3D瀏覽器檢索支持多用戶終端訪問與評(píng)價(jià)，通過3D打印服務(wù)提供商（如Shapeways和Ponoko）提供網(wǎng)絡(luò)化3D打印設(shè)施和原材料服務(wù)，解決個(gè)性化定制帶來的打印材料和打印尺寸的限制。
3.理論蘊(yùn)涵
DIY（Doing by Youself）、創(chuàng)客教育和做中學(xué)作為3D打印教育創(chuàng)新理論基礎(chǔ)，一方面指導(dǎo)3D打印教育創(chuàng)新，另一方面在3D打印教育應(yīng)用實(shí)踐中不斷豐富和完善其理論基礎(chǔ)。DIY與3D打印強(qiáng)調(diào)的“Doing by Making”交相呼應(yīng)，通過自己動(dòng)手體驗(yàn)，發(fā)揮學(xué)習(xí)者的創(chuàng)造力。作為新一代信息技術(shù)支持下的培養(yǎng)21世紀(jì)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)創(chuàng)新者的創(chuàng)客教育，著重強(qiáng)調(diào)的就是要為學(xué)習(xí)者基于創(chuàng)造的學(xué)習(xí)體驗(yàn)與實(shí)踐提供適宜的學(xué)習(xí)環(huán)境和學(xué)習(xí)資源，特別是3D打印機(jī)等成本效益和易用性高的數(shù)字工具與資源。杜威的“做中學(xué)”理論在富技術(shù)環(huán)境下的支撐3D打印教育的“做”中學(xué)中與時(shí)俱進(jìn)，得以完善發(fā)展。
4.學(xué)習(xí)樣態(tài)
教育傳播和技術(shù)研究者基于3D打印啟動(dòng)了一系列的實(shí)踐研究，創(chuàng)造性地開展了面向科學(xué)素養(yǎng)、技術(shù)與工程教育素養(yǎng)和人文藝術(shù)素養(yǎng)的教育創(chuàng)新應(yīng)用探究（葉兆寧，2013；Bull et al.，2014）。對(duì)比科學(xué)家、工程師和設(shè)計(jì)師創(chuàng)造性的工作過程，基于創(chuàng)造的學(xué)習(xí)過程包括實(shí)證調(diào)查要解決的問題，建構(gòu)解決方案，以及科學(xué)和工程研究必需的分析與評(píng)價(jià)，這些活動(dòng)形成的是一個(gè)循環(huán)迭代過程。在這些活動(dòng)中要嘗試使用最合適的技術(shù)來解決復(fù)雜的問題，提高基于創(chuàng)造的學(xué)習(xí)素養(yǎng)，使得教育工作者和學(xué)習(xí)者可以像專業(yè)人士一樣思考和創(chuàng)造，更有效地開展科學(xué)和藝術(shù)人文學(xué)科“親自動(dòng)手”的體驗(yàn)學(xué)習(xí)?；趧?chuàng)造的學(xué)習(xí)過程框架如圖2所示，“技術(shù)與社會(huì)”涉及技術(shù)對(duì)社會(huì)和自然世界的影響以及由此產(chǎn)生的倫理問題；“設(shè)計(jì)與系統(tǒng)”涵蓋系統(tǒng)地使用技術(shù)知識(shí)、工具和技能來解決問題的工程設(shè)計(jì)過程，以及維護(hù)和故障排除等日常技術(shù)處理的基本原則；“信息和通信技術(shù)”包括支持各種溝通方式的現(xiàn)代技術(shù)，用于訪問、創(chuàng)建和傳播信息以及促進(jìn)創(chuàng)造性解釋。
3D打印教育創(chuàng)新應(yīng)用，不僅是技術(shù)工具的運(yùn)用，也是創(chuàng)新學(xué)習(xí)模式的有意義探索。根據(jù)面向教育類型的不同，基于創(chuàng)造的學(xué)習(xí)模式可分為面向基礎(chǔ)教育的科藝創(chuàng)新、面向高等教育的教研創(chuàng)新和面向職業(yè)教育的工學(xué)結(jié)合。依托開放式的創(chuàng)造空間，不僅可以面向正規(guī)學(xué)習(xí)，也可涵蓋需求導(dǎo)向的非正規(guī)學(xué)習(xí)，從而推動(dòng)人類社會(huì)的科技進(jìn)步與深度學(xué)習(xí)融合，使整個(gè)社會(huì)成為基于創(chuàng)造的學(xué)習(xí)空間。
5.存在形式
目前3D打印教育應(yīng)用主要為創(chuàng)客空間、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室和STEAM，隨著3D打印在教育領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，針對(duì)不同學(xué)習(xí)情境，比如學(xué)校、企業(yè)等不同學(xué)習(xí)場(chǎng)所，或者教師、學(xué)生等不同學(xué)習(xí)對(duì)象，3D打印支持的基于創(chuàng)造的學(xué)習(xí)研究與實(shí)踐將不斷深入，進(jìn)而開拓出更多、更具創(chuàng)新的存在形式。
五、3D打印教育創(chuàng)新發(fā)展趨勢(shì)與建議
3D打印正逐漸融入我們的生活、工作和學(xué)習(xí)中，并將成為開拓基于創(chuàng)造的創(chuàng)新教育必要組成部分，在其漸進(jìn)發(fā)展的過程中呈現(xiàn)以下發(fā)展態(tài)勢(shì)：
1.新技術(shù)、新材料和新工藝的發(fā)展有力推進(jìn)3D打印教育創(chuàng)新
隨著3D打印技術(shù)日趨成熟和普及，3D打印將會(huì)不斷地深化和拓展其應(yīng)用領(lǐng)域，如建筑、電子儀器、醫(yī)學(xué)、食品、生物乃至太空制造。這離不開滿足各種制造需求的新技術(shù)和新型材料。FDM、SLA和SLS技術(shù)專利開放和工藝創(chuàng)新，與之配套的打印材料也在不斷豐富和發(fā)展，如光敏樹脂、尼龍、金屬粉末、陶瓷、玻璃、蛋糕糖霜和石灰混凝土等。Carbon3D最近公布了成為CLIP（Continuous Liquid Interface Production）的新打印技術(shù)，相比以往的逐層堆疊打印方式，速度提高了25~100倍，并且打印的幾何形體更是前所未有。從教育應(yīng)用創(chuàng)新角度來看，新技術(shù)、新材料和新工藝一方面提升了3D打印效率，滿足了3D打印需求，另一方面拓展了3D打印教育科研應(yīng)用范圍，構(gòu)建起基于STEAM教育的學(xué)習(xí)情境，提升基于創(chuàng)造的學(xué)習(xí)環(huán)境，使得動(dòng)手創(chuàng)意更為便利。
2.3D打印服務(wù)支持體系的漸進(jìn)完善
第三次工業(yè)革命所帶來的生產(chǎn)方式在很多方面是顛覆性的，隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變化，產(chǎn)業(yè)鏈趨于扁平化，逐漸聚焦到用戶終端創(chuàng)意設(shè)計(jì)與制造，從根本上影響了“工學(xué)結(jié)合”人才培養(yǎng)模式的核心特征（唐智彬等，2013）。3D打印服務(wù)平臺(tái)可以支持各類基于創(chuàng)造的學(xué)習(xí)空間，通過提供相關(guān)課程、研討會(huì)和工作坊，將創(chuàng)造和設(shè)計(jì)融入教與學(xué)的實(shí)踐活動(dòng)中，滿足個(gè)性化的長(zhǎng)尾教育應(yīng)用需求，為未來從事受工業(yè)4.0影響即將發(fā)生變革的職業(yè)做好準(zhǔn)備，或成為創(chuàng)業(yè)先鋒。
3.跨學(xué)科整合，拓展學(xué)習(xí)新樣態(tài)的形成
多年以來，教育技術(shù)和教學(xué)設(shè)計(jì)領(lǐng)域研究者一直研究設(shè)計(jì)思維和創(chuàng)新思維等高級(jí)思維品質(zhì)如何教與學(xué)的問題（Elizabeth Boling等，2012）。在基于創(chuàng)造的學(xué)習(xí)中，需要跨學(xué)科整合學(xué)習(xí)團(tuán)隊(duì)，以創(chuàng)新協(xié)作推動(dòng)學(xué)習(xí)的發(fā)生。團(tuán)隊(duì)成員可以是來自學(xué)校和業(yè)界的各個(gè)領(lǐng)域，以特色主題項(xiàng)目形式解決一些實(shí)際的社會(huì)問題。一方面加強(qiáng)新型技術(shù)對(duì)深度學(xué)習(xí)的技術(shù)支撐，一方面從設(shè)計(jì)、開發(fā)、運(yùn)行、評(píng)估等層面變革教學(xué)理念，實(shí)現(xiàn)向跨學(xué)科的多元學(xué)習(xí)策略轉(zhuǎn)變。密歇根理工大學(xué)的基于3D打印和開源技術(shù)打造光學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目表明，3D打印能夠使科學(xué)實(shí)驗(yàn)室的成本減少97%，效率和能力大幅度提高（Zhang et al.，2013）。
4.3D打印支持的基于創(chuàng)造的學(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)計(jì)
相比于其他技術(shù)支持的教育（如在線教育），目前3D打印教育應(yīng)用服務(wù)支持體系還處于成長(zhǎng)期，缺乏能充分體現(xiàn)3D打印獨(dú)特性的學(xué)習(xí)資源，如基于3D打印的STEAM課程及學(xué)習(xí)資源包。我國3D教育的一大發(fā)展趨勢(shì)是將其作為基于創(chuàng)造的學(xué)習(xí)平臺(tái)融入電子書包構(gòu)筑數(shù)字化教育生態(tài)新環(huán)境（吳永和等，2013），使3D打印教育應(yīng)用服務(wù)更實(shí)用、更加普適和社會(huì)化，成為技術(shù)支持的教育創(chuàng)新應(yīng)用不可或缺的元素。
5.豐富發(fā)展3D打印教育相關(guān)理論
3D打印在探索深化“做中學(xué)”、體驗(yàn)學(xué)習(xí)和基于創(chuàng)造的學(xué)習(xí)等理論的實(shí)踐過程中，不僅提供了逼真生動(dòng)的可重用學(xué)習(xí)資源，也支持創(chuàng)新教育模式的有益嘗試。在虛實(shí)結(jié)合的3D打印教育創(chuàng)新應(yīng)用平臺(tái)中，學(xué)習(xí)體驗(yàn)從原子的真實(shí)世界延伸至比特的虛擬世界，依托互聯(lián)網(wǎng)支持協(xié)同創(chuàng)新，整合開放式學(xué)習(xí)空間系統(tǒng)，提供收集和存儲(chǔ)學(xué)習(xí)者足跡和基于創(chuàng)造學(xué)習(xí)記錄的功能，通過學(xué)習(xí)分析，為學(xué)習(xí)者提供個(gè)性化學(xué)習(xí)服務(wù)，了解學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)心理的影響，為教學(xué)改革和特色課程設(shè)計(jì)提供支持。
3D打印為全新的學(xué)習(xí)體驗(yàn)提供了新資源、新工具、新環(huán)境、新平臺(tái)?；趧?chuàng)造的學(xué)習(xí)視角，著重可以從生態(tài)發(fā)展、融合驅(qū)動(dòng)和產(chǎn)業(yè)推進(jìn)三個(gè)方面促進(jìn)3D打印教育創(chuàng)新應(yīng)用。
第一，推進(jìn)3D打印教育的生態(tài)發(fā)展。根據(jù)3D打印行業(yè)權(quán)威的2014沃勒斯報(bào)告預(yù)測(cè)，3D打印發(fā)展趨勢(shì)將分化為桌面3D打印和工業(yè)3D打印。3D打印要在不同場(chǎng)所和情境下（如家庭環(huán)境、學(xué)校環(huán)境、社會(huì)環(huán)境以及之間的連接中）發(fā)揮作用，有效地應(yīng)用于基礎(chǔ)教育、高等教育、職業(yè)教育、成人教育以及終身教育，構(gòu)建一個(gè)基于3D打印技術(shù)應(yīng)用的教育生態(tài)系統(tǒng)。
第二，促進(jìn)3D打印教育的融合驅(qū)動(dòng)。3D打印支持的基于創(chuàng)造的學(xué)習(xí)體驗(yàn)是虛實(shí)結(jié)合的，通過與科藝創(chuàng)新、科研創(chuàng)新和工學(xué)結(jié)合進(jìn)行有效集成創(chuàng)新，如將3D打印應(yīng)用于STEAM課程中，創(chuàng)建新的跨學(xué)科學(xué)習(xí)環(huán)境；同時(shí)，開發(fā)3D新資源，研發(fā)3D新工具，構(gòu)建3D應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)，有效融入人文藝術(shù)等學(xué)科教學(xué)之中。
第三，加速3D打印教育的產(chǎn)業(yè)發(fā)展。《國家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》所提到的“充分利用優(yōu)質(zhì)資源和先進(jìn)技術(shù)，創(chuàng)新運(yùn)行機(jī)制和管理模式，實(shí)現(xiàn)技術(shù)對(duì)教育的革命性影響”，離不開產(chǎn)學(xué)研一體化協(xié)作。制定打印技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與應(yīng)用規(guī)范，按照市場(chǎng)規(guī)范引入核心技術(shù)，采用第三方服務(wù)方式，為學(xué)習(xí)提供符合個(gè)性化需求的3D新資源、新工具和新平臺(tái)等可持續(xù)的優(yōu)質(zhì)服務(wù)，并逐步實(shí)現(xiàn)教育創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)。
隨著3D打印從象牙塔里的高科技發(fā)展成為融入學(xué)校、家庭和社會(huì)教育常態(tài)的具有革命性影響的技術(shù)，我們期盼通過3D打印技術(shù)與STEAM教育等新教育模式的融合，面對(duì)第三次工業(yè)革命的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，連通學(xué)習(xí)和創(chuàng)新，開啟教育新理論和新實(shí)踐，探尋創(chuàng)新、創(chuàng)造和創(chuàng)業(yè)的新途徑。這或許將成為智慧教育時(shí)代推動(dòng)教育變革的重要利器，進(jìn)而有效促進(jìn)教育創(chuàng)新和變革。
基金項(xiàng)目：2011年度上海市浦江人才計(jì)劃項(xiàng)目“基于教育大數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)分析教育應(yīng)用創(chuàng)新研究”（14PJC034）。
作者簡(jiǎn)介：孫江山，博士研究生，講師；吳永和（通訊作者），博士，副研究員，華東師范大學(xué)教育學(xué)部教育信息技術(shù)學(xué)系；任友群，博士，教授，博士生導(dǎo)師，華東師范大學(xué)課程與教學(xué)研究所（上海200062）。
轉(zhuǎn)載自：《現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育研究》2015年4期／總136期
排版、插圖來自公眾號(hào)：MOOC（微信號(hào)：openonline）
