一、引言
2014年11月末, 3D打印技术被《时代》周刊评选为2014年年度最佳发明, 该技术举世瞩目并将对社会多个行业和领域带来深刻影响。2015年8月21日, 李克强总理主持国务院专题讲座, 讨论加快发展先进制造与3D打印技术等问题。从国际到国内, 3D打印技术无疑已经成为了焦点。3D打印技术是一种新型的快速成型技术, 其原理是先将实体模型分为若干薄层, 每次打印材料生成一个薄层, 通过塑料或粉末状金属等可粘合材料, 层层叠加生成物体[1]。
3D打印技术为许多行业带来了变革, 其在教育领域也备受研究者的关注。新媒体联盟 (NewMedia Consortium, NMC) 在2013年地平线报告中提出, 3D打印是未来四到五年值得关注的新技术, 将带来教学、学习和研究领域的创新[2]。2017年9月, 教育部印发了《中小学综合实践活动课程指导纲要》, 其中“3D设计与打印技术的初步应用”作为推荐主题, 亮相劳动技术课课程大纲。在《普通高中课程方案和语文等学科课程标准 (2017年版) 》中, 3D打印被纳入《普通高中通用技术课程标准》和《普通高中信息技术课程标准》两大文件中。教育部连发两个红头文件, 支持3D打印技术进入课堂, 这无疑为3D打印技术教育应用事业带来了巨大的政策红利。
二、3D打印技术及其教育应用
3D打印技术出现在20世纪90年代中期, 时至今日, 该技术已经历过了30余年的发展, 最近十年3D打印技术发展更是进入快车道, 对各行各业都产生了影响, 在教育领域是研究热点。在中国知网文献检索系统中输入关键词“3D打印”和“教育”, 经过筛选, 3D打印教育领域应用的文献数量为259篇。其中, 中小学教育领域共计79篇, 高等教育领域172篇, 而学前教育领域则只有8篇。
通过文献分析, 学者们研究的方向可以概括为两个方面, 分别为3D打印技术与课程融合以及STEAM教育模式研究。具体到教育的各个阶段, 主要有以下三个方面:在中小学领域, 学者们研究的重点或是如何将3D打印技术与中小学某一门门课程深度融合, 如物理、数学和生物等, 或是将3D打印技术与多门课程进行整合并设计综合类课程;在高等教育领域, 学者侧重点在3D打印技术对专业发展的支持, 如医学类专业和工业设计等专业的课程建设, 此外, 还有3D打印技术对大学生创新创造能力培养的支持等;而在学前教育领域, 学者的重点往往是幼儿玩具和教学的设计与制作。
通过对3D打印教育领域应用的相关文献进行分析可以得知, 3D打印技术在学前教育领域应用的研究成果非常有限, 研究的关注度不够, 研究的方向也较为单一。需要注意的是, 在这个开放包容并且注重个性的时代, 儿童天赋的培养已经引起了学前教育研究的重视, 人们纷纷呼吁要保护儿童天赋, 积极培养儿童的三种能力, 即学习力、创造力、想象力。作为一种快速成型技术, 3D打印技术能够精确地、个性化地、快速且高效地制作产品, 能够为培养儿童的学习力、创造力、想象力提供支持。
三、3D打印技术应用于学前教育领域的分析
目前, 3D打印技术在学前教育领域应用的相关研究尚处于起步阶段, 而高等教育和中小学教育领域应用已经有了一些研究成果, 这对3D打印技术在学前教育领域的应用研究将提供诸多借鉴。为此, 本文将3D打印技术学前教育应用的现有研究成果与高等教育和中小学教育应用的研究成果进行结合, 分析出以下几个研究方向。
(一) 基于3D打印技术的儿童玩具和教具制作
3D打印技术之所以被誉为“第三次工业革命最具标志性的生产工具”[3], 主要在于其对工业生产的变革是颠覆性的, 在玩具生产领域亦是如此, 变革已在国外展开。3D Systems公司早在2014年就宣布, 将和世界第二大玩具厂商孩之宝 (Hasbro) 合作, 共同研发利用3D打印技术制造儿童玩具[4]。
利用3D打印技术制作玩教具已经在国外处于实践和应用阶段, 在国内, 也已经有学者对此进行研究。毛菊等学者对幼儿教师自制玩教具的使用情况做了调研, 研究发现相比购置的玩教具, 幼儿对自己参与制作的玩教具更有兴趣[5]。张颖对上海市幼儿园教师玩具使用情况进行调查后发现, 幼师或者找不到适合于教学的玩教具, 或者不知道如何将商品化玩教具应用于教学[6]。除了商品化玩教具的不符实用外, 本研究通过调查还发现幼儿教师自制的玩教具简单且粗糙, 幼儿在使用的过程中容易损坏;教师需要花费大量时间和精力进行制作, 工作负担沉重;由于技术和能力所限, 幼儿教师自制的玩教具不够精致, 缺乏创造力并且不能吸引幼儿。
针对以上问题, 基于3D打印技术制作玩具和教具能够有效解决这些问题。郭力平教授认为用3D打印技术制造儿童玩具有三个优势:环保并且节省成本;支持创意变成现实;满足儿童个性化需求[4]。首先, 在材料选用上可以采用聚乳酸 (PLA) , 这是一种无毒无味的环保型材料, 使用可再生的植物资源 (如玉米) 所提出的淀粉原料制成, 上色材料可采用安全性高的无毒环保颜料 (如丙烯和手指画) , 材质和颜料的环保性为玩具和教具的制作提供了安全性;其次, 在设计方面, 玩教具的初期创意设计全部在3D建模软件上完成, 保证玩教具的精致性;在生产上, 生产全过程一律由3D打印机完成, 保证了产品生产的便捷性和自动化。
(二) 3D打印技术支持幼儿的DIY创作活动
目前, 国外已经有公司为儿童的创作活动定制了专门的3D打印机和配套设施。例如, 由Glowinthedark公司开发的Printcraft软件就是一款将3D打印技术和一个叫做Minecraft (我的世界) 的电子游戏结合起来的软件, 儿童可以用该软件把自己在游戏中搭建的房子打印出来[7]。Printeer是由MissionStreet Manufacturing公司制造的儿童教育专用3D打印机, 该打印机简化了建模操作, 儿童只需在Printeer配套程序中画出自己想要的物体, 即可进行打印[8]。
随着3D打印技术的发展, 创客空间、创客文化和创客教育等名词也开始出现, 尤其在高等教育和中小学教育领域, 学生的创客教育备受重视。创客空间 (Makerspace) 是配备创客所需设备和资源的开放的工作场所, 学生可在创客空间里充分利用网络资源进行合作创新, 再用3D打印机或3D打印笔等桌面制造设备进行个性化创作[9]。与创客空间相对应的便是创客教育, 该教育模式以学生兴趣为起点, 基于项目式学习, 鼓励学生充分利用和分享资源, 其目的在于培养学生的创新能力、合作学习能力和跨学科解决问题的能力。创客教育的关键在于创意和创新, 研究已经证实人的一生创造力满满的时期就是幼年期, 但现今的幼儿园教育却有着明显的小学化趋势, 幼儿玩着一样的玩具, 按照教师的要求做着一样的游戏, 个性化玩教具和材料及其缺乏。而基于3D打印技术的学前教育模式, 以学前教育启蒙和潜能开发为根本, 突破传统学前教育局限性, 可以为每个孩子构建生动有趣的创作平台, 满足幼儿对个性化玩教具和活动材料的需求。
(三) 3D打印技术支持幼儿园课程的游戏化
《幼儿园教师专业标准》中明确要求教师要重视环境和游戏, 要积极支持与引导幼儿游戏。《幼儿园教育指导纲要》中也要求幼儿园教育应以游戏为基本活动, 促进幼儿个性化发展。《3-6岁儿童学习与发展指南》中强调要创设丰富的教育环境, 支持和满足幼儿通过直接感知、实际操作和亲身体验获取经验的需要。由此可见, 幼儿园课程应该是游戏化的, 游戏也是幼儿的基本活动。幼儿园课程游戏化除了对游戏内容有一定要求外, 更需要有丰富的游戏材料来支持。3D打印技术可以根据游戏内容为儿童的游戏活动设计和制作用于游戏的道具和材料, 让游戏变得更有趣并且更具个性化。此外, 游戏材料除了满足儿童的需求外, 幼儿教师也能对游戏材料进行二次设计, 让儿童对游戏有更好的体验。
(四) 3D打印技术支持幼师职前教育, 提升幼师创新能力
《幼儿园教师专业标准》中的第38条、第39条、第45条、第46条和第47条, 反复强调幼儿园教师的学习环境创设和活动材料构建能力, 这就要求幼儿园教师要具备一定的创新能力和动手实践能力。
孙江山等学者认为3D打印能使不同教育层次的个人以专业水平实现从想象到产品的个性化创造, 满足学习者对个性化创意设计进阶的不同需求, 3D打印技术也促进了学习者从教育消费者到创造者的角色转变[9]。将3D打印技术引入到幼师的教育培训中, 能够有效提升他们的创新能力、信息技术素养和动手实践能力。首先, 制作一件3D打印作品需要先进行3D建模, 运用建模软件进行设计的过程能够提高幼师的创新能力、空间想象力和信息技术素养;其次, 3D打印出的产品需要用打磨工具进行加工处理, 这能够很好地锻炼幼师的动手实践能力;最后, 在产品的上色上, 可以发挥幼师的想象力, 提升他们的艺术素养。
四、对3D打印技术应用于学前教育领域的思考
(一) 将3D打印技术应用于幼儿园教育教学, 要注意合理分工
用3D打印技术进行DIY创作的一般流程为:3D建模和切片、操作设备打印物体、粗磨、精磨和上色。该流程中涉及到多种计算机软件和硬件的使用, 还涉及到一些有潜在安全隐患工具的使用, 这就必须注意幼儿和教师的分工协作。首先, 模型建模工作可由教师承担, 也可以建立模型共享资源库, 减少教师工作量;其次, 3D打印机的使用过程中具有一定的安全隐患, 教师要按照既定流程进行操作;再次, 物体的打磨涉及到一些锐器的使用, 幼儿应避免使用这些工具, 改用锉刀、打磨棒或者专用的迷你打磨笔等工具;最后, 在上色环节, 在保证颜料安全无毒的前提下, 可充分发挥幼儿的创造力和主观能动性。
(二) 将3D打印技术与学前教育相关课程进行深度融合
3D打印技术在幼儿玩教具制作领域大有可为, 但在创造价值的过程中, 3D打印技术本身并不是最重要的, 使用技术的人才是最重要的。因此, 在幼儿教师的职前教育阶段, 应为幼儿教师设计一套完整且高效的基于3D打印技术的玩教具制作课程, 具体应包括教学内容、配套的教学模式、环境构建技术指标、产品成果和评价体系等。通过该课程的教学能够让幼儿教师掌握高效使用3D打印技术制作个性化玩教具的方法, 提升他们的创新能力、信息技术素养和动手实践能力。
(三) 3D打印技术助力学前教育领域的创新和创业
随着“二孩”政策的开放, 中国学前教育产业规模将不断扩大, 学前教育领域相关的创新创业也成为热点, 3D打印技术的发展也推动了该领域的创新和创业。在一些早教机构和学前儿童兴趣发展和培养机构, 3D打印技术已经成为培养儿童科学素养中不可或缺的一部分, 比如乐高机器人教育和棒棒贝贝儿童科技教育。
目前, 无论是中小学教育领域还是高等教育领域, 3D打印技术已经引起了学者足够的重视, 政府部门也制定了相关文件促进其在中小学和高等教育领域的发展。反观学前教育领域, 无论是研究成果还是文献数量, 无不表明3D打印技术在学前教育领域的应用不被重视。导致这种现状的原因无非有两个, 一是3D打印技术本身有诸多缺点;二是我国学前教育发展滞后导致的学前儿童发展理念的落后。我们相信, 以现在3D打印技术迅猛发展的势头, 其缺点只会不断被克服, 而我国的学前教育事业目前已备受重视, 3D打印技术一定会为学前教育事业的变革做出积极贡献。
摘要：3D打印技术的教育应用一直是教育领域的研究热点, 然而, 3D打印技术教育应用的研究成果往往集中在中小学和高等教育领域, 而在学前教育领域的研究成果寥寥无几。为此, 本研究采用文献分析法, 将3D打印技术学前教育应用的现有研究成果与高等教育和中小学教育应用的研究成果进行结合, 分析了3D打印技术在学前教育领域应用的现状, 并对3D打印技术在学前教育领域应用提出建议。
关键词：3D打印技术,学前教育,创新能力
参考文献
[1] 王娟, 吴永和, 段晔.3D打印技术教育应用创新透视[J].现代远程教育究, 2015 (1) :62-71.
[2] NMC Horizon Report:2013 Higher Education Edition[EB/OL].http://www.nmc.org/publications/2013-horizon-report-highered.
[3] Manufacturing:TheThird Industrial Rrevolution[EB/OL].TheEconomist, 2012, 4.http://www.economist.com/node/21553017.
[4] 郭力平, 徐小妮.3D打印技术与儿童玩具制造[J].幼儿教育 (教育科学) , 2015 (z6) :3-5.
[5] 毛菊, 于影丽, 赵艳.幼儿教师玩教具制作现状审思[J].天津师范大学学报 (基础教育版) , 2011 (4) :33-35.
[6] 张颖.对儿童玩具的现状研究:以上海地区为例[D].上海:上海师范大学.2012.
[7] Make things with Minecraft[EB/OL].http://www.printcraft.org/.
[8] Printeer, first 3D printer targeted at kids, launches on Kickstarter[EB/OL].https://www.3ders.org/articles/printeer-first-3dprinter-targeted-at-kids-launches-on-kickstarter.html
[9] 孙江山, 吴永和, 任友群.3D打印教育创新、创客空间_创新实验室和STEAM[J].现代远程教育研究, 2015 (4) :96-103.