淺談3D打印筆在中學學科教學中的應用

陳利+王佑漢+房娜艷??

摘要：3D打印技術已經在工業、醫學、建筑、軍事等諸多領域得到了廣泛利用，但在教育領域，特別是基礎教育領域應用還不多見。本文在介紹3D打印筆的基礎上，以“經驗之塔”理論和“教學做合一”理論為指導思想，探討了3D打印筆在數學、化學、地理學科教學中的應用。

關鍵詞：3D打印筆；學科教學；中學

一、 3D打印筆簡介

3D打印筆的外形就像一支大號鋼筆，其工作原理是通過擠壓出特定的耗材，然后在三維空間依次分層涂抹形成三維物體。現如今的3D打印筆絕大多數為熔融擠出式3D打印筆，其內部結構十分簡單，主要就是由擠出頭（負責將打印材料擠出）、控制馬達（調整出料轉速），還有溫控（負責將材料融化）組成。熔融擠出式3D打印筆是將ABS或者PLA塑料線材在筆內加熱融化后再擠出，依靠空氣自然冷卻固化成型。但熔融擠出式3D打印筆的筆尖溫度很高，有被燙傷的風險；光固化式3D打印筆則是使用光敏樹脂液體作為原料，在常溫下就可直接擠出，利用筆頭上的LED燈發出藍光或紫外光進行固化成型。

二、 3D打印筆與3D打印機的比較優勢

1. 3D打印機技術原理

3D打印機又稱三維打印機，其制作過程可以劃分為設計和打印兩個階段。在設計階段，主要使用三維建模軟件或掃描設備進行設計；在打印階段，是將3D模型數據按照某一坐標軸進行逐層分切，通過讀取文件中的橫截面信息，對分切的每一層進行構建，然后逐層打印，再粘合起來形成一個實體的立體模型。

2. 3D打印筆與3D打印機的比較優勢

3D打印筆與3D打印機相比，在推廣利用上具有明顯的優勢：第一，3D打印筆結構簡單、體積小巧，便于攜帶；第二，3D打印筆價格低廉，常見的3D打印筆兩三百左右就能購買，使用的原料也比較便宜，比3D打印機的門檻更低；第三，3D打印筆操作系統簡單易懂，且無需電腦和軟件支持；第四，3D打印筆在塑形和創作上擁有更多的可能性，任何人都可以隨意的去打印任何東西。隨著3D打印筆的不斷優化，產品會做得越來越精致、安全、穩定和高效。未來3D打印筆也必將成為最先普及的民用化3D打印技術產品。

三、 3D打印筆教學應用理論依據

1. “經驗之塔”理論

1946年，美國視聽教育專家埃德加·戴爾（Edgar Dale）在其所著的《教學中的視聽方法》一書中提出了“經驗之塔”理論。“經驗之塔”將人們獲得的經驗分為三大類：做的經驗、觀察的經驗和抽象的經驗。將3D打印筆應用于教學過程中，可以讓學生自己使用3D打印筆構想、打印物體以獲得有目的的直接經驗和設計經驗，也可以是教師將抽象的知識通過3D打印筆進行可視化演示展現，以幫助學生將“做的經驗”、“觀察的經驗”和“抽象的經驗”三者有機結合，既拓展了學生的感覺和知覺，又使學生的思維能力得到進一步發展。

2. “教學做合一”理論

“教學做合一”是我國教育學家陶行知教育思想的精髓，強調在“做”上下功夫，在做中教，做中學，他提倡“做中學”、反對“坐中學”。將3D打印筆應用于學科教學過程中，教師可以在做中教，學生也可以在做中學，在加強了師生互動的同時，也解放了學生的雙手，讓他們動手操作、親身體驗。

四、 3D打印筆在教育領域的應用案例

1. 3D打印筆在中學數學教育中的應用

中學數學可以分為代數和幾何，而幾何當中的立體幾何要求學生要有較強的空間抽象思維，這對大部分學生來說都是難點。在這部分教學內容上，以往教師多采用平面斜二測畫法來畫出立體幾何的平面直觀圖，或者用架小棒、削蘿卜、捏橡膠模型等方式自制一些簡單的教具來幫助學生理解。但平面直觀圖難以讓學生憑空構想出三維幾何體，教具的準備又需要教師花費大量的時間和精力，且如何保證這些教具不變形、不變質也是個難題，學生在整個學習過程中的參與性也較低。往往是費力不討好，并不能達到理想的教學效果。而使用3D打印筆時，教師只需寥寥幾筆就能在空氣中直接畫出一個三維立體的幾何圖，并且可以隨意的更改或添加輔助線，也可以用不同顏色來表示截面，學生一看便知長方體、圓柱體等被橫切、斜切、豎切后的截面是一個什么圖像。通過3D打印筆可以將數學問題形象化、可視化，不僅培養了學生的空間思維和抽象思維，也激發了學生的學習興趣，提高了教學效率。

2. 3D打印筆在中學化學教育中的應用

在中學化學教學中，涉及了分子、原子等的結構和形狀時，一般采用平面圖或者實物模型來開展教學。然而平面圖在反映分子等的空間結構和立體形狀上效果不佳，而實物模型價格又比較貴，只能少量配備，不能完全滿足教學需求。而使用3D打印筆則可以隨教學需要，實時的將分子結構按比例放大并呈現出來，立體形象而直觀，且單位價格便宜。

3. 3D打印筆在中學地理教育中的應用

中學地理中也有很多知識點可以利用到3D打印筆幫助教學。例如，“氣壓帶和風帶的形成”是高中地理必修一的教學重點和難點之一，課標要求學生能“繪制全球氣壓帶、風帶分布示意圖，”但由于缺乏空間想象力，學生往往只能死記硬背，并不能很好地理解并繪制出示意圖。利用3D打印筆，可以直接在傳統的地球儀繪制三維立體的三圈環流圖，而且能直觀地看到高空和近地面風向的偏轉，便于學生知識的掌握和空間能力的培養。

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