探討高中3D打印校本課程設計與應用

吳永亮

（江蘇省海門中學，江蘇海門 226100）

引 言

隨著信息技術的不斷發展與人們對生產力的不斷追求，3D打印技術應運而生。并逐漸滲透到各行各業，越來越多的人將其視為推動下一次工業革命最重要的契機。3D打印不僅僅適用于各個高精尖產業，更逐漸成了人們日常生活中的使用技能。順應時代潮流，展開3D打印課程迫在眉睫。但是，現如今高中3D打印校本課程的發展并非一帆風順，教師專業技能薄弱、對3D打印認知程度不夠、軟硬件實力無法支持教學、教學內容枯燥等問題嚴重阻礙了3D打印教學發展。教師需要不斷充實自己的專業技能、審視教學過程中的痛點、聯系其他學科內容、豐富教學方式，真正提高教學質量。

一、提高教師對3D打印認識程度與重視程度

3D打印作為一門新興信息化生產技術，提高相關教師對其認識程度才是保證高中3D打印教學效果的首要條件。3D打印英文名稱叫作3D print，又被稱作三維打印，是一項20世紀90年代誕生于美國麻省理工學院的全新生產技術。3D打印與傳統打印相比，從打印材料、打印工具到打印流程均大相徑庭，前者打印材料可以是金屬、塑料、化學纖維等多種性質毫無關聯的物質；打印工具需要專業的3D建模軟件與3D打印機；流程主要分為設計創建三維模型、信息數據采集和進行打印三個流程[1]。

例如，在實際的3D打印課程建設過程中，海門中學（以下簡稱我校）主要從以下兩個層次發力，旨在奠定教學基礎、建設高效課堂：第一，提高學科教師專業技能。教師作為一門學科教學效果的主要負責人，對3D打印中建模立項、數據采集、捏造模型、打印問題處理、計算機及打印機維護等工作的熟練與否直接決定教學活動能否正常進行。例如，在實際打印過程中，教師對模型導出、打印材料添加等環節不熟練，教學活動將直接癱瘓。第二，硬件設施的置備。正所謂“磨刀不誤砍柴工”，完備、合適的3D打印硬件設備是一切教學活動進行的基礎條件，需要學校至少置備兩臺3D打印設備。一臺側重于打印效率，用于課堂教學與學生練習；另一臺側重于精度，用于教師備課或科研設計，供建模能力更出眾的學生使用。

二、分析3D打印教學痛點，逐步豐富教學內容

3D打印教學在推廣過程中，主要存在以下三個問題。第一，教師教學過于隨性，學生學不到實際技能。通過調查發現，大多數3D打印教師選擇的教學策略可以概括為“先從網絡上下載模型，再在課堂上展示下載好的模型；接著進行打印供學生傳閱，剩下時間供學生自由掌握”，3D打印中最核心的模型創建技術或3D打印機的工作原理幾乎只字不提，學生課上過于散漫、學不到多少實用技能，與課程建設中“培養熟練掌握3D打印技術的新型人才”的核心要求背道而馳。第二，沒有聯系傳統學科，不能給予其他學科教師幫助。除了培養學生3D打印技術之外，該課程另一個重要功能是聯動其他學科、打印教學輔助工具，進而達到降低其他學科教學難度、活躍課堂氣氛、提高學生課堂參與程度的最終目標。但是，現階段3D課程因為與其他課程教師溝通不夠或該學科教師專業技能不夠，無法完成上述課程目標。第三，3D打印設計知識過于精尖，教師隊伍缺乏相關人才[2]。

如在教學“打印沙漏模型”相關內容時，筆者并不會采取直接網上下載沙漏模型STL文件，然后在建模軟件中打開并展示，最后打印并傳閱的教學方式，而是選擇在電子課堂從最基本的簡單3D模型創建教起。首先，因為沙漏模型沒有過多復雜性機械結構與鏤空設計，所以筆者采用更適合新手上門的犀牛Rhinoceros軟件進行講解。在指導學生建模過程中，首先通過2D繪圖軟件幾何畫板建立一條方程為y=ax2+bx+c的拋物線；然后聯動學生已經學習過的高中數學中圓錐曲線與圖形旋轉的知識，幫助他們明了沙漏縱切面是拋物線y=ax2+bx+c經過景象翻轉之后繞垂直翻轉方向旋轉而得，沙漏的開口大小與二次項系數a的絕對值|a|呈正比例關系。這不但可以降低學生對建模的理解難度，同時圖形結合的教學形式更可以幫助學生復習圓錐曲線內容。

三、開展多元化教學方式，激發學生學習欲望

3D建模總體上說仍屬于工科的一種，教學內容相對枯燥，特別需要教師豐富教學形式，展開多元化教學方式，真正激發學生的學習欲望，主要有以下兩種策略。第一，積極與其他傳統課程融合，打破學科隔閡。正如上文所言，與其他傳統課程融合仍是現階段3D打印最高效的教學方法與最主要的教學任務之一，可以最大限度地降低學生對3D打印的理解難度與抵觸性。第二，開展3D打印活動，組織興趣小組。正所謂興趣才是最好的教師，因為3D打印作為校本課程的特性，必然不能占據過多日常教學時間，所以教師必須充分利用課下時間，經常組織課下教學活動，指導學生正確的自學方法、培養他們對3D打印的熱情，促使他們自己將3D打印“從會到精”。

在實際教學中，筆者會將打印任務努力融入其他學科內容當中，一方面提高學生理解的速度，另一方面打印出的產物還可以輔助該科教師進行教學。具體來講，對于語文學科，筆者會選擇打印“神舟五號模型”對應課文《飛向太空的航程》；對于數學科目，筆者會打印“橢圓、球、各類三角形”方便數學教師講解圓錐曲線與三角函數；對于生物學科，筆者會選擇打印動植物細胞模型等；對于物理學科，筆者會打印小車與尖劈幫助教師講解“摩擦力”與“力與運動的關系”；對于化學學科，筆者會選擇打印分子模型與原子模型等。

結 語

總之，高中3D打印是一個多角度的、多層次的教學活動，必然是未來各層次學校積極建設的校本課程之一，特別考驗學校師資隊伍與教育設備建設。新型學科的推廣不能一蹴而就，需要廣大教師持之以恒地探索、摸索與改良。在新課改的大背景下，3D打印學科教師需要不斷提高自身專業素養，真正提高學生的3D打印技能，推動高中3D打印教學發展。