3D開發學具助力通用技術課堂教學

摘?要：當今，隨著3D打印技術在航空航天、建筑、汽車、醫療等領域的廣泛應用，3D打印技術也走進中學校園、用于開發學具、服務于課堂。經過實踐，在3D技術與通用技術學科融合之下，開發學具，助力通用技術學科教學，打造模仿體驗式、合作探究式、作品展示型的課堂教學模式。

關鍵詞：學具;3D打印;課堂;教學

近年來，隨著3D打印技術進入中學校園，3D技術用于開發學具、服務于課堂教學成為時下備受探討的問題。與傳統制造方法相比，3D打印技術有著低成本、易成型、方便操作等特點。筆者經過多次的開發與實踐，發現利用3D開發學具，助力通用技術課堂教學是一種不錯的選擇。因此，文章從3D技術與通用技術學科的融合入手，闡述3D技術開發符合學科特點、適合學生年齡的學具，助力通用技術的課堂教學。

一、 3D打印技術的優勢

3D打印是快速成型技術中的一種。在無須借助其他輔助工裝夾具下，3D打印就能直接將三維模型快速加工制造成實體模型。當今，3D打印在許多領域得到廣泛的應用，例如航空航天、建筑、汽車和醫療等。3D打印技術原理有很多種，常用的有激光粉末成型法、熔融塑料成型法、光敏樹脂成型法等。大多數學校配置的3D打印機是采用熔融塑料成型技術法，這種技術是通過層層堆積材料的方式制造出幾何實體，操作方便、成本低廉、無污染。教師要先選擇一款建模軟件（如3Done），利用建模軟件設計出符合學科特點、適合學生年齡的學具模型，然后分層切片，再用3D打印出來，為課堂教學提供設備保障。

二、 與通用技術學科的融合

《普通高中通用技術課程標準（2017年版）》明確指出，技術發展日新月異，大數據、人工智能、虛擬現實、新材料、新能源技術等開始走進日常生活，通用技術課程內容應與時俱進。因此，3D技術開發通用技術學具應運而生。筆者經過實踐發現，依托3D打印技術與通用技術學科的融合，創設通用技術學科學具，突破教學條件局限，豐富教學手段。主要優勢如下。

（一）打造可視化模型

1. 教學中發現問題

在技術與設計1（蘇教版）第六章第二節《常見的技術圖樣》的教學中，筆者發現學生繪制三視圖時畏難情緒有點嚴重，軸測圖轉化為三視圖的空間思維能力不足，對零件形體的視圖表達不完整。在技術工程上，三視圖是設計交流與表達的一種常用技術語言，識讀與繪制簡單的三視圖是高中學生應具備的通用技術學科素養。

2. 3D學具優化教學條件

在《簡單三視圖的繪制》的教學中，筆者發現三視圖的輔助教學手段，不論采用多媒體的課件，還是借助硬紙板制作零件模型，都有利于學生空間思維的構建，能夠達到一定的教學成效，但不是最理想的效果。在教學實踐中，筆者先收集學生易錯的三視圖典型案例，然后應用3D打印技術將典型案例制成實物模型，再把實物模型分配給學生去觀察、去分析，從而優化課堂教學條件，突破教學上的瓶頸。3D學具不僅便于學生全方位觀察零件形體，還有助于學生領悟三視圖的形成原理及投影規律。在教學任務得以順利地完成情況下，進一步培育了學生技術圖樣表達的學科核心素養。

（二）提高學具的精度

1. 原教材試驗內容

在技術與設計2中，為了引導學生探究結構強度與構件的截面形狀有怎樣的關系時，教材安排了測試試驗，內容如下。

用周長相同的紙質材料自制測試構件，截面分別為三角形、圓形、正方形的紙筒作為懸梁結構來進行測試，看看哪種截面形狀的懸梁結構承受最大的力？

2. 3D學具改進試驗內容

在教學實踐中，筆者發現，用紙質材料制作測試構件，在折疊過程中，可能力度分配不均衡或者黏合劑用量不一樣，這些都會導致測試紙筒尺寸有所偏差，測試構件規格不統一、不規范，甚至彎曲強度也會不一致，從而影響試驗的測試結果。而利用3D技術設計并制作不同形狀截面的懸梁來做測試構件，則先應用電腦軟件建模，然后3D打印出測試構件，這樣能做到構件尺寸精確、誤差較小。試驗結果自然而然會更科學、更合理、更有說服力。因此，應用3D打印的測試構件進行試驗是一種可行的方案，也是值得推廣的學具制作方法。具體步驟如下。

第一步，學會如何運用3D技術自制測試構件。

第二步，需要考慮選用什么形狀的截面構件進行測試比較合適？

在蘇教版教材中，選用周長相同的三角形、圓形、長方形截面作為測試構件，顯然這個試驗測出來的結論是在同等周長的情況下，圓形構件的強度最好，三角形構件的強度最弱。為了讓這個測試試驗與實際生活緊密聯系，更具現實意義，比如房屋的橫梁為何采用高度>寬度？桌椅的橫桿大多采用高度>寬度？基于這些現象，則選用截面積相等的構件，形狀分別是正方形、圓形、寬高比0.5的矩形、寬高比2.0的矩形。探究同種規格材料做成不同截面形狀的構件，哪種形狀的構件抗彎強度最大？

第三步，需要考慮測試構件的件數要多少合適？

教師提供給每個小組的測試構件件數要適量。如果測試構件過多的話，不單單會造成材料的浪費、增加學具的開發經費，在課堂上還會耗費學生許多測試時間;如果測試構件過少的話，容易出現測試的偶然性，試驗數據會產生很大的誤差。綜合這些因素，同一種形狀的截面構件各測試三次，求其平均值，避免了隨機誤差的發生，這樣得出的數據合理、真實。

（三）增加創新方案的物化率

1. 現實條件的限制

創新方案的物化需要依托一定的工藝方法才能實現。掌握工藝方法之前，學生需要熟悉材料的屬性、學習工具和設備的使用方法、了解工藝的流程等。這些前期的準備時間較長，往往不利于創新方案的物化實施。而更多創新方案無法物化，是因為找不到合適的材料、或缺乏應有的加工工具、或加工場地的限制、或物化的成本過高。

2. 3D技術促進物化

例如，有的學生設計了廚房護指套，設計目的是為了保護廚師在切菜時手指不會受到傷害，設計時主要考慮的人機關系是：使用者穿戴舒適，為了適合不同大小手指的人群，有不同型號供選擇，材料采用食品級。

這款廚房護指套，如果采用傳統加工方法來物化，不僅需要熟悉多道工藝流程，還需要掌握較多的工具使用方法，比如裁剪工具、測量工量、打磨工具。而借助3D打印技術，學生可以較方便把方案在3Done建模軟件上設計表達、修改，直至打印，測試。初步測試完，還需要對模型的厚薄、長短、大小進行多次的調整，這些操作只要在建模軟件直接修改設計參數就能實現。甚至方案的調整，也可以類似操作。3D打印技術進行創新方案的物化是方便又可期的。這種技術無須其他工具或學習其他工藝，就能增加創新方案的物化率，實現學與做的一體化模式。

三、 3D學具在課堂教學中的應用

（一）模仿體驗式的課堂

模仿體驗式的課堂，是借助3D打印技術開發學具，模擬現實情境，引導學生角色扮演，利用角色效應，學生在體驗過程中主動學習，充分發揮自我潛能，運用所學知識分析問題、解決問題。學生在角色情境的體驗中，學科技術素養進一步得到培育，個性也得到充分的發展。

例如，在繪制三視圖的教學中，借助3D學具模型，巧設情境，課堂上賦予學生工程師的使命，讓學生帶著使命去完成三視圖的繪制任務。學生扮演角色熱情高、參與繪制任務主動積極。在小組成員團結協作下，學生探討完成任務。由于3D學具模型的直觀性，學生畏懼的繪制任務變得形象、具體了。在繪制三視圖的過程中，學生領略技術圖樣表達的魅力，養成了細致、嚴謹的技術學科態度。

（二）合作探究式的課堂

合作探究式的課堂，是學生以小組進行合作，教師充分利用3D學具搭建學習平臺，引領學生對身邊事物充滿好奇心、關注未來和未知世界，啟發學生要敢于質疑、勇于探究，在試驗探究過程中發現事物規律，把握事物本質特征的教學活動。

例如，在探究結構強度與截面形狀之間的關系時，利用3D打印技術開發學具，將試驗條件進行優化，試驗內容進行拓展，創設與學生生活息息相關的問題情境，彰顯技術學科的社會價值，激發學生探究試驗的熱情。紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行。學生在親歷試驗的過程中，分組合作測得形狀截面分別為：正方形、圓形、寬高比0.5的矩形、寬高比2.0的矩形構件所能承受的最大載荷，在表格上記錄翔實數據，計算其平均數據，對比、分析得出寬高比0.5的矩形截面構件在這四種中抗彎強度最強，進一步詮釋了房屋采用寬高比<1的承重橫梁現象的本質特征。學生親歷探究，在探究中得出答案，將認知的困苦變為求索的樂趣，學習的負累變為思維的享受。

（三）作品展示型的課堂

通用技術課程倡導學生在“學中做，做中學”的理念，教師鼓勵學生平時多動腦、勤動手，勇于創新，把技術創新的構思、方案積極表達出來。借助3D打印技術，學生能夠較方便地把自己的創新方案進行物化，然后不斷優化、改進，再物化，最后創新設計作品匯聚在課堂進行展示交流。學生上臺分享設計目的和意義，交流制作技巧與心得，相互借鑒、取長補短，實現了技能互動和思維互動的課堂。正如蕭伯納說的：“倘若你有一種思想，我也有一種思想，我們彼此交流這些思想，我們每個人將有兩種思想。”

例如，有的學生展示了服藥提示器，專為患有慢性病的老人按時服藥而設計，其功能設有提示音、屏幕顯示器、分裝三餐藥品的空間。課堂由多位學生展示作品，這樣展示型的課堂，面向全體學生，給學生創新設計提供了交流與借鑒的舞臺，拓寬了學生的視野，實現了技術創新源于生活、服務于生活的目標。

四、 結語

目前，大多數中學配置的3D打印機，在開發學具時，其成型的長、寬、高尺寸在30cm以內，其打印精度是±0.1～0.2mm，這樣參數適合用于制作配合精度要求不高、尺寸不宜過大的學具。如果要開發帶有傳動系統的學具，那么傳動裝置的配件只能去購買，或者個性化3D設計后去網上找代理打印。雖然有一定的局限性，但是3D技術開發學具還是有著廣闊的前景，需要教師進一步的探索、挖掘與實踐。

參考文獻：

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作者簡介：

蔡梅芳，福建省福州市，福建省福州第七中學。