梁東沃

3D打印技術(shù)是一種是以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的快速成型技術(shù)。2013 年8月，習(xí)近平同志在考察3D打印企業(yè)時(shí)指出，這個(gè)技術(shù)很重要，要抓緊產(chǎn)業(yè)化。在教育領(lǐng)域，特別是中小學(xué)基礎(chǔ)教育，3D 打印技術(shù)的應(yīng)用還是一個(gè)嶄新的領(lǐng)域。“創(chuàng)客”源于英文單詞“Maker”，是指把自己的想法轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)的人?！皠?chuàng)客教育”是指為了解決我國(guó)現(xiàn)階段中小學(xué)教學(xué)體制中創(chuàng)新能力不足的問題，把創(chuàng)客的理念融入課堂教學(xué)，實(shí)施一系列創(chuàng)客實(shí)踐活動(dòng)提高學(xué)生動(dòng)手能力的教育。

一、基于3D打印技術(shù)的創(chuàng)客教育在教學(xué)實(shí)踐中的應(yīng)用現(xiàn)狀分析

“基于3D打印技術(shù)的創(chuàng)客教育”是指以3D打印技術(shù)為技術(shù)基礎(chǔ)，在學(xué)科教學(xué)中踐行創(chuàng)客教育精神的教學(xué)方式。在學(xué)科教學(xué)中，教師首先要結(jié)合3D打印技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行具有實(shí)踐性的教學(xué)設(shè)計(jì)，通過課堂活動(dòng)引導(dǎo)學(xué)生動(dòng)手動(dòng)腦，并通過3D打印把自己的想法變成實(shí)物或者運(yùn)用3D打印設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)器材，以便更好的完成課堂實(shí)踐活動(dòng)。目前，只有發(fā)達(dá)地區(qū)的部分學(xué)校引進(jìn)了3D打印技術(shù)的教育，而且基本停留在教技術(shù)上，還沒有發(fā)揮3D打印技術(shù)在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造能力方面的作用。而且3D打印技術(shù)對(duì)于很多教師都是很陌生的，所有3D打印技術(shù)在學(xué)科教學(xué)中的實(shí)踐應(yīng)用很少。有條件的學(xué)校開展了“3D打印創(chuàng)意課程”“3D打印社團(tuán)”等多種多樣的3D特色課程。學(xué)生可以通過這些課程學(xué)習(xí)3D打印技術(shù)，并且把技術(shù)和實(shí)際結(jié)合起來，根據(jù)自己的想法進(jìn)行設(shè)計(jì)，打印出鑰匙扣、小花瓶、筆筒等設(shè)計(jì)作品。此外，有些學(xué)校鼓勵(lì)教師把3D打印技術(shù)和學(xué)科整合，把抽象的知識(shí)變成看得見的具體實(shí)物，促進(jìn)教學(xué)效果。例如，小學(xué)五年級(jí)語(yǔ)文《趙州橋》一課，如果不是趙州橋所在地的學(xué)生或者沒有去過趙州橋的學(xué)生，就只能通過圖片或視頻來了解趙州橋的結(jié)構(gòu)。3D 打印技術(shù)的出現(xiàn)，可以很方便地打印出趙州橋的模型，學(xué)生就可以很直觀地觀察、欣賞趙州橋的整體及各個(gè)部分的構(gòu)成。

二、物理教學(xué)現(xiàn)狀分析

物理是源于生活的科學(xué)，是探索世界改變世界的重要學(xué)科，物理課堂應(yīng)該以實(shí)踐為主，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題和解決問題的能力。但是，由于“應(yīng)試教育”的影響，目前的物理課堂普遍缺乏創(chuàng)造性，學(xué)生被動(dòng)接受知識(shí)，教師把重點(diǎn)放在如何提高學(xué)生學(xué)習(xí)成績(jī)上，卻忽略了激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，重理論而輕實(shí)踐，忽視對(duì)學(xué)生動(dòng)手能力的培養(yǎng)?，F(xiàn)階段物理課堂以教師講授為主，間隙插入一些物理實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)室很多學(xué)生面對(duì)一堆實(shí)驗(yàn)器材，哪怕是一些簡(jiǎn)單的線路連接都感到束手無策，甚至有的同學(xué)以“我沒做過”成了他們?yōu)樽约簯卸枵业慕杩?。即使跟著老師步驟完成實(shí)驗(yàn)，但也不明白實(shí)驗(yàn)的原理與意義，過后很快就忘記了，效果不好。

三、基于3D打印技術(shù)的創(chuàng)客教育在物理教學(xué)中實(shí)踐的意義

把3D打印技術(shù)運(yùn)用在物理教學(xué)中，可以提升學(xué)生學(xué)習(xí)物理的主動(dòng)性、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神、給學(xué)生的“學(xué)習(xí)方式”帶來新的改變。3D打印技術(shù)可以讓抽象的物理概念和規(guī)律變得具體，可以為學(xué)生帶來理論和實(shí)踐、知識(shí)和思維、虛擬與現(xiàn)實(shí)三方面互相結(jié)合的全新體驗(yàn)。具體表現(xiàn)在：1.通過3D打印，把想法變成現(xiàn)實(shí)，培訓(xùn)學(xué)生創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力;2.通過3Done設(shè)計(jì)軟件，發(fā)展學(xué)生立體共建思維;3.通過3D打印出來的實(shí)物，為學(xué)生提供一個(gè)新的學(xué)習(xí)渠道;4.貼近生活的創(chuàng)客活動(dòng)，提高學(xué)生解決問題的能力。同時(shí)，3D打印技術(shù)可以為教師提供一種新的教學(xué)方式，教師可以運(yùn)用3D打印技術(shù)為學(xué)生建立“體驗(yàn)式”的學(xué)習(xí)中心和知識(shí)運(yùn)用空間。

四、3D打印技術(shù)的創(chuàng)客教育在物理教育中的實(shí)踐案例

研究如何把3D打印技術(shù)應(yīng)用在物理教育教學(xué)中，哪些物理知識(shí)點(diǎn)可以運(yùn)用3D打印技術(shù)進(jìn)行教育教學(xué)，如何通過創(chuàng)客活動(dòng)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)客精神等問題是當(dāng)下值得深入研究的。現(xiàn)在針對(duì)初中物理如何結(jié)合3D打印技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)客教育做簡(jiǎn)單介紹。

1.八年級(jí)上冊(cè)第四章光現(xiàn)象創(chuàng)客教育實(shí)踐案例

光現(xiàn)象這一章主要內(nèi)容有光的直線傳播、光的反射、光的折射、平面鏡成像等。在教學(xué)中，學(xué)生感受到的光現(xiàn)象都是在平面上的，那么在3維立體空間內(nèi)光現(xiàn)象規(guī)律是否與平面的光現(xiàn)象規(guī)律一致？教師創(chuàng)設(shè)情境、提出問題、激發(fā)學(xué)生探索興趣，并設(shè)計(jì)課后探究活動(dòng)，讓學(xué)生以小組形式展開討論和方案設(shè)計(jì)。教師針對(duì)學(xué)生提出的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行點(diǎn)評(píng)糾正，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)一個(gè)能夠產(chǎn)生立體圓柱光的實(shí)驗(yàn)儀器，自主探索立體光的規(guī)律。

2.八年級(jí)上冊(cè)第六章質(zhì)量創(chuàng)客教育實(shí)踐案例

在質(zhì)量一課中，學(xué)生要理解什么是物質(zhì)、什么是質(zhì)量、質(zhì)量的屬性、質(zhì)量的測(cè)量等知識(shí)。在教學(xué)中，教師設(shè)計(jì)創(chuàng)客活動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用3D打印技術(shù)打印出形狀一樣但大小不同的物體3個(gè)，形狀不同但體積一樣的物體3個(gè)。在學(xué)生完成器材打印后，教師設(shè)計(jì)探究活動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生通過比較形狀一樣但大小不同的3個(gè)物體，用感官感受這三個(gè)物體，得出物體是由物質(zhì)組成，物體含有物質(zhì)的多少叫質(zhì)量，大的物體含有物質(zhì)多，重量也比較重，因此質(zhì)量也大的結(jié)論;學(xué)習(xí)質(zhì)量的測(cè)量后，引導(dǎo)學(xué)生測(cè)量形狀不同但體積一樣的3個(gè)物體，得出物體的質(zhì)量與形狀無關(guān)，改變位置再次測(cè)量，得出質(zhì)量與位置無關(guān)，改變3個(gè)物體的溫度，得出物體質(zhì)量與溫度無關(guān)。

3.八年級(jí)上冊(cè)第七章力學(xué)創(chuàng)客教育實(shí)踐案例

在八年級(jí)上冊(cè)第七章，學(xué)生需要感知和認(rèn)識(shí)力的概念、力的三要素、力的作用效果、彈力、重力等內(nèi)容，為后面力與運(yùn)動(dòng)的內(nèi)容打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。在彈力一課中，學(xué)生需要理解彈力的概念，彈簧測(cè)力計(jì)的原理與使用，教師可以設(shè)計(jì)創(chuàng)客活動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用3D打印設(shè)計(jì)和制作簡(jiǎn)易彈簧測(cè)力計(jì)，在設(shè)計(jì)和制作過程中，學(xué)生了解到彈簧測(cè)力計(jì)的結(jié)構(gòu)構(gòu)成、工作原理等。在探究重力一課中，學(xué)生通過3D打印重錘和支架，探究重力的方向。

4.八年級(jí)下冊(cè)第八章摩擦力創(chuàng)客教育實(shí)踐案例

在探究摩擦力與什么因素有關(guān)的實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生需要探究摩擦力與接觸面粗糙程度、接觸面受到的壓力大小、接觸面大小等因素的關(guān)系。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中，我們通過改變滑塊上面的鉤碼個(gè)數(shù)改變壓力大小、通過在水平面上鋪毛巾改變粗糙程度、通過平放和側(cè)方改變接觸面大小。在3D打印技術(shù)支持下，教師可以設(shè)計(jì)創(chuàng)客活動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用3D打印技術(shù)打印兩面粗糙程度不同的水平板、2個(gè)接觸面粗糙程度和接觸面大小一樣但質(zhì)量不同的滑塊、2個(gè)粗糙程度和質(zhì)量一樣但接觸面積不同的滑塊，運(yùn)用以上打印出來的實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行影響摩擦力因素的探究。學(xué)生通過自主設(shè)計(jì)和制作實(shí)驗(yàn)器材，通過自主探索實(shí)驗(yàn)，可以提高學(xué)生的動(dòng)手能力，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。

5.八年級(jí)下冊(cè)第十章浮力創(chuàng)客教育實(shí)踐案例

物體浮沉條件的探究是重點(diǎn)和難點(diǎn)，也是學(xué)生難理解和容易混淆的知識(shí)。運(yùn)用3D打印技術(shù)，學(xué)生可以打印出質(zhì)量相同的兩個(gè)球，一個(gè)空心，一個(gè)實(shí)心，然后用這兩個(gè)球進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，探究密度比水大的物體要浮在水面上可以做成空心，從而理解輪船為什么可以浮在水面上。

6.八年級(jí)下冊(cè)第十一章動(dòng)能和勢(shì)能創(chuàng)客教育實(shí)踐案例

在動(dòng)能和勢(shì)能的轉(zhuǎn)化教學(xué)中，學(xué)生很難理解重力勢(shì)能、彈性勢(shì)能、動(dòng)能之間的轉(zhuǎn)化過程。在傳統(tǒng)教育教學(xué)中，教師只能通過PPT和動(dòng)畫形式進(jìn)行解釋說明，但是學(xué)生沒有親身經(jīng)歷過也是很難理解。在3D打印技術(shù)的支持下，教師可以創(chuàng)設(shè)情境，引導(dǎo)學(xué)生通過3D打印設(shè)計(jì)打印并制作滾擺和簡(jiǎn)易弓箭模型，通過實(shí)物體驗(yàn)理解能量的轉(zhuǎn)化過程。例如，當(dāng)弓箭被拉伸發(fā)生彈性形變具有彈性勢(shì)能，放手后箭向前飛，彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)化為箭的動(dòng)能。滾擺具有重力勢(shì)能，當(dāng)滾擺下落過程中重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，當(dāng)滾擺上升過程中動(dòng)能轉(zhuǎn)化為重力勢(shì)能。經(jīng)過3D打印出來的實(shí)物感受，親身體驗(yàn)，學(xué)生的學(xué)習(xí)也會(huì)事半功倍，學(xué)習(xí)興趣也會(huì)有很大提升。

7.3D打印技術(shù)在物理力學(xué)課外創(chuàng)客實(shí)踐活動(dòng)的案例

在物理課外實(shí)踐活動(dòng)中，教師經(jīng)常會(huì)舉行“紙橋承重”等創(chuàng)客活動(dòng)，讓學(xué)生用紙和膠水等工具制作一座紙橋，并比試其承受重量。3D打印技術(shù)的引入，教師可以讓學(xué)生通過3Done設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，測(cè)試不同的橋梁結(jié)構(gòu)承受情況，并通過3D打印機(jī)把模型打印出來，作為參考模型。教師也可以用3D打印技術(shù)把各種橋梁結(jié)構(gòu)打印出來，作為教學(xué)使用。

以上列舉的只是一部分案例，在教育教學(xué)中，教師可以根據(jù)物理知識(shí)的特點(diǎn)，開發(fā)更多的課堂創(chuàng)客活動(dòng)和課外創(chuàng)客活動(dòng)，充分發(fā)揮3D打印技術(shù)優(yōu)勢(shì)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新精神，提高教學(xué)質(zhì)量和效率。

五、結(jié)束語(yǔ)

3D打印技術(shù)是一種新興的生產(chǎn)工具，在工業(yè)設(shè)計(jì)方面已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。在教育教學(xué)中，特別是創(chuàng)客教育方面也展示出其廣闊的前景，把3D打印技術(shù)運(yùn)用到初中物理教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)極其明顯。盡管3D打印技術(shù)可以幫助教師打印各種教學(xué)模型，也可以引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新性活動(dòng)，但也對(duì)教師提出更高的要求，教師需要熟練掌握3D打印設(shè)計(jì)軟件的使用，能夠引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用3D打印技術(shù)進(jìn)行課堂探究。

作為一名一線教師，我們應(yīng)該大膽嘗試把3D打印技術(shù)運(yùn)用在物理教學(xué)，踐行創(chuàng)客教育思想，開啟3D打印技術(shù)與學(xué)科整合的教與學(xué)的探索，確定更適合學(xué)科與創(chuàng)客教育相整合的試點(diǎn)，優(yōu)化教學(xué)過程，提升教學(xué)質(zhì)量，為其他學(xué)?；蚪處熞朐摷夹g(shù)提供成果的案例和有價(jià)值的指導(dǎo)。