淺談3D打印筆在中學(xué)學(xué)科教學(xué)中的應(yīng)用

陳利+王佑漢+房娜艷??

摘要：3D打印技術(shù)已經(jīng)在工業(yè)、醫(yī)學(xué)、建筑、軍事等諸多領(lǐng)域得到了廣泛利用，但在教育領(lǐng)域，特別是基礎(chǔ)教育領(lǐng)域應(yīng)用還不多見。本文在介紹3D打印筆的基礎(chǔ)上，以“經(jīng)驗(yàn)之塔”理論和“教學(xué)做合一”理論為指導(dǎo)思想，探討了3D打印筆在數(shù)學(xué)、化學(xué)、地理學(xué)科教學(xué)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：3D打印筆；學(xué)科教學(xué)；中學(xué)

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?，F(xiàn)如今的3D打印筆絕大多數(shù)為熔融擠出式3D打印筆，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)十分簡單，主要就是由擠出頭（負(fù)責(zé)將打印材料擠出）、控制馬達(dá)（調(diào)整出料轉(zhuǎn)速），還有溫控（負(fù)責(zé)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(nèi)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(fēng)險(xiǎn)；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(fā)出藍(lán)光或紫外光進(jìn)行固化成型。

二、 3D打印筆與3D打印機(jī)的比較優(yōu)勢

1. 3D打印機(jī)技術(shù)原理

3D打印機(jī)又稱三維打印機(jī)，其制作過程可以劃分為設(shè)計(jì)和打印兩個(gè)階段。在設(shè)計(jì)階段，主要使用三維建模軟件或掃描設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)；在打印階段，是將3D模型數(shù)據(jù)按照某一坐標(biāo)軸進(jìn)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(jìn)行構(gòu)建，然后逐層打印，再粘合起來形成一個(gè)實(shí)體的立體模型。

2. 3D打印筆與3D打印機(jī)的比較優(yōu)勢

3D打印筆與3D打印機(jī)相比，在推廣利用上具有明顯的優(yōu)勢：第一，3D打印筆結(jié)構(gòu)簡單、體積小巧，便于攜帶；第二，3D打印筆價(jià)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(jī)的門檻更低；第三，3D打印筆操作系統(tǒng)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(chuàng)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(yōu)化，產(chǎn)品會(huì)做得越來越精致、安全、穩(wěn)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(shù)產(chǎn)品。

三、 3D打印筆教學(xué)應(yīng)用理論依據(jù)

1. “經(jīng)驗(yàn)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(xué)中的視聽方法》一書中提出了“經(jīng)驗(yàn)之塔”理論?！敖?jīng)驗(yàn)之塔”將人們獲得的經(jīng)驗(yàn)分為三大類：做的經(jīng)驗(yàn)、觀察的經(jīng)驗(yàn)和抽象的經(jīng)驗(yàn)。將3D打印筆應(yīng)用于教學(xué)過程中，可以讓學(xué)生自己使用3D打印筆構(gòu)想、打印物體以獲得有目的的直接經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，也可以是教師將抽象的知識(shí)通過3D打印筆進(jìn)行可視化演示展現(xiàn)，以幫助學(xué)生將“做的經(jīng)驗(yàn)”、“觀察的經(jīng)驗(yàn)”和“抽象的經(jīng)驗(yàn)”三者有機(jī)結(jié)合，既拓展了學(xué)生的感覺和知覺，又使學(xué)生的思維能力得到進(jìn)一步發(fā)展。

2. “教學(xué)做合一”理論

“教學(xué)做合一”是我國教育學(xué)家陶行知教育思想的精髓，強(qiáng)調(diào)在“做”上下功夫，在做中教，做中學(xué)，他提倡“做中學(xué)”、反對“坐中學(xué)”。將3D打印筆應(yīng)用于學(xué)科教學(xué)過程中，教師可以在做中教，學(xué)生也可以在做中學(xué)，在加強(qiáng)了師生互動(dòng)的同時(shí)，也解放了學(xué)生的雙手，讓他們動(dòng)手操作、親身體驗(yàn)。

四、 3D打印筆在教育領(lǐng)域的應(yīng)用案例

1. 3D打印筆在中學(xué)數(shù)學(xué)教育中的應(yīng)用

中學(xué)數(shù)學(xué)可以分為代數(shù)和幾何，而幾何當(dāng)中的立體幾何要求學(xué)生要有較強(qiáng)的空間抽象思維，這對大部分學(xué)生來說都是難點(diǎn)。在這部分教學(xué)內(nèi)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(xué)生理解。但平面直觀圖難以讓學(xué)生憑空構(gòu)想出三維幾何體，教具的準(zhǔn)備又需要教師花費(fèi)大量的時(shí)間和精力，且如何保證這些教具不變形、不變質(zhì)也是個(gè)難題，學(xué)生在整個(gè)學(xué)習(xí)過程中的參與性也較低。往往是費(fèi)力不討好，并不能達(dá)到理想的教學(xué)效果。而使用3D打印筆時(shí)，教師只需寥寥幾筆就能在空氣中直接畫出一個(gè)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(xué)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(gè)什么圖像。通過3D打印筆可以將數(shù)學(xué)問題形象化、可視化，不僅培養(yǎng)了學(xué)生的空間思維和抽象思維，也激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了教學(xué)效率。

2. 3D打印筆在中學(xué)化學(xué)教育中的應(yīng)用

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

3. 3D打印筆在中學(xué)地理教育中的應(yīng)用

中學(xué)地理中也有很多知識(shí)點(diǎn)可以利用到3D打印筆幫助教學(xué)。例如，“氣壓帶和風(fēng)帶的形成”是高中地理必修一的教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)之一，課標(biāo)要求學(xué)生能“繪制全球氣壓帶、風(fēng)帶分布示意圖，”但由于缺乏空間想象力，學(xué)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(tǒng)的地球儀繪制三維立體的三圈環(huán)流圖，而且能直觀地看到高空和近地面風(fēng)向的偏轉(zhuǎn)，便于學(xué)生知識(shí)的掌握和空間能力的培養(yǎng)。

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