基于3D打印技術的創客教育在初中物理教學中的實踐研究

梁東沃

3D打印技術是一種是以數字模型文件為基礎，運用塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的快速成型技術。2013 年8月，習近平同志在考察3D打印企業時指出，這個技術很重要，要抓緊產業化。在教育領域，特別是中小學基礎教育，3D 打印技術的應用還是一個嶄新的領域。“創客”源于英文單詞“Maker”，是指把自己的想法轉化為現實的人。“創客教育”是指為了解決我國現階段中小學教學體制中創新能力不足的問題，把創客的理念融入課堂教學，實施一系列創客實踐活動提高學生動手能力的教育。

一、基于3D打印技術的創客教育在教學實踐中的應用現狀分析

“基于3D打印技術的創客教育”是指以3D打印技術為技術基礎，在學科教學中踐行創客教育精神的教學方式。在學科教學中，教師首先要結合3D打印技術特點進行具有實踐性的教學設計，通過課堂活動引導學生動手動腦，并通過3D打印把自己的想法變成實物或者運用3D打印設計實驗器材，以便更好的完成課堂實踐活動。目前，只有發達地區的部分學校引進了3D打印技術的教育，而且基本停留在教技術上，還沒有發揮3D打印技術在培養學生創造能力方面的作用。而且3D打印技術對于很多教師都是很陌生的，所有3D打印技術在學科教學中的實踐應用很少。有條件的學校開展了“3D打印創意課程”“3D打印社團”等多種多樣的3D特色課程。學生可以通過這些課程學習3D打印技術，并且把技術和實際結合起來，根據自己的想法進行設計，打印出鑰匙扣、小花瓶、筆筒等設計作品。此外，有些學校鼓勵教師把3D打印技術和學科整合，把抽象的知識變成看得見的具體實物，促進教學效果。例如，小學五年級語文《趙州橋》一課，如果不是趙州橋所在地的學生或者沒有去過趙州橋的學生，就只能通過圖片或視頻來了解趙州橋的結構。3D 打印技術的出現，可以很方便地打印出趙州橋的模型，學生就可以很直觀地觀察、欣賞趙州橋的整體及各個部分的構成。

二、物理教學現狀分析

物理是源于生活的科學，是探索世界改變世界的重要學科，物理課堂應該以實踐為主，培養學生發現問題、提出問題和解決問題的能力。但是，由于“應試教育”的影響，目前的物理課堂普遍缺乏創造性，學生被動接受知識，教師把重點放在如何提高學生學習成績上，卻忽略了激發學生學習興趣，重理論而輕實踐，忽視對學生動手能力的培養。現階段物理課堂以教師講授為主，間隙插入一些物理實驗，在實驗室很多學生面對一堆實驗器材，哪怕是一些簡單的線路連接都感到束手無策，甚至有的同學以“我沒做過”成了他們為自己懶惰找的借口。即使跟著老師步驟完成實驗，但也不明白實驗的原理與意義，過后很快就忘記了，效果不好。

三、基于3D打印技術的創客教育在物理教學中實踐的意義

把3D打印技術運用在物理教學中，可以提升學生學習物理的主動性、培養學生的創新精神、給學生的“學習方式”帶來新的改變。3D打印技術可以讓抽象的物理概念和規律變得具體，可以為學生帶來理論和實踐、知識和思維、虛擬與現實三方面互相結合的全新體驗。具體表現在：1.通過3D打印，把想法變成現實，培訓學生創新思維和實踐能力;2.通過3Done設計軟件，發展學生立體共建思維;3.通過3D打印出來的實物，為學生提供一個新的學習渠道;4.貼近生活的創客活動，提高學生解決問題的能力。同時，3D打印技術可以為教師提供一種新的教學方式，教師可以運用3D打印技術為學生建立“體驗式”的學習中心和知識運用空間。

四、3D打印技術的創客教育在物理教育中的實踐案例

研究如何把3D打印技術應用在物理教育教學中，哪些物理知識點可以運用3D打印技術進行教育教學，如何通過創客活動培養學生的創客精神等問題是當下值得深入研究的。現在針對初中物理如何結合3D打印技術進行創客教育做簡單介紹。

1.八年級上冊第四章光現象創客教育實踐案例

光現象這一章主要內容有光的直線傳播、光的反射、光的折射、平面鏡成像等。在教學中，學生感受到的光現象都是在平面上的，那么在3維立體空間內光現象規律是否與平面的光現象規律一致？教師創設情境、提出問題、激發學生探索興趣，并設計課后探究活動，讓學生以小組形式展開討論和方案設計。教師針對學生提出的設計方案進行點評糾正，引導學生運用3D打印技術設計一個能夠產生立體圓柱光的實驗儀器，自主探索立體光的規律。

2.八年級上冊第六章質量創客教育實踐案例

在質量一課中，學生要理解什么是物質、什么是質量、質量的屬性、質量的測量等知識。在教學中，教師設計創客活動，引導學生運用3D打印技術打印出形狀一樣但大小不同的物體3個，形狀不同但體積一樣的物體3個。在學生完成器材打印后，教師設計探究活動，引導學生通過比較形狀一樣但大小不同的3個物體，用感官感受這三個物體，得出物體是由物質組成，物體含有物質的多少叫質量，大的物體含有物質多，重量也比較重，因此質量也大的結論;學習質量的測量后，引導學生測量形狀不同但體積一樣的3個物體，得出物體的質量與形狀無關，改變位置再次測量，得出質量與位置無關，改變3個物體的溫度，得出物體質量與溫度無關。

3.八年級上冊第七章力學創客教育實踐案例

在八年級上冊第七章，學生需要感知和認識力的概念、力的三要素、力的作用效果、彈力、重力等內容，為后面力與運動的內容打下堅實基礎。在彈力一課中，學生需要理解彈力的概念，彈簧測力計的原理與使用，教師可以設計創客活動，引導學生運用3D打印設計和制作簡易彈簧測力計，在設計和制作過程中，學生了解到彈簧測力計的結構構成、工作原理等。在探究重力一課中，學生通過3D打印重錘和支架，探究重力的方向。

4.八年級下冊第八章摩擦力創客教育實踐案例

在探究摩擦力與什么因素有關的實驗中，學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系。傳統實驗中，我們通過改變滑塊上面的鉤碼個數改變壓力大小、通過在水平面上鋪毛巾改變粗糙程度、通過平放和側方改變接觸面大小。在3D打印技術支持下，教師可以設計創客活動，引導學生運用3D打印技術打印兩面粗糙程度不同的水平板、2個接觸面粗糙程度和接觸面大小一樣但質量不同的滑塊、2個粗糙程度和質量一樣但接觸面積不同的滑塊，運用以上打印出來的實驗器材進行影響摩擦力因素的探究。學生通過自主設計和制作實驗器材，通過自主探索實驗，可以提高學生的動手能力，提高學生的學習興趣，培養學生的創新思維。

5.八年級下冊第十章浮力創客教育實踐案例

物體浮沉條件的探究是重點和難點，也是學生難理解和容易混淆的知識。運用3D打印技術，學生可以打印出質量相同的兩個球，一個空心，一個實心，然后用這兩個球進行實驗，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。

6.八年級下冊第十一章動能和勢能創客教育實踐案例

在動能和勢能的轉化教學中，學生很難理解重力勢能、彈性勢能、動能之間的轉化過程。在傳統教育教學中，教師只能通過PPT和動畫形式進行解釋說明，但是學生沒有親身經歷過也是很難理解。在3D打印技術的支持下，教師可以創設情境，引導學生通過3D打印設計打印并制作滾擺和簡易弓箭模型，通過實物體驗理解能量的轉化過程。例如，當弓箭被拉伸發生彈性形變具有彈性勢能，放手后箭向前飛，彈性勢能轉化為箭的動能。滾擺具有重力勢能，當滾擺下落過程中重力勢能轉化為動能，當滾擺上升過程中動能轉化為重力勢能。經過3D打印出來的實物感受，親身體驗，學生的學習也會事半功倍，學習興趣也會有很大提升。

7.3D打印技術在物理力學課外創客實踐活動的案例

在物理課外實踐活動中，教師經常會舉行“紙橋承重”等創客活動，讓學生用紙和膠水等工具制作一座紙橋，并比試其承受重量。3D打印技術的引入，教師可以讓學生通過3Done設計軟件進行橋梁結構設計，測試不同的橋梁結構承受情況，并通過3D打印機把模型打印出來，作為參考模型。教師也可以用3D打印技術把各種橋梁結構打印出來，作為教學使用。

以上列舉的只是一部分案例，在教育教學中，教師可以根據物理知識的特點，開發更多的課堂創客活動和課外創客活動，充分發揮3D打印技術優勢，提高學生的學習興趣和創新精神，提高教學質量和效率。

五、結束語

3D打印技術是一種新興的生產工具，在工業設計方面已經得到廣泛應用。在教育教學中，特別是創客教育方面也展示出其廣闊的前景，把3D打印技術運用到初中物理教學中的優勢極其明顯。盡管3D打印技術可以幫助教師打印各種教學模型，也可以引導學生進行創新性活動，但也對教師提出更高的要求，教師需要熟練掌握3D打印設計軟件的使用，能夠引導學生運用3D打印技術進行課堂探究。

作為一名一線教師，我們應該大膽嘗試把3D打印技術運用在物理教學，踐行創客教育思想，開啟3D打印技術與學科整合的教與學的探索，確定更適合學科與創客教育相整合的試點，優化教學過程，提升教學質量，為其他學校或教師引入該技術提供成果的案例和有價值的指導。