地理學科視角下3D打印創新課程資源的開發實踐

摘 要：在中學教育階段，3D打印創新課程普及率相對較低，在實踐中面臨著諸多難題，課程資源不足、學生創新能力不足等問題尤為突出。開封市某中學在3D打印課程資源開發的過程中，將地理節日作為整個課程開發的突破口，形成了一套以地理視角為主導的高效課程開發模式。地理學科具有綜合性強的特征，可促進學科知識的交叉融合，激發學生的創造力，同時可作為3D打印技術走進各學科教學的中轉站，對3D打印課程的開發有很大的啟示意義。

關鍵詞：3D打印;創新課程;課程資源開發;初中地理;地理節日

中圖分類號：G4 文獻標志碼：A 文章編號：2096-0069（2019）02-0078-04

收稿日期：2019-01-21

基金項目：河南省教育科學“十三五”規劃電化教育專項課題“地理節日為主題的3D打印教學資源開發研究”（〔2017〕-JKGHDHZX-095）

作者簡介：賈海軍（1973— ），男，河南濟源人，中學高級教師，研究方向為地理教育。

一、引言

3D打印創新課程是以計算機數字模型設計為基礎，通過3D打印設備來構造物體的創新設計課程，屬于STEM教育、創客教育的重要組成部分。3D打印技術在我國教育領域的應用目前尚處于初級階段，一些高校正在建立公用的創客空間來普及這項技術。在中學教育階段，3D打印創新課程普及率相對較低，在實踐中面臨著諸多難題。

首先，缺乏專職的任課教師和足夠的課程資源。3D打印活動課對任課教師的教學能力和知識面要求極高。教師不僅要有從事3D創新教學的熱情、時間和精力，而且要具備信息技術能力、社會實踐活動課的組織能力以及各學科知識綜合運用能力。課前要精心設計活動場景。在授課過程中要改變傳統授課方式，成為學生活動的輔助者和引導者;在活動開展過程中，要善于協調小組內和小組間的各種關系;在活動結束后，要對學生進行恰當的合理的評價。目前，3D打印活動課任課教師的培訓尚處在摸索實踐階段，普遍缺乏有針對性的培訓資源，尤其缺乏足夠的可以借鑒的案例。

其次，中學生缺乏自主學習的時間，自主學習的能力較差。3D打印創新設計活動是一種實踐性很強的創造性活動，活動內容具有很強的綜合性，需要跨領域、跨學科的知識整合，需要學生對自己不知道、不了解的知識進行課下學習，要求學生自覺地將自己的學習范圍不斷地擴大，采用多種方式、多種工具獲得學習資源，自覺地從多學科、多層面探究學習。許多學生缺乏自主學習的動力和能力，致使許多創新設計活動事倍功半，甚至半途而廢，不能達到教師所設定的項目活動目標和能力培養目標[1]。

最后，學生普遍缺乏創新思維能力。由于多種因素的影響，目前中學生普遍缺乏創新思維、創新能力和創新意識，學生設計的作品普遍缺乏新穎性、前瞻性，多數學生只能完成教師硬性規定的作業。學習運用3D打印技術可以充分鍛煉學生的動手能力、設計能力和思維能力等，有利于培養創新型人才，對促進學生創新精神和創造能力的發展具有積極的意義。

二、3D打印課程資源開發的研究和探索

為了解決3D打印課程資源不足的問題，為了更好地激發學生學習3D打印技術的興趣，開發學生深層次的創造力，同時也為了促進3D打印技術與中學各學科的教學相結合，開封地區某中學進行了一系列的3D打印校本課程的開發。

2017年6月，開封地區某中學數據中心建立3D課程開發課題組，著手課程的研發工作，課題組主要成員由學科教師與3D創客教師共同組成。

在以往的3D打印教學實踐中，教師普遍感到最急需的是具有一定數量的、具有可操作性的教學案例，經課題組成員共同研討，確立了一個中心、六個步驟的整體思路。課題組把案例設計作為整個課程研發的中心，并以此為中心制定了六個研發步驟：資料搜集—尋找學科結合點確立主題—分頭設計—具體實施—學生反饋—總結報告。

（一）課程的開發目標

建立3D打印電子資源庫，編寫3D打印主題活動教材，形成具有本校特色的校本課程資源，嘗試建立一套有關3D打印課程資源高效開發模式。

（二）課程開發的三維模式

該課程開發模式有三個主要的視角：地理節日視角、研究性學習視角、3D打印視角。以地理節日為突破口，篩選重組與生活實踐中密切相關的地理學科知識和原理，并從研究性學習的角度重新審視這些知識和原理，以知識和原理為基礎，開發3D打印教學資源，并在實踐中探尋一些具體可行的操作模式，提供一些有價值的教學案例。

1.地理節日視角

以地理節日為突破口，尋找社會熱點，拓展課程資源的廣度和深度。地理節日是指與地理知識密切相關的節日和紀念日[2]。為引起全社會對資源、環境、人口、貧困、災害等問題的關注，國際組織和各國政府設立了許多相關節日，如世界濕地日、世界林業節、國際生物多樣性日、中國水周等，這些節日與地理學科所研究的問題密切相關，可通稱為地理節日。這些節日不僅與地理學科知識的關系十分密切，而且與其他學科知識也有千絲萬縷的聯系。這些節日不僅數量十分可觀，而且往往是與國計民生相關的重點問題，可以進行深度挖掘。

2.研究性學習視角

綜合學科知識和原理，尋找學科交叉點和創新點，引導學生的創造性思維。研究性學習是以科學研究為主的課題研究活動，不再局限于對學生進行純粹的書本知識傳授，包括社會調查、搜集資料、制訂研究計劃、撰寫研究報告等一系列過程。

3.3D打印視角

依托3D打印，讓學生充分發揮想象，激發學生的創造熱情。3D打印本身對學生有很強的吸引力，為學生的學習活動開辟了一個全新的空間，可以有效地激發學生實踐的積極性和DIY興趣。在課程設計中要有意識地篩選那些適合3D打印的題材和內容，尋找那些有利于激發學生想象力和創造力的主題。

（三）課程開發的初步成果

課題組經過一年多時間的努力，所開發的3D打印課程資源已經初具規模。課程內容不僅包括指導學生運用3D技術打印各種作品，還包括指導學生運用3D打印技術開展研究性學習。

1.形成一系列的教學案例和課件

在實際教學中，課題組成員密切聯系教學實際，努力將一些地理節日及傳統文化融入日常課堂教學，取得了較好的效果，并形成了3D打印技術基礎課程、二十四節氣與太極圖創意設計、3D打印春節等一系列典型課例。

2.初步建立3D模型庫

3D模型的設計十分耗時耗力，學生在兩個小時內未必能完成一件理想的作品。為了提高課堂效率，課題組成員在教學過程中搜集、下載、自行設計了近千個3D數字模型，作為學生課堂活動的公用資源庫。學生在課堂活動中可在資源庫中查詢并導入3D模型，并在原有模型的基礎上按照自己的想法加以改造。為了提高學生的查詢速度，課題組成員對3D模型進行了歸類整理，大體包含五個部分，即基礎模型部分、生活用品部分、文物藝術部分、建筑部分、地形園林部分，每個部分還有更詳細的分類。此外，還建立了專門的學生優秀作品集，以激勵學生積極參與。

3.編寫完成教材《3D打印中華傳統節日》

該教材以傳統節日、3D打印、創意設計為主要內容，三者密切結合，融于一體。教材主體結構以傳統節日為主線，引導學生了解傳統節日的特點以及相關的文化習俗，探究其背后蘊含的科學原理;以五個3D打印案例為主體，由易到難，層層遞進，培養學生3D打印的基本操作技能，引導學生在深入探究的基礎上進行創意設計;教材圖文結合，通俗易懂，適合中學生學習。

隨著課程資源的不斷豐富，參與的學生數量不斷增多，學生的創新能力和創新意識不斷增強。學校兩支3D創客社團隊伍在全國第二屆青少年創客活動中雙雙取得“3D打印創新設計”一等獎。

三、 地理視角對3D打印課程資源開發的特殊意義

課題組在3D打印課程資源開發的過程中，將地理節日作為整個課程開發的突破口，是課程開發工作得以快速、高效開展的重要保證。通過課程資源的開發，我們得到了如下幾點經驗和啟示。

第一，地理節日數量眾多，為3D打印課程的開發提供豐富的可選擇的題材。地理課程本身具有綜合性強、實踐性強、涉及面廣等特點，為3D打印創新課程的開發提供了豐富的資源和視角[3]。課題組之前曾經做過關于地理節日與研究性學習的相關研究，在課程開發之初，根據3D打印教師的要求，迅速提出了一整套備選方案（見表1）。備選方案由6個專題和20多個備選項目組成。經3D打印教師綜合篩選，最后選擇春節、中秋節、二十四節氣與太極圖模型、大禹治水模型等題材為第一批重點活動項目。

第二，地理學科具有綜合性強的特征，可促進學科知識的交叉融合，激發學生的創造力。地理學科屬于一門綜合性的科目，兼具綜合性和地域性的特點，地理學科在形成和發展過程中涉及眾多學科的基本知識和基本原理，是連接各學科的天然紐帶和橋梁。地理學科內容包含自然地理、人文地理和區域地理三大主體部分，自然地理部分與物理、化學、生物等學科有密切的關聯，人文地理部分與經濟、人口、城鎮建設等生產生活實踐有密切的關聯，重大歷史事件和現實熱點問題往往都有其相關的區域地理背景。地理學科的綜合性特征有利于培養學生的綜合思維能力。

“猴面包樹模型制作”是一個典型的例子。猴面包樹是熱帶草原氣候區的一種較為典型的樹種。熱帶草原氣候分為明顯的干季和濕季，在干旱季，多數植物因缺水嚴重枯黃，但是猴面包樹可以在體內的空隙儲存大量的水分來應對缺水問題。學生在研究猴面包樹的過程中不僅要理解其儲水原理，還要綜合研究其生存的自然環境和社會環境;不僅要研究相關的地理學科知識，還涉及生物和化學等方面的知識。在綜合研究性學習過程中，許多創造性的觀點被提出。有些同學提出“利用猴面包樹的儲水原理來發展干旱地區的農業”的創新方案，該方案不僅具有創新性，而且還有一定的實用價值。

第三，地理學科密切結合社會現實，從地理視角開發3D打印課程，有助于提高3D打印課程的實用性。地理科學研究的中心問題是人地關系，整個地理知識以人地關系為主線，突出資源、環境、人口、發展、災害五大主題，可充分激發學生主動參與的動力。

第四，地理學科可以作為3D打印技術走進各學科教學的中轉站。目前3D技術在各學科教學中的推廣應用尚處在摸索階段，普及面很窄，推廣過程中遇到了許多困難。從地理課程本身綜合性強，具有天然的橋梁紐帶作用，從地理角度開發的教學資源有助于將3D打印技術融入學科教學實踐活動過程中，有助于3D打印技術在教學中更廣泛地推廣和應用。

開封地區某中學3D打印課程的開發以地理節日為突破口，以地理視角為紐帶，這種做法對類似的創新課程的開發有著重要的啟示意義。

參考文獻

[1]徐頌凱.基于項目學習的創客活動設計研究[D].開封：河南大學，2018.

[2]夏煥春.“地理節日”的教學應用[J].中學地理教學參考，2007，（11）： 44.

[3]丁玉華.結合地理節日促進地理教學[J].中學地理教學參考，1994，（2）：34.

（責任編輯 孫震華）

Abstract： At the stage of middle school education， the popularization rate of 3D printing innovation curriculum is relatively low.In practice，it faces many problems， such as inadequate curriculum resources and students’inadequate innovation ability.In the process of developing 3D printing curriculum resources in a middle school in Kaifeng，the geographical festival is regarded as the breakthrough of the whole curriculum development，and a set of highly effective curriculum development model with geographical perspective as the leading factor has been formed.Geography has comprehensive characteristics，which can promote the cross-integration of subject knowledge and stimulate students’creativity.Meanwhile，it can also be used as a transfer station for 3D printing technology to enter the teaching of various disciplines.Therefore， the geographical perspective has strong enlightenment implications for the development of 3D printing curriculum.

Key words： 3D printing;innovative courses;curriculum resources development;junior high school geography;geographical festivals