用3D打印技術自制教具

彭容莉

小學科學課程標準指出，應將探究活動作為學生進行科學學習的重要方式，強調從真實情境（學生的日常生活）出發，通過親歷手腦并用等實踐活動，提高學生的科學能力、科學態度、合作能力。基于3D打印技術制作“探究古箏發聲”的教具，能在真實探究古箏發聲的情境中，激發學生的動機和認知沖突，提高探究的科學性。

杜威在其經驗論基礎上提出“兒童中心”“經驗中心”“活動中心”觀點，也就是從學生的生活實際出發，讓學生在不斷探索中學到直接經驗。真實情境的探究也需要符合情境的科學教具來輔助，如果在學生的探究過程中，實驗器材脫離情境，那么學生的探究就又回歸于傳統教學中的知識驗證性活動。而教師在設計創新教具時，也會因為選材難度、耗時、成本、技術等問題望而卻步：有些教具可以做出來，但使用率、保存度不高;有的教具因為材料拼接難度大而無法做出。

3D 打印技術的介入，帶來了新技術、新模式。基于 3D 打印的小學科學學習是一種任務和問題驅動下的體驗式學習，通過親手“做”，3D 打印出最合適的教具，提高學生的探究興趣和探究效果。

一、觀察生活與教材，結合3D打印技術創設真實情境

聲音的高低在生活中的應用十分廣泛，其中不同的樂器、音樂表現得最為突出。我在執教蘇教版四年級《不同的聲音》一課時，調查了四年級學生學習樂器的情況，結果顯示100%學生學習豎笛（音樂課），近20%的學生學習管弦樂。學生通過學習《聲音的產生》后明白了樂器的發聲原因，但卻不能明白樂器發出高低不同聲音的原理，多數回答為是琴鍵、琴弦的振動發聲。因此，基于學生的認知沖突，選擇“古箏”這一樂器作為探究對象，創設真實情境任務：探究古箏演奏的秘密。

情境的創設應能讓學生產生認知沖突，從而更有效地激發學生的探究動機。從學生的經驗出發，通過自主建構探究方案、探究活動、探究結論，幫助學生增強科學經驗，將其遷移到日常生活中，解釋現象或創造。

二、分析情境與實物，使用3D打印技術設計合適模型

在教學聲音高低的影響因素這一課時，傳統教具多數為粗細不同的鋁管、長短不同的鋁片以及橡皮筋。科學分析這幾種傳統教具，缺陷表現為：鋁管、鋁片的松緊不可變;橡皮筋則更缺乏科學性，橡皮筋的粗細、長短以及松緊不能科學地控制，因此，其與對比實驗中的控制變量要求極不相符。

而古箏的琴弦為鋼弦，一般不太容易發生形變，既能研究粗細、長短因素，又能研究松緊因素，同時還與創造的情境相符合，因此利用古箏琴弦設計一款教具，更有利于學生的批判性思維和邏輯性思維發展。

圖1為用電焊燒制鋼筋形成琴弦固定框架。由于琴弦材質為鋼元素，硬度較大，延展性和彈性低，但又只能用打結的方式進行固定，所以，這樣的教具琴弦無法達到相對緊繃的狀態。學生在匯報探究結果時，出現了很多結論，不利于學生探究出古箏演奏的科學原理。圖2為利用3D打印建模，設計框架，在其中的一根框架上留下兩個孔，大小可以穿過一根螺絲，通過模擬古箏穿線的方法，將琴弦繞在螺絲上，穿過孔，另一端用螺帽固定，旋轉螺絲和螺帽來調節琴弦的松緊。

三、教具使用與改進，分析3D打印技術形成反思

（一）突破傳統教具的局限性

將傳統教具（鋁管、橡皮筋）、一般技術教具（電焊燒制）和3D打印教具進行對比，可以發現3D打印教具能突破傳統教具的局限性。傳統教具本身容易脫離教師為學生創設的情境，因此自制教具早就成為小學科學教師的一門技術，但工藝制作對教師尤其是年輕教師來說困難太大。當今社會的青年教師在電腦技術上的學習能力卻高得多，3D打印教具只需要將作品建好模，剩下的就交給打印機完成，不僅節省了成本還節省了時間。

（二）培養學生的批判性思維

批判性思維具有分析性、策略性和正確性等特點。學生在探究古箏演奏秘密的情境任務中，首先能區分物體振動發聲和改變聲音高低的不同，再通過不斷地分析問題，觀察古箏的結構特點，根據原有的知識結構和觀察結果在腦中構成相應的假設、設計以及方案。將傳統教具的實驗結果和3D打印教具的實驗結果進行對比，可以明顯發現在少了松緊的干擾因素下，學生的結論更接近真實原理。從而學生也能解釋吉他、豎琴、小提琴等樂器的演奏原理，并能對鋁片琴、鋼琴等不同材質的樂器演奏原理進行知識經驗的遷移。

自制教具在教學中能提高學生的綜合素質能力，隨著科學技術的發展，技術支持的學習情境也得到了更新和進步。3D打印技術已經在小學教育中廣泛滲透，教師應將3D打印充分運用到教學中來，提高教學質量。