核心素養導向下3D打印技術在科學教學中的融合策略與實踐探索

【摘" 要】 受到基礎教育持續革新的推動，當前科學教育課程改革的重點已轉向提升學生核心技能。近年來，3D打印技術迅猛發展，引起了眾多教育行業專家的廣泛關注。如何在教學中有效發揮3D打印技術的優勢以提升教學質量，已成為現代教育技術研究中的一個熱點問題。基于此背景，文章以學科核心素養為出發點，探討如何將科學教學與3D打印技術相融合，旨在為相關工作提供參考與借鑒。

【關鍵詞】 核心素養；科學教學；3D打印技術

在科技發展的浪潮中，3D打印技術逐漸成為多個領域關注的焦點。這項技術融合了光學、機械、電子技術、計算機科學、數控技術以及新興材料，堪稱第三次工業革命中的標志性生產設備。3D打印，一種依賴于數字模型文檔并通過逐層累積材料以構建實體的高效生產方式，已經在生物學、醫學和工程等領域贏得了廣泛認可。隨著其技術的不斷成熟，教育領域也逐漸對3D打印技術給予高度重視，探索其在教育中的應用價值和潛力。

小學科學課程的重要性日益突出。小學科學課程作為基礎性強、多樣化和實踐性突出的教育形式，旨在培養學生的科學素養。它不僅傳授知識，更注重能力的提升和個性的塑造。《義務教育課程方案和課程標準（2022年版）》明確指出，將技術與工程融入實際操作中，可以顯著提升學生的研究技能、技術與工程實踐能力，以及自主學習能力。同時，教育工作者也應根據教育需求，在遵循科學原則、確保安全準則的基礎上設計和制造實驗器材。

一、3D打印技術概覽

3D打印，一種基于數字模型的制造技術，通過多層疊加具有強黏附性的材料，將設計理念轉化為實際產品，被視為一種高效的生產方式。與傳統減材制造方法不同，3D打印采用增材制造，避免了原材料的切割和加工。19世紀末，3D打印的概念開始受到關注；到了20世紀80年代，3D打印技術已不再是遙不可及的夢想，相關制造公司也如雨后春筍般涌現。例如，1983年，Charles Hull（查克·赫爾）深入研究了3D打印中的光固化成型技術（SLA），并成功創立了國際知名的3D System公司。1987年，該公司推出了首臺3D打印光固化設備。隨后，在1988年，Scott Crump（斯科特·克倫普）發明了熔融沉積成型技術（FDM），并成立了Stratasys公司，標志著3D打印技術開啟新篇章。美國得克薩斯大學奧斯汀分校在1989年引入了選擇性激光燒結技術（STL），并于1992年正式投入使用。盡管初期3D打印技術成本高昂且技術尚待完善，導致其應用受限；但隨著技術的不斷進步與完善，3D打印已廣泛應用于模具制造、工業設計和產品制造等領域，涉及汽車、航空、航天、食品、建筑、醫療和教育等多個行業。

目前，3D打印成型技術的主導技術包括光固化成型技術（SLA）、熔融沉積成型技術（FDM）、選擇性激光熔化技術（DMLS）以及電子束熔融成型技術（EBM）。其中，熔融沉積成型技術（FDM）應用尤為廣泛，由美國Stratasys公司在20世紀80年代末首次提出。該技術通過噴嘴擠出絲狀熱塑性材料，與已固化材料黏合形成新層，從而構建復雜模型。針對復雜結構，需依賴支撐結構來輔助成型，而打印機附帶的切割程序能自動生成這樣的支撐框架，并逐步完成產品制造。

二、3D打印技術在中小學教育的應用

（一）3D打印技術作為學習的對象

3D打印技術以其高效、創新的制作工藝，在中小學教育領域展現出了巨大的潛力。它不僅能夠幫助學生深入理解3D打印的核心原理，還能激發他們的創造力和想象力，讓他們根據自己的思考和創意來設計和制造模型。以美國弗吉尼亞大學夏洛茲維爾市的小學為例，學生們通過學習3D打印技術，不僅體驗了未來工業的發展方向，還將這項技術融入了課程教學中，如設計和制造彈弓等實踐活動。在中國，隨著3D打印工具的廣泛應用和不斷拓展，越來越多的企業和教育機構開始關注并將其整合到基礎教育教學過程中。例如，廣州海珠區的一所小學在2015年就將3D打印軟件引入了信息科學課程，進行3D打印技巧的教學。此外，上海和田路小學也與多所大學合作，為四、五年級學生開設了名為“虛實創造課程”的3D打印課程。

（二）3D打印技術作為構建學習環境的條件

構造主義強調學習環境對學生知識構建的重要性，而3D打印技術正是一種能夠創造豐富學習環境的工具。它不僅能夠幫助學生迅速制作模型進行實證驗證，還能激發他們的創造力和空間想象能力。通過親手設計和打印三維模型，學生能夠直觀地理解抽象概念，并在實踐中學習設計思維、問題解決等關鍵技能。這種技術與構造主義學習理念的結合，使得學習過程變得更加互動化和體驗化，有助于培養學生的自主學習能力和創新精神。在這個過程中，學生成為積極的探索者和創造者，在與環境的互動中不斷構建和完善自己的知識體系。

（三）3D打印技術融入課程教學

1. 3D打印技術作為協助教學的工具

3D打印技術作為一種輔助教學的工具，在數學、物理、化學和生物等課程中發揮著重要作用。當教師試圖解釋課本中的某些抽象知識點或物品時，3D打印的實體模型能夠為學生提供直觀的感知。例如，在探討分子和質子等微觀結構時，通過3D打印的實體展示，學生能夠更加深刻地理解和記憶這些概念。此外，在生命科學領域，如細胞構造、突觸機制等方面，3D打印技術也有著顯著的應用，極大地增強了教育和學習的效果。這種技術不僅讓學生更深入地理解教育原理，還通過實際操作擴展學生視野、提高學習效果并豐富知識儲備。

2. 3D打印技術改變傳統教學設計模式

3D打印技術的引入徹底顛覆了傳統的教學手段。它不僅增強了教師與學生以及學生之間的互動和交流，還鼓勵他們通過實踐與探索來獲取新知識。教師能夠將傳統的“以授課為中心”的教學手法轉變為“以學習和理解為核心”的方式，強調學生之間的合作與交流。依托于3D打印技術，“學習為中心”的教學模式以預期的問題或項目為導向，鼓勵學生通過團隊協同和獨立思考來獲取知識。這種教學方式為學生提供了一個自由探索的場所和工具，激發了他們的好奇心和創新意識，進一步增強了他們的團隊合作能力。在這種教學模式下，教師既是指導者也是引導者，引領學生在知識的海洋中自由翱翔。

三、3D打印技術在小學科學教學中的應用案例

隨著科技的飛速發展，3D打印技術在小學科學教學中的獨特優勢正在被越來越廣泛地認識和利用。3D打印技術不僅能夠幫助學生將抽象的科學概念具象化，還能激發他們的創造力和實踐能力，使科學學習變得更加生動有趣。以下將詳細探討3D打印技術在“物質科學領域”和“生命科學領域”教學用具開發中的具體應用案例。

（一）“物質科學領域”教學用具的開發

小學階段“物質科學領域”的學習是學生建立科學基礎認知的關鍵時期，涵蓋了從基本的物體認知到復雜的物理現象探索等多個方面。3D打印技術的引入，為這一領域的教學帶來了革命性的變化。

1. “杠桿的科學”課程創新

在“杠桿的科學”這一經典物理課程中，傳統教學方法往往依賴于靜態圖片、文字描述或簡單的實物演示，難以讓學生全面理解杠桿的工作原理及其在實際生活中的應用。而通過3D打印技術，教師可以引導學生分組設計并打印出各種杠桿模型，如蹺蹺板、滑輪組等。學生在設計過程中需要考慮杠桿的長度、支點位置、力臂比例等因素，這不僅加深了他們對杠桿原理的理解，還鍛煉了他們的團隊協作能力和創新思維。完成設計后，通過實際制作和團隊比賽，學生能在實踐中發現問題、解決問題，進一步鞏固所學知識。

2. “動態與摩擦”課程實踐

“動態與摩擦”課程中，摩擦力是一個抽象且難以理解的概念。利用3D打印技術，學生可以親手制作不同材質、不同表面粗糙度的測試塊，以及不同重量的物體，通過控制變量法，系統地探究摩擦力與接觸面材料、物體質量、接觸面積等因素的關系。這種直觀的實驗方式，讓學生能夠從實踐中總結出摩擦力的規律，比單純的理論講解更能激發學生的探索興趣和理解深度。

3. “物體分類”課程的豐富化

在“物體分類”教學中，傳統教學方法受限于實物樣本的獲取，往往難以覆蓋所有類別。而3D打印技術則打破了這一限制。教師可以根據教學需求，從網絡上獲取或自行設計各種物體的3D模型，如不同種類的巖石、化石、動植物標本等，然后打印出來供學生觀察、分類。這不僅極大地豐富了教學材料，還使得分類活動更加精確、高效，幫助學生更好地掌握物質的特性和分類標準。

（二）“生命科學領域”教學用具的開發

生命科學領域的教學內容豐富多樣，涉及植物、動物、昆蟲以及細胞等多個層面。3D打印技術的應用，為學生提供了前所未有的學習體驗。

1. “探索某種植物”的深度學習

在植物學教學中，學生通過3D打印技術可以獲得植物的精確復制品，包括根系、莖干、葉片乃至花朵的詳細結構。這些模型不僅可以幫助學生從微觀到宏觀全面觀察植物，還能通過拆解和重組，深入理解植物的生長機制、光合作用等生理過程。此外，對于難以在自然環境中觀察到的稀有或滅絕植物，3D打印技術也能提供寶貴的模型資源，拓寬學生的知識視野。

2. “我們如何感受到聲音”的聽覺探索

在聲學教學中，理解人類聽覺系統的結構是理解聽覺原理的基礎。通過3D打印技術，學生可以親手制作耳朵內部結構的模型，包括外耳、中耳、內耳以及聽小骨等關鍵部分。通過觀察和觸摸這些模型，學生能夠直觀地理解聲音如何被捕捉、傳導并最終轉化為神經信號的過程，從而加深對聽覺機制的理解。

3. “人體消化系統”的直觀教學

消化系統是人體生理學教學中的重要內容，但其復雜的管道、器官結構和功能關系僅憑文字和二維圖像難以全面展示。利用3D打印技術，教師可以制作人體消化系統的模型，包括胃、腸、肝臟、胰腺等關鍵器官。學生可以通過組裝這些模型，模擬食物的消化過程，直觀感受食物從口腔到排出體外的整個過程，極大地提高學習的趣味性和有效性。

四、3D打印技術在小學科學自制教學用具中的應用建議

首先，確保3D打印器材的安全操作至關重要。在將3D打印技術應用于小學科學教學中時，安全性應成為首要考慮因素。建議學校設立專門的三維打印機實驗室，并選購既適合小學生使用又具備高安全性的設備。同時，組建專業的實驗小組負責實驗室的日常管理和維護。在正式啟用3D打印機前，教師和學生都應接受全面的安全培訓，熟練掌握相關安全操作規程，以有效降低操作過程中可能遇到的燒傷、劃傷或漏電等風險。學生應在實驗教師的指導下操作3D打印機，確保操作準確無誤，嚴禁隨意更改設置或挪動3D打印設備，以保障學生作為操作員的安全。

其次，3D打印技術的色彩豐富性和可組合性為教學用具的制作提供了無限可能。利用這一技術，教師可以制作色彩多樣、形態各異的教育資料，不僅還原物品的真實面貌，為學生提供直觀的感知，還通過讓學生觀察模型，提升學生的審美鑒賞能力。此外，3D打印技術還能輕松制造出復雜的組件，并為學生提供一種直觀的拆裝方式，幫助他們更深入地了解物品的整體結構和各部分之間的聯系。

最后，應積極鼓勵學生參與3D打印技術的創新與生產流程。3D打印技術在小學科學教育中的應用不僅限于教學用具的研發，更應貫穿于整個教學活動之中。為了培養學生的創新思維、工程分析能力和藝術鑒賞力，建議采用項目化學習策略。通過設定真實的問題情境，引導學生參與小組討論、草案繪制和3D建模等環節，激發他們對3D打印技術的興趣和熱情。同時，科學教育者需要深入掌握3D模型構建的核心原理，熟悉三維設計工具的使用方法，并為學生提供有針對性的指導和建議，助力他們在3D打印的海洋中自由翱翔、創新成長。

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