將3D打印技術(shù)運用于高中地理教學(xué)

盛啟紅

【摘 要】3D打印已經(jīng)可以精準(zhǔn)地分出地形、水體、地貌和地勢特征。在制作繁雜的社會城市結(jié)構(gòu)或自然地理結(jié)構(gòu)模型時，傳統(tǒng)的地理模型制造工藝相當(dāng)耗費人力、物力，成本高，周期長，要求制作人員有非常精湛的技藝水平。3D打印技術(shù)在地理教學(xué)中將發(fā)揮非常重要的作用。

【關(guān)鍵詞】3D打印;高中地理;地理教具;地理模型;三維數(shù)據(jù)

3D打印即快速成型技術(shù)的一種，是一種基于數(shù)字模型文件，運用可黏合的塑料或粉末狀金屬等材料，通過3D成型設(shè)備，以材料疊加的方式生成的實物模型。也就是說，3D打印機是能夠打印出真實物體的一種設(shè)備。因而，3D打印技術(shù)在地理教學(xué)中將發(fā)揮非常重要的作用。

一、打印3D地形圖

3D打印應(yīng)用于地理教學(xué)的關(guān)鍵之處，在于對地理模型三維數(shù)據(jù)的設(shè)計。要打印出精準(zhǔn)的地理模型，先要建設(shè)完善的地理模型數(shù)據(jù)庫。目前，獲得三維地理數(shù)據(jù)的主要途徑有三種，一是對實物進(jìn)行三維掃描;二是運用MAX等三維軟件設(shè)計地理模型;三是直接從衛(wèi)星提供的3D影像數(shù)據(jù)庫中導(dǎo)出三維DEM（數(shù)字高程模型圖），或運用GIS軟件導(dǎo)入3D打印機兼容的文件，直接打印模型，如果是大范圍的地理結(jié)構(gòu)圖，可采取分段分塊的方式，將地理模型逐塊打印，再拼接到一起。

二、制作地理教具

目前，地理教學(xué)常用的工具和儀器由專門的教學(xué)設(shè)備制作工廠制作發(fā)行。傳統(tǒng)地理教學(xué)模型制作過程中，多采用手工制作、模型加工或鑄模方法，其生產(chǎn)速度均很緩慢，成本較高昂，多媒體課件中展示的教學(xué)內(nèi)容也無法使學(xué)生直接接觸和觀察三維實體。3D打印地形圖僅需幾小時即可輸出高質(zhì)量的地理模型，如平原、城區(qū)和山地等，成本低廉。教師可通過有形的三維格式展示教科書中提取的二維信息，并可設(shè)計個性化的教學(xué)模型以適應(yīng)教學(xué)內(nèi)容的變化。

3D打印無須經(jīng)過機械加工或模具生產(chǎn)過程，就可從計算機圖形數(shù)據(jù)中生成任意形狀的物體，因此可廣泛使用于地理教學(xué)模具的制作。教師可根據(jù)課程需要，自己設(shè)計、打印教具。如制作增強型的立體教具、學(xué)具，制作等高線判讀模型、褶皺與斷層模型、火山模型、喀斯特地貌模型、海底地形模型等。

可視化教具對提高地理教學(xué)效率有顯著促進(jìn)作用。傳統(tǒng)教學(xué)場景下，教師多使用語言、圖片和視頻描述教學(xué)內(nèi)容，較少配備或無法定制形象直觀的立體教具，多數(shù)教師也都缺乏制作或設(shè)計教具的工具和能力。3D打印技術(shù)可提供更多的創(chuàng)造空間，教師可自行制作某些教具并在課堂上展示，學(xué)生也可觀察、觸摸和組裝這些教具，這種方式顯然要比傳統(tǒng)的教學(xué)效果更好。另外，將3D打印技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)時，只要共享所設(shè)計的文件，這些模型就可以在教師甚至是學(xué)生之間分享，充分發(fā)揮其作用。

如在學(xué)習(xí)高中地理（人教版·必修1）第四章“地表形態(tài)的塑造”這一內(nèi)容時，由于學(xué)生的生活經(jīng)驗有限，其對許多地形地貌都不了解，簡單依靠圖片無法形成完整的認(rèn)知。這時教師就可以利用3D打印技術(shù)，快速打印出上課所需地形地貌的微縮模型，如冰川、角峰、冰斗等。

又如，在學(xué)習(xí)背斜和向斜相關(guān)知識時，許多學(xué)生對于背斜巖層“中間老，兩翼新”、向斜巖層“中間新，兩翼老”理解不透徹。教師可利用3D打印機打印出背斜、向斜地形的縱剖面模型，并在剖面上刻出相間的槽痕，規(guī)定不同顏色代表不同地質(zhì)年代的巖層，讓學(xué)生根據(jù)巖層新老給剖面上的槽痕上色。由于3D打印機可快速成型，模型材料成本低，教師可打印出較多模型分發(fā)給學(xué)生。

再如，山地地形類型多樣，包括山谷、山脊、山麓、沖積扇等。這幾種地貌分布在山地的不同地段，各自特點和形成原因也不盡相同，學(xué)生容易混淆。采用3D打印技術(shù)打印出山地地形的模型，可幫助學(xué)生更近距離地直觀認(rèn)識這幾種地貌。

由于安全、時間等因素的限制，有些課外實踐活動學(xué)生無法實地進(jìn)行，這時教師就可運用3D打印技術(shù)將原定實踐目的地打印出來，讓學(xué)生更直觀地感受并參與到活動中。三維立體實物相對于二維圖片或視頻而言，更具吸引力，也更能激發(fā)學(xué)生探索的興趣。

教師還可以帶領(lǐng)學(xué)生開展“3D打印三維校園地圖”“設(shè)計家園別墅”等活動，能大大激發(fā)學(xué)生設(shè)計的興趣;3D打印將學(xué)生的構(gòu)思轉(zhuǎn)變?yōu)檎鎸嵉牧Ⅲw彩色模型，把抽象的概念和設(shè)計帶入現(xiàn)實生活中，使學(xué)習(xí)活動更為生動，能有效激發(fā)學(xué)生實踐的積極性，提高學(xué)習(xí)熱情。這個過程需要學(xué)生的實踐操作，從設(shè)計到打印都由學(xué)生自主參與完成，有利于促進(jìn)其操作能力、觀察能力和制作能力的發(fā)展，進(jìn)而全面提高動手能力和參與能力。在實踐學(xué)習(xí)活動過程中，學(xué)生的動手能力、設(shè)計能力和創(chuàng)新能力等得到全面發(fā)展和提高，這是推動學(xué)生創(chuàng)新精神和創(chuàng)造能力發(fā)展的重要環(huán)節(jié)，對培養(yǎng)創(chuàng)新型人才具有積極意義。

三、為教師教學(xué)效果及學(xué)生學(xué)習(xí)效果提供實時互評的依據(jù)

例如，在學(xué)生學(xué)習(xí)“中國黃土高原水土流失的治理”一課后，教師可讓學(xué)生設(shè)計水土流失的治理方案，并運用3D打印技術(shù)將設(shè)計成果打印出來，進(jìn)行交流，教師評價后提出改進(jìn)建議。通過這種方式檢測教師教學(xué)效果和學(xué)生學(xué)習(xí)效果，并改進(jìn)教學(xué)方式。又如，通過讓學(xué)生聯(lián)系課堂知識，設(shè)計并動手打印“黃土高原特征”三維模型，可將抽象的知識變成有趣的動手實踐，幫助學(xué)生更好地掌握復(fù)雜抽象的知識。

目前，3D打印在我國地理教學(xué)中少有應(yīng)用，原因主要涉及設(shè)備造價較高，成型件多為樹脂類，剛度、強度、耐熱性有限;數(shù)字模型預(yù)處理軟件與驅(qū)動軟件運算量大，軟件系統(tǒng)操作復(fù)雜，入門困難等諸多限制性條件，但筆者相信，隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，必將給高中地理教學(xué)帶來全新的面貌。

【參考文獻(xiàn)】

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（作者單位：西藏林芝地區(qū)第一中學(xué)）