探討高中3D打印校本課程設(shè)計與應(yīng)用

吳永亮

（江蘇省海門中學(xué)，江蘇海門 226100）

引 言

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展與人們對生產(chǎn)力的不斷追求，3D打印技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。并逐漸滲透到各行各業(yè)，越來越多的人將其視為推動下一次工業(yè)革命最重要的契機(jī)。3D打印不僅僅適用于各個高精尖產(chǎn)業(yè)，更逐漸成了人們?nèi)粘Ｉ钪械氖褂眉寄?。順?yīng)時代潮流，展開3D打印課程迫在眉睫。但是，現(xiàn)如今高中3D打印校本課程的發(fā)展并非一帆風(fēng)順，教師專業(yè)技能薄弱、對3D打印認(rèn)知程度不夠、軟硬件實(shí)力無法支持教學(xué)、教學(xué)內(nèi)容枯燥等問題嚴(yán)重阻礙了3D打印教學(xué)發(fā)展。教師需要不斷充實(shí)自己的專業(yè)技能、審視教學(xué)過程中的痛點(diǎn)、聯(lián)系其他學(xué)科內(nèi)容、豐富教學(xué)方式，真正提高教學(xué)質(zhì)量。

一、提高教師對3D打印認(rèn)識程度與重視程度

3D打印作為一門新興信息化生產(chǎn)技術(shù)，提高相關(guān)教師對其認(rèn)識程度才是保證高中3D打印教學(xué)效果的首要條件。3D打印英文名稱叫作3D print，又被稱作三維打印，是一項(xiàng)20世紀(jì)90年代誕生于美國麻省理工學(xué)院的全新生產(chǎn)技術(shù)。3D打印與傳統(tǒng)打印相比，從打印材料、打印工具到打印流程均大相徑庭，前者打印材料可以是金屬、塑料、化學(xué)纖維等多種性質(zhì)毫無關(guān)聯(lián)的物質(zhì)；打印工具需要專業(yè)的3D建模軟件與3D打印機(jī)；流程主要分為設(shè)計創(chuàng)建三維模型、信息數(shù)據(jù)采集和進(jìn)行打印三個流程[1]。

例如，在實(shí)際的3D打印課程建設(shè)過程中，海門中學(xué)（以下簡稱我校）主要從以下兩個層次發(fā)力，旨在奠定教學(xué)基礎(chǔ)、建設(shè)高效課堂：第一，提高學(xué)科教師專業(yè)技能。教師作為一門學(xué)科教學(xué)效果的主要負(fù)責(zé)人，對3D打印中建模立項(xiàng)、數(shù)據(jù)采集、捏造模型、打印問題處理、計算機(jī)及打印機(jī)維護(hù)等工作的熟練與否直接決定教學(xué)活動能否正常進(jìn)行。例如，在實(shí)際打印過程中，教師對模型導(dǎo)出、打印材料添加等環(huán)節(jié)不熟練，教學(xué)活動將直接癱瘓。第二，硬件設(shè)施的置備。正所謂“磨刀不誤砍柴工”，完備、合適的3D打印硬件設(shè)備是一切教學(xué)活動進(jìn)行的基礎(chǔ)條件，需要學(xué)校至少置備兩臺3D打印設(shè)備。一臺側(cè)重于打印效率，用于課堂教學(xué)與學(xué)生練習(xí)；另一臺側(cè)重于精度，用于教師備課或科研設(shè)計，供建模能力更出眾的學(xué)生使用。

二、分析3D打印教學(xué)痛點(diǎn)，逐步豐富教學(xué)內(nèi)容

3D打印教學(xué)在推廣過程中，主要存在以下三個問題。第一，教師教學(xué)過于隨性，學(xué)生學(xué)不到實(shí)際技能。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)3D打印教師選擇的教學(xué)策略可以概括為“先從網(wǎng)絡(luò)上下載模型，再在課堂上展示下載好的模型；接著進(jìn)行打印供學(xué)生傳閱，剩下時間供學(xué)生自由掌握”，3D打印中最核心的模型創(chuàng)建技術(shù)或3D打印機(jī)的工作原理幾乎只字不提，學(xué)生課上過于散漫、學(xué)不到多少實(shí)用技能，與課程建設(shè)中“培養(yǎng)熟練掌握3D打印技術(shù)的新型人才”的核心要求背道而馳。第二，沒有聯(lián)系傳統(tǒng)學(xué)科，不能給予其他學(xué)科教師幫助。除了培養(yǎng)學(xué)生3D打印技術(shù)之外，該課程另一個重要功能是聯(lián)動其他學(xué)科、打印教學(xué)輔助工具，進(jìn)而達(dá)到降低其他學(xué)科教學(xué)難度、活躍課堂氣氛、提高學(xué)生課堂參與程度的最終目標(biāo)。但是，現(xiàn)階段3D課程因?yàn)榕c其他課程教師溝通不夠或該學(xué)科教師專業(yè)技能不夠，無法完成上述課程目標(biāo)。第三，3D打印設(shè)計知識過于精尖，教師隊(duì)伍缺乏相關(guān)人才[2]。

如在教學(xué)“打印沙漏模型”相關(guān)內(nèi)容時，筆者并不會采取直接網(wǎng)上下載沙漏模型STL文件，然后在建模軟件中打開并展示，最后打印并傳閱的教學(xué)方式，而是選擇在電子課堂從最基本的簡單3D模型創(chuàng)建教起。首先，因?yàn)樯陈┠Ｐ蜎]有過多復(fù)雜性機(jī)械結(jié)構(gòu)與鏤空設(shè)計，所以筆者采用更適合新手上門的犀牛Rhinoceros軟件進(jìn)行講解。在指導(dǎo)學(xué)生建模過程中，首先通過2D繪圖軟件幾何畫板建立一條方程為y=ax2+bx+c的拋物線；然后聯(lián)動學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過的高中數(shù)學(xué)中圓錐曲線與圖形旋轉(zhuǎn)的知識，幫助他們明了沙漏縱切面是拋物線y=ax2+bx+c經(jīng)過景象翻轉(zhuǎn)之后繞垂直翻轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)而得，沙漏的開口大小與二次項(xiàng)系數(shù)a的絕對值|a|呈正比例關(guān)系。這不但可以降低學(xué)生對建模的理解難度，同時圖形結(jié)合的教學(xué)形式更可以幫助學(xué)生復(fù)習(xí)圓錐曲線內(nèi)容。

三、開展多元化教學(xué)方式，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)欲望

3D建模總體上說仍屬于工科的一種，教學(xué)內(nèi)容相對枯燥，特別需要教師豐富教學(xué)形式，展開多元化教學(xué)方式，真正激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)欲望，主要有以下兩種策略。第一，積極與其他傳統(tǒng)課程融合，打破學(xué)科隔閡。正如上文所言，與其他傳統(tǒng)課程融合仍是現(xiàn)階段3D打印最高效的教學(xué)方法與最主要的教學(xué)任務(wù)之一，可以最大限度地降低學(xué)生對3D打印的理解難度與抵觸性。第二，開展3D打印活動，組織興趣小組。正所謂興趣才是最好的教師，因?yàn)?D打印作為校本課程的特性，必然不能占據(jù)過多日常教學(xué)時間，所以教師必須充分利用課下時間，經(jīng)常組織課下教學(xué)活動，指導(dǎo)學(xué)生正確的自學(xué)方法、培養(yǎng)他們對3D打印的熱情，促使他們自己將3D打印“從會到精”。

在實(shí)際教學(xué)中，筆者會將打印任務(wù)努力融入其他學(xué)科內(nèi)容當(dāng)中，一方面提高學(xué)生理解的速度，另一方面打印出的產(chǎn)物還可以輔助該科教師進(jìn)行教學(xué)。具體來講，對于語文學(xué)科，筆者會選擇打印“神舟五號模型”對應(yīng)課文《飛向太空的航程》；對于數(shù)學(xué)科目，筆者會打印“橢圓、球、各類三角形”方便數(shù)學(xué)教師講解圓錐曲線與三角函數(shù)；對于生物學(xué)科，筆者會選擇打印動植物細(xì)胞模型等；對于物理學(xué)科，筆者會打印小車與尖劈幫助教師講解“摩擦力”與“力與運(yùn)動的關(guān)系”；對于化學(xué)學(xué)科，筆者會選擇打印分子模型與原子模型等。

結(jié) 語

總之，高中3D打印是一個多角度的、多層次的教學(xué)活動，必然是未來各層次學(xué)校積極建設(shè)的校本課程之一，特別考驗(yàn)學(xué)校師資隊(duì)伍與教育設(shè)備建設(shè)。新型學(xué)科的推廣不能一蹴而就，需要廣大教師持之以恒地探索、摸索與改良。在新課改的大背景下，3D打印學(xué)科教師需要不斷提高自身專業(yè)素養(yǎng)，真正提高學(xué)生的3D打印技能，推動高中3D打印教學(xué)發(fā)展。