基于3D打印技術(shù)的創(chuàng)客教育在初中物理教學中的實踐研究

梁東沃

文/江門市怡福中學

3D打印技術(shù)是一種是以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的快速成型技術(shù)。2013 年8月，習近平同志在考察3D打印企業(yè)時指出，這個技術(shù)很重要，要抓緊產(chǎn)業(yè)化。在教育領(lǐng)域，特別是中小學基礎(chǔ)教育，3D 打印技術(shù)的應用還是一個嶄新的領(lǐng)域?！皠?chuàng)客”源于英文單詞“Maker”，是指把自己的想法轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實的人。“創(chuàng)客教育”是指為了解決我國現(xiàn)階段中小學教學體制中創(chuàng)新能力不足的問題，把創(chuàng)客的理念融入課堂教學，實施一系列創(chuàng)客實踐活動提高學生動手能力的教育。

一、基于3D打印技術(shù)的創(chuàng)客教育在教學實踐中的應用現(xiàn)狀分析

“基于3D打印技術(shù)的創(chuàng)客教育”是指以3D打印技術(shù)為技術(shù)基礎(chǔ)，在學科教學中踐行創(chuàng)客教育精神的教學方式。在學科教學中，教師首先要結(jié)合3D打印技術(shù)特點進行具有實踐性的教學設(shè)計，通過課堂活動引導學生動手動腦，并通過3D打印把自己的想法變成實物或者運用3D打印設(shè)計實驗器材，以便更好的完成課堂實踐活動。目前，只有發(fā)達地區(qū)的部分學校引進了3D打印技術(shù)的教育，而且基本停留在教技術(shù)上，還沒有發(fā)揮3D打印技術(shù)在培養(yǎng)學生創(chuàng)造能力方面的作用。而且3D打印技術(shù)對于很多教師都是很陌生的，所有3D打印技術(shù)在學科教學中的實踐應用很少。有條件的學校開展了“3D打印創(chuàng)意課程”“3D打印社團”等多種多樣的3D特色課程。學生可以通過這些課程學習3D打印技術(shù)，并且把技術(shù)和實際結(jié)合起來，根據(jù)自己的想法進行設(shè)計，打印出鑰匙扣、小花瓶、筆筒等設(shè)計作品。此外，有些學校鼓勵教師把3D打印技術(shù)和學科整合，把抽象的知識變成看得見的具體實物，促進教學效果。例如，小學五年級語文《趙州橋》一課，如果不是趙州橋所在地的學生或者沒有去過趙州橋的學生，就只能通過圖片或視頻來了解趙州橋的結(jié)構(gòu)。3D 打印技術(shù)的出現(xiàn)，可以很方便地打印出趙州橋的模型，學生就可以很直觀地觀察、欣賞趙州橋的整體及各個部分的構(gòu)成。

二、物理教學現(xiàn)狀分析

物理是源于生活的科學，是探索世界改變世界的重要學科，物理課堂應該以實踐為主，培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題和解決問題的能力。但是，由于“應試教育”的影響，目前的物理課堂普遍缺乏創(chuàng)造性，學生被動接受知識，教師把重點放在如何提高學生學習成績上，卻忽略了激發(fā)學生學習興趣，重理論而輕實踐，忽視對學生動手能力的培養(yǎng)?，F(xiàn)階段物理課堂以教師講授為主，間隙插入一些物理實驗，在實驗室很多學生面對一堆實驗器材，哪怕是一些簡單的線路連接都感到束手無策，甚至有的同學以“我沒做過”成了他們?yōu)樽约簯卸枵业慕杩?。即使跟著老師步驟完成實驗，但也不明白實驗的原理與意義，過后很快就忘記了，效果不好。

三、基于3D打印技術(shù)的創(chuàng)客教育在物理教學中實踐的意義

把3D打印技術(shù)運用在物理教學中，可以提升學生學習物理的主動性、培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神、給學生的“學習方式”帶來新的改變。3D打印技術(shù)可以讓抽象的物理概念和規(guī)律變得具體，可以為學生帶來理論和實踐、知識和思維、虛擬與現(xiàn)實三方面互相結(jié)合的全新體驗。具體表現(xiàn)在：1.通過3D打印，把想法變成現(xiàn)實，培訓學生創(chuàng)新思維和實踐能力；2.通過3Done設(shè)計軟件，發(fā)展學生立體共建思維；3.通過3D打印出來的實物，為學生提供一個新的學習渠道；4.貼近生活的創(chuàng)客活動，提高學生解決問題的能力。同時，3D打印技術(shù)可以為教師提供一種新的教學方式，教師可以運用3D打印技術(shù)為學生建立“體驗式”的學習中心和知識運用空間。

四、3D打印技術(shù)的創(chuàng)客教育在物理教育中的實踐案例

研究如何把3D打印技術(shù)應用在物理教育教學中，哪些物理知識點可以運用3D打印技術(shù)進行教育教學，如何通過創(chuàng)客活動培養(yǎng)學生的創(chuàng)客精神等問題是當下值得深入研究的?，F(xiàn)在針對初中物理如何結(jié)合3D打印技術(shù)進行創(chuàng)客教育做簡單介紹。

1.八年級上冊第四章光現(xiàn)象創(chuàng)客教育實踐案例

光現(xiàn)象這一章主要內(nèi)容有光的直線傳播、光的反射、光的折射、平面鏡成像等。在教學中，學生感受到的光現(xiàn)象都是在平面上的，那么在3維立體空間內(nèi)光現(xiàn)象規(guī)律是否與平面的光現(xiàn)象規(guī)律一致？教師創(chuàng)設(shè)情境、提出問題、激發(fā)學生探索興趣，并設(shè)計課后探究活動，讓學生以小組形式展開討論和方案設(shè)計。教師針對學生提出的設(shè)計方案進行點評糾正，引導學生運用3D打印技術(shù)設(shè)計一個能夠產(chǎn)生立體圓柱光的實驗儀器，自主探索立體光的規(guī)律。

2.八年級上冊第六章質(zhì)量創(chuàng)客教育實踐案例

在質(zhì)量一課中，學生要理解什么是物質(zhì)、什么是質(zhì)量、質(zhì)量的屬性、質(zhì)量的測量等知識。在教學中，教師設(shè)計創(chuàng)客活動，引導學生運用3D打印技術(shù)打印出形狀一樣但大小不同的物體3個，形狀不同但體積一樣的物體3個。在學生完成器材打印后，教師設(shè)計探究活動，引導學生通過比較形狀一樣但大小不同的3個物體，用感官感受這三個物體，得出物體是由物質(zhì)組成，物體含有物質(zhì)的多少叫質(zhì)量，大的物體含有物質(zhì)多，重量也比較重，因此質(zhì)量也大的結(jié)論；學習質(zhì)量的測量后，引導學生測量形狀不同但體積一樣的3個物體，得出物體的質(zhì)量與形狀無關(guān)，改變位置再次測量，得出質(zhì)量與位置無關(guān)，改變3個物體的溫度，得出物體質(zhì)量與溫度無關(guān)。

3.八年級上冊第七章力學創(chuàng)客教育實踐案例

在八年級上冊第七章，學生需要感知和認識力的概念、力的三要素、力的作用效果、彈力、重力等內(nèi)容，為后面力與運動的內(nèi)容打下堅實基礎(chǔ)。在彈力一課中，學生需要理解彈力的概念，彈簧測力計的原理與使用，教師可以設(shè)計創(chuàng)客活動，引導學生運用3D打印設(shè)計和制作簡易彈簧測力計，在設(shè)計和制作過程中，學生了解到彈簧測力計的結(jié)構(gòu)構(gòu)成、工作原理等。在探究重力一課中，學生通過3D打印重錘和支架，探究重力的方向。

4.八年級下冊第八章摩擦力創(chuàng)客教育實踐案例

在探究摩擦力與什么因素有關(guān)的實驗中，學生需要探究摩擦力與接觸面粗糙程度、接觸面受到的壓力大小、接觸面大小等因素的關(guān)系。傳統(tǒng)實驗中，我們通過改變滑塊上面的鉤碼個數(shù)改變壓力大小、通過在水平面上鋪毛巾改變粗糙程度、通過平放和側(cè)方改變接觸面大小。在3D打印技術(shù)支持下，教師可以設(shè)計創(chuàng)客活動，引導學生運用3D打印技術(shù)打印兩面粗糙程度不同的水平板、2個接觸面粗糙程度和接觸面大小一樣但質(zhì)量不同的滑塊、2個粗糙程度和質(zhì)量一樣但接觸面積不同的滑塊，運用以上打印出來的實驗器材進行影響摩擦力因素的探究。學生通過自主設(shè)計和制作實驗器材，通過自主探索實驗，可以提高學生的動手能力，提高學生的學習興趣，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維。

5.八年級下冊第十章浮力創(chuàng)客教育實踐案例

物體浮沉條件的探究是重點和難點，也是學生難理解和容易混淆的知識。運用3D打印技術(shù)，學生可以打印出質(zhì)量相同的兩個球，一個空心，一個實心，然后用這兩個球進行實驗，探究密度比水大的物體要浮在水面上可以做成空心，從而理解輪船為什么可以浮在水面上。

6.八年級下冊第十一章動能和勢能創(chuàng)客教育實踐案例

在動能和勢能的轉(zhuǎn)化教學中，學生很難理解重力勢能、彈性勢能、動能之間的轉(zhuǎn)化過程。在傳統(tǒng)教育教學中，教師只能通過PPT和動畫形式進行解釋說明，但是學生沒有親身經(jīng)歷過也是很難理解。在3D打印技術(shù)的支持下，教師可以創(chuàng)設(shè)情境，引導學生通過3D打印設(shè)計打印并制作滾擺和簡易弓箭模型，通過實物體驗理解能量的轉(zhuǎn)化過程。例如，當弓箭被拉伸發(fā)生彈性形變具有彈性勢能，放手后箭向前飛，彈性勢能轉(zhuǎn)化為箭的動能。滾擺具有重力勢能，當滾擺下落過程中重力勢能轉(zhuǎn)化為動能，當滾擺上升過程中動能轉(zhuǎn)化為重力勢能。經(jīng)過3D打印出來的實物感受，親身體驗，學生的學習也會事半功倍，學習興趣也會有很大提升。

7.3D打印技術(shù)在物理力學課外創(chuàng)客實踐活動的案例

在物理課外實踐活動中，教師經(jīng)常會舉行“紙橋承重”等創(chuàng)客活動，讓學生用紙和膠水等工具制作一座紙橋，并比試其承受重量。3D打印技術(shù)的引入，教師可以讓學生通過3Done設(shè)計軟件進行橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計，測試不同的橋梁結(jié)構(gòu)承受情況，并通過3D打印機把模型打印出來，作為參考模型。教師也可以用3D打印技術(shù)把各種橋梁結(jié)構(gòu)打印出來，作為教學使用。

以上列舉的只是一部分案例，在教育教學中，教師可以根據(jù)物理知識的特點，開發(fā)更多的課堂創(chuàng)客活動和課外創(chuàng)客活動，充分發(fā)揮3D打印技術(shù)優(yōu)勢，提高學生的學習興趣和創(chuàng)新精神，提高教學質(zhì)量和效率。

五、結(jié)束語

3D打印技術(shù)是一種新興的生產(chǎn)工具，在工業(yè)設(shè)計方面已經(jīng)得到廣泛應用。在教育教學中，特別是創(chuàng)客教育方面也展示出其廣闊的前景，把3D打印技術(shù)運用到初中物理教學中的優(yōu)勢極其明顯。盡管3D打印技術(shù)可以幫助教師打印各種教學模型，也可以引導學生進行創(chuàng)新性活動，但也對教師提出更高的要求，教師需要熟練掌握3D打印設(shè)計軟件的使用，能夠引導學生運用3D打印技術(shù)進行課堂探究。

作為一名一線教師，我們應該大膽嘗試把3D打印技術(shù)運用在物理教學，踐行創(chuàng)客教育思想，開啟3D打印技術(shù)與學科整合的教與學的探索，確定更適合學科與創(chuàng)客教育相整合的試點，優(yōu)化教學過程，提升教學質(zhì)量，為其他學?；蚪處熞朐摷夹g(shù)提供成果的案例和有價值的指導。