地理學(xué)科視角下3D打印創(chuàng)新課程資源的開發(fā)實(shí)踐

摘 要：在中學(xué)教育階段，3D打印創(chuàng)新課程普及率相對(duì)較低，在實(shí)踐中面臨著諸多難題，課程資源不足、學(xué)生創(chuàng)新能力不足等問題尤為突出。開封市某中學(xué)在3D打印課程資源開發(fā)的過程中，將地理節(jié)日作為整個(gè)課程開發(fā)的突破口，形成了一套以地理視角為主導(dǎo)的高效課程開發(fā)模式。地理學(xué)科具有綜合性強(qiáng)的特征，可促進(jìn)學(xué)科知識(shí)的交叉融合，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力，同時(shí)可作為3D打印技術(shù)走進(jìn)各學(xué)科教學(xué)的中轉(zhuǎn)站，對(duì)3D打印課程的開發(fā)有很大的啟示意義。

關(guān)鍵詞：3D打印;創(chuàng)新課程;課程資源開發(fā);初中地理;地理節(jié)日

中圖分類號(hào)：G4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-0069（2019）02-0078-04

收稿日期：2019-01-21

基金項(xiàng)目：河南省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃電化教育專項(xiàng)課題“地理節(jié)日為主題的3D打印教學(xué)資源開發(fā)研究”（〔2017〕-JKGHDHZX-095）

作者簡介：賈海軍（1973— ），男，河南濟(jì)源人，中學(xué)高級(jí)教師，研究方向?yàn)榈乩斫逃?/p>

一、引言

3D打印創(chuàng)新課程是以計(jì)算機(jī)數(shù)字模型設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，通過3D打印設(shè)備來構(gòu)造物體的創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程，屬于STEM教育、創(chuàng)客教育的重要組成部分。3D打印技術(shù)在我國教育領(lǐng)域的應(yīng)用目前尚處于初級(jí)階段，一些高校正在建立公用的創(chuàng)客空間來普及這項(xiàng)技術(shù)。在中學(xué)教育階段，3D打印創(chuàng)新課程普及率相對(duì)較低，在實(shí)踐中面臨著諸多難題。

首先，缺乏專職的任課教師和足夠的課程資源。3D打印活動(dòng)課對(duì)任課教師的教學(xué)能力和知識(shí)面要求極高。教師不僅要有從事3D創(chuàng)新教學(xué)的熱情、時(shí)間和精力，而且要具備信息技術(shù)能力、社會(huì)實(shí)踐活動(dòng)課的組織能力以及各學(xué)科知識(shí)綜合運(yùn)用能力。課前要精心設(shè)計(jì)活動(dòng)場景。在授課過程中要改變傳統(tǒng)授課方式，成為學(xué)生活動(dòng)的輔助者和引導(dǎo)者;在活動(dòng)開展過程中，要善于協(xié)調(diào)小組內(nèi)和小組間的各種關(guān)系;在活動(dòng)結(jié)束后，要對(duì)學(xué)生進(jìn)行恰當(dāng)?shù)暮侠淼脑u(píng)價(jià)。目前，3D打印活動(dòng)課任課教師的培訓(xùn)尚處在摸索實(shí)踐階段，普遍缺乏有針對(duì)性的培訓(xùn)資源，尤其缺乏足夠的可以借鑒的案例。

其次，中學(xué)生缺乏自主學(xué)習(xí)的時(shí)間，自主學(xué)習(xí)的能力較差。3D打印創(chuàng)新設(shè)計(jì)活動(dòng)是一種實(shí)踐性很強(qiáng)的創(chuàng)造性活動(dòng)，活動(dòng)內(nèi)容具有很強(qiáng)的綜合性，需要跨領(lǐng)域、跨學(xué)科的知識(shí)整合，需要學(xué)生對(duì)自己不知道、不了解的知識(shí)進(jìn)行課下學(xué)習(xí)，要求學(xué)生自覺地將自己的學(xué)習(xí)范圍不斷地?cái)U(kuò)大，采用多種方式、多種工具獲得學(xué)習(xí)資源，自覺地從多學(xué)科、多層面探究學(xué)習(xí)。許多學(xué)生缺乏自主學(xué)習(xí)的動(dòng)力和能力，致使許多創(chuàng)新設(shè)計(jì)活動(dòng)事倍功半，甚至半途而廢，不能達(dá)到教師所設(shè)定的項(xiàng)目活動(dòng)目標(biāo)和能力培養(yǎng)目標(biāo)[1]。

最后，學(xué)生普遍缺乏創(chuàng)新思維能力。由于多種因素的影響，目前中學(xué)生普遍缺乏創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力和創(chuàng)新意識(shí)，學(xué)生設(shè)計(jì)的作品普遍缺乏新穎性、前瞻性，多數(shù)學(xué)生只能完成教師硬性規(guī)定的作業(yè)。學(xué)習(xí)運(yùn)用3D打印技術(shù)可以充分鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力、設(shè)計(jì)能力和思維能力等，有利于培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，對(duì)促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新精神和創(chuàng)造能力的發(fā)展具有積極的意義。

二、3D打印課程資源開發(fā)的研究和探索

為了解決3D打印課程資源不足的問題，為了更好地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)3D打印技術(shù)的興趣，開發(fā)學(xué)生深層次的創(chuàng)造力，同時(shí)也為了促進(jìn)3D打印技術(shù)與中學(xué)各學(xué)科的教學(xué)相結(jié)合，開封地區(qū)某中學(xué)進(jìn)行了一系列的3D打印校本課程的開發(fā)。

2017年6月，開封地區(qū)某中學(xué)數(shù)據(jù)中心建立3D課程開發(fā)課題組，著手課程的研發(fā)工作，課題組主要成員由學(xué)科教師與3D創(chuàng)客教師共同組成。

在以往的3D打印教學(xué)實(shí)踐中，教師普遍感到最急需的是具有一定數(shù)量的、具有可操作性的教學(xué)案例，經(jīng)課題組成員共同研討，確立了一個(gè)中心、六個(gè)步驟的整體思路。課題組把案例設(shè)計(jì)作為整個(gè)課程研發(fā)的中心，并以此為中心制定了六個(gè)研發(fā)步驟：資料搜集—尋找學(xué)科結(jié)合點(diǎn)確立主題—分頭設(shè)計(jì)—具體實(shí)施—學(xué)生反饋—總結(jié)報(bào)告。

（一）課程的開發(fā)目標(biāo)

建立3D打印電子資源庫，編寫3D打印主題活動(dòng)教材，形成具有本校特色的校本課程資源，嘗試建立一套有關(guān)3D打印課程資源高效開發(fā)模式。

（二）課程開發(fā)的三維模式

該課程開發(fā)模式有三個(gè)主要的視角：地理節(jié)日視角、研究性學(xué)習(xí)視角、3D打印視角。以地理節(jié)日為突破口，篩選重組與生活實(shí)踐中密切相關(guān)的地理學(xué)科知識(shí)和原理，并從研究性學(xué)習(xí)的角度重新審視這些知識(shí)和原理，以知識(shí)和原理為基礎(chǔ)，開發(fā)3D打印教學(xué)資源，并在實(shí)踐中探尋一些具體可行的操作模式，提供一些有價(jià)值的教學(xué)案例。

1.地理節(jié)日視角

以地理節(jié)日為突破口，尋找社會(huì)熱點(diǎn)，拓展課程資源的廣度和深度。地理節(jié)日是指與地理知識(shí)密切相關(guān)的節(jié)日和紀(jì)念日[2]。為引起全社會(huì)對(duì)資源、環(huán)境、人口、貧困、災(zāi)害等問題的關(guān)注，國際組織和各國政府設(shè)立了許多相關(guān)節(jié)日，如世界濕地日、世界林業(yè)節(jié)、國際生物多樣性日、中國水周等，這些節(jié)日與地理學(xué)科所研究的問題密切相關(guān)，可通稱為地理節(jié)日。這些節(jié)日不僅與地理學(xué)科知識(shí)的關(guān)系十分密切，而且與其他學(xué)科知識(shí)也有千絲萬縷的聯(lián)系。這些節(jié)日不僅數(shù)量十分可觀，而且往往是與國計(jì)民生相關(guān)的重點(diǎn)問題，可以進(jìn)行深度挖掘。

2.研究性學(xué)習(xí)視角

綜合學(xué)科知識(shí)和原理，尋找學(xué)科交叉點(diǎn)和創(chuàng)新點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生的創(chuàng)造性思維。研究性學(xué)習(xí)是以科學(xué)研究為主的課題研究活動(dòng)，不再局限于對(duì)學(xué)生進(jìn)行純粹的書本知識(shí)傳授，包括社會(huì)調(diào)查、搜集資料、制訂研究計(jì)劃、撰寫研究報(bào)告等一系列過程。

3.3D打印視角

依托3D打印，讓學(xué)生充分發(fā)揮想象，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造熱情。3D打印本身對(duì)學(xué)生有很強(qiáng)的吸引力，為學(xué)生的學(xué)習(xí)活動(dòng)開辟了一個(gè)全新的空間，可以有效地激發(fā)學(xué)生實(shí)踐的積極性和DIY興趣。在課程設(shè)計(jì)中要有意識(shí)地篩選那些適合3D打印的題材和內(nèi)容，尋找那些有利于激發(fā)學(xué)生想象力和創(chuàng)造力的主題。

（三）課程開發(fā)的初步成果

課題組經(jīng)過一年多時(shí)間的努力，所開發(fā)的3D打印課程資源已經(jīng)初具規(guī)模。課程內(nèi)容不僅包括指導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用3D技術(shù)打印各種作品，還包括指導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用3D打印技術(shù)開展研究性學(xué)習(xí)。

1.形成一系列的教學(xué)案例和課件

在實(shí)際教學(xué)中，課題組成員密切聯(lián)系教學(xué)實(shí)際，努力將一些地理節(jié)日及傳統(tǒng)文化融入日常課堂教學(xué)，取得了較好的效果，并形成了3D打印技術(shù)基礎(chǔ)課程、二十四節(jié)氣與太極圖創(chuàng)意設(shè)計(jì)、3D打印春節(jié)等一系列典型課例。

2.初步建立3D模型庫

3D模型的設(shè)計(jì)十分耗時(shí)耗力，學(xué)生在兩個(gè)小時(shí)內(nèi)未必能完成一件理想的作品。為了提高課堂效率，課題組成員在教學(xué)過程中搜集、下載、自行設(shè)計(jì)了近千個(gè)3D數(shù)字模型，作為學(xué)生課堂活動(dòng)的公用資源庫。學(xué)生在課堂活動(dòng)中可在資源庫中查詢并導(dǎo)入3D模型，并在原有模型的基礎(chǔ)上按照自己的想法加以改造。為了提高學(xué)生的查詢速度，課題組成員對(duì)3D模型進(jìn)行了歸類整理，大體包含五個(gè)部分，即基礎(chǔ)模型部分、生活用品部分、文物藝術(shù)部分、建筑部分、地形園林部分，每個(gè)部分還有更詳細(xì)的分類。此外，還建立了專門的學(xué)生優(yōu)秀作品集，以激勵(lì)學(xué)生積極參與。

3.編寫完成教材《3D打印中華傳統(tǒng)節(jié)日》

該教材以傳統(tǒng)節(jié)日、3D打印、創(chuàng)意設(shè)計(jì)為主要內(nèi)容，三者密切結(jié)合，融于一體。教材主體結(jié)構(gòu)以傳統(tǒng)節(jié)日為主線，引導(dǎo)學(xué)生了解傳統(tǒng)節(jié)日的特點(diǎn)以及相關(guān)的文化習(xí)俗，探究其背后蘊(yùn)含的科學(xué)原理;以五個(gè)3D打印案例為主體，由易到難，層層遞進(jìn)，培養(yǎng)學(xué)生3D打印的基本操作技能，引導(dǎo)學(xué)生在深入探究的基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)意設(shè)計(jì);教材圖文結(jié)合，通俗易懂，適合中學(xué)生學(xué)習(xí)。

隨著課程資源的不斷豐富，參與的學(xué)生數(shù)量不斷增多，學(xué)生的創(chuàng)新能力和創(chuàng)新意識(shí)不斷增強(qiáng)。學(xué)校兩支3D創(chuàng)客社團(tuán)隊(duì)伍在全國第二屆青少年創(chuàng)客活動(dòng)中雙雙取得“3D打印創(chuàng)新設(shè)計(jì)”一等獎(jiǎng)。

三、 地理視角對(duì)3D打印課程資源開發(fā)的特殊意義

課題組在3D打印課程資源開發(fā)的過程中，將地理節(jié)日作為整個(gè)課程開發(fā)的突破口，是課程開發(fā)工作得以快速、高效開展的重要保證。通過課程資源的開發(fā)，我們得到了如下幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)和啟示。

第一，地理節(jié)日數(shù)量眾多，為3D打印課程的開發(fā)提供豐富的可選擇的題材。地理課程本身具有綜合性強(qiáng)、實(shí)踐性強(qiáng)、涉及面廣等特點(diǎn)，為3D打印創(chuàng)新課程的開發(fā)提供了豐富的資源和視角[3]。課題組之前曾經(jīng)做過關(guān)于地理節(jié)日與研究性學(xué)習(xí)的相關(guān)研究，在課程開發(fā)之初，根據(jù)3D打印教師的要求，迅速提出了一整套備選方案（見表1）。備選方案由6個(gè)專題和20多個(gè)備選項(xiàng)目組成。經(jīng)3D打印教師綜合篩選，最后選擇春節(jié)、中秋節(jié)、二十四節(jié)氣與太極圖模型、大禹治水模型等題材為第一批重點(diǎn)活動(dòng)項(xiàng)目。

第二，地理學(xué)科具有綜合性強(qiáng)的特征，可促進(jìn)學(xué)科知識(shí)的交叉融合，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力。地理學(xué)科屬于一門綜合性的科目，兼具綜合性和地域性的特點(diǎn)，地理學(xué)科在形成和發(fā)展過程中涉及眾多學(xué)科的基本知識(shí)和基本原理，是連接各學(xué)科的天然紐帶和橋梁。地理學(xué)科內(nèi)容包含自然地理、人文地理和區(qū)域地理三大主體部分，自然地理部分與物理、化學(xué)、生物等學(xué)科有密切的關(guān)聯(lián)，人文地理部分與經(jīng)濟(jì)、人口、城鎮(zhèn)建設(shè)等生產(chǎn)生活實(shí)踐有密切的關(guān)聯(lián)，重大歷史事件和現(xiàn)實(shí)熱點(diǎn)問題往往都有其相關(guān)的區(qū)域地理背景。地理學(xué)科的綜合性特征有利于培養(yǎng)學(xué)生的綜合思維能力。

“猴面包樹模型制作”是一個(gè)典型的例子。猴面包樹是熱帶草原氣候區(qū)的一種較為典型的樹種。熱帶草原氣候分為明顯的干季和濕季，在干旱季，多數(shù)植物因缺水嚴(yán)重枯黃，但是猴面包樹可以在體內(nèi)的空隙儲(chǔ)存大量的水分來應(yīng)對(duì)缺水問題。學(xué)生在研究猴面包樹的過程中不僅要理解其儲(chǔ)水原理，還要綜合研究其生存的自然環(huán)境和社會(huì)環(huán)境;不僅要研究相關(guān)的地理學(xué)科知識(shí)，還涉及生物和化學(xué)等方面的知識(shí)。在綜合研究性學(xué)習(xí)過程中，許多創(chuàng)造性的觀點(diǎn)被提出。有些同學(xué)提出“利用猴面包樹的儲(chǔ)水原理來發(fā)展干旱地區(qū)的農(nóng)業(yè)”的創(chuàng)新方案，該方案不僅具有創(chuàng)新性，而且還有一定的實(shí)用價(jià)值。

第三，地理學(xué)科密切結(jié)合社會(huì)現(xiàn)實(shí)，從地理視角開發(fā)3D打印課程，有助于提高3D打印課程的實(shí)用性。地理科學(xué)研究的中心問題是人地關(guān)系，整個(gè)地理知識(shí)以人地關(guān)系為主線，突出資源、環(huán)境、人口、發(fā)展、災(zāi)害五大主題，可充分激發(fā)學(xué)生主動(dòng)參與的動(dòng)力。

第四，地理學(xué)科可以作為3D打印技術(shù)走進(jìn)各學(xué)科教學(xué)的中轉(zhuǎn)站。目前3D技術(shù)在各學(xué)科教學(xué)中的推廣應(yīng)用尚處在摸索階段，普及面很窄，推廣過程中遇到了許多困難。從地理課程本身綜合性強(qiáng)，具有天然的橋梁紐帶作用，從地理角度開發(fā)的教學(xué)資源有助于將3D打印技術(shù)融入學(xué)科教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)過程中，有助于3D打印技術(shù)在教學(xué)中更廣泛地推廣和應(yīng)用。

開封地區(qū)某中學(xué)3D打印課程的開發(fā)以地理節(jié)日為突破口，以地理視角為紐帶，這種做法對(duì)類似的創(chuàng)新課程的開發(fā)有著重要的啟示意義。

參考文獻(xiàn)

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[3]丁玉華.結(jié)合地理節(jié)日促進(jìn)地理教學(xué)[J].中學(xué)地理教學(xué)參考，1994，（2）：34.

（責(zé)任編輯 孫震華）

Abstract： At the stage of middle school education， the popularization rate of 3D printing innovation curriculum is relatively low.In practice，it faces many problems， such as inadequate curriculum resources and students’inadequate innovation ability.In the process of developing 3D printing curriculum resources in a middle school in Kaifeng，the geographical festival is regarded as the breakthrough of the whole curriculum development，and a set of highly effective curriculum development model with geographical perspective as the leading factor has been formed.Geography has comprehensive characteristics，which can promote the cross-integration of subject knowledge and stimulate students’creativity.Meanwhile，it can also be used as a transfer station for 3D printing technology to enter the teaching of various disciplines.Therefore， the geographical perspective has strong enlightenment implications for the development of 3D printing curriculum.

Key words： 3D printing;innovative courses;curriculum resources development;junior high school geography;geographical festivals