3D開發(fā)學(xué)具助力通用技術(shù)課堂教學(xué)

摘?要：當(dāng)今，隨著3D打印技術(shù)在航空航天、建筑、汽車、醫(yī)療等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，3D打印技術(shù)也走進(jìn)中學(xué)校園、用于開發(fā)學(xué)具、服務(wù)于課堂。經(jīng)過實(shí)踐，在3D技術(shù)與通用技術(shù)學(xué)科融合之下，開發(fā)學(xué)具，助力通用技術(shù)學(xué)科教學(xué)，打造模仿體驗(yàn)式、合作探究式、作品展示型的課堂教學(xué)模式。

關(guān)鍵詞：學(xué)具;3D打印;課堂;教學(xué)

近年來(lái)，隨著3D打印技術(shù)進(jìn)入中學(xué)校園，3D技術(shù)用于開發(fā)學(xué)具、服務(wù)于課堂教學(xué)成為時(shí)下備受探討的問題。與傳統(tǒng)制造方法相比，3D打印技術(shù)有著低成本、易成型、方便操作等特點(diǎn)。筆者經(jīng)過多次的開發(fā)與實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)利用3D開發(fā)學(xué)具，助力通用技術(shù)課堂教學(xué)是一種不錯(cuò)的選擇。因此，文章從3D技術(shù)與通用技術(shù)學(xué)科的融合入手，闡述3D技術(shù)開發(fā)符合學(xué)科特點(diǎn)、適合學(xué)生年齡的學(xué)具，助力通用技術(shù)的課堂教學(xué)。

一、 3D打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

3D打印是快速成型技術(shù)中的一種。在無(wú)須借助其他輔助工裝夾具下，3D打印就能直接將三維模型快速加工制造成實(shí)體模型。當(dāng)今，3D打印在許多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，例如航空航天、建筑、汽車和醫(yī)療等。3D打印技術(shù)原理有很多種，常用的有激光粉末成型法、熔融塑料成型法、光敏樹脂成型法等。大多數(shù)學(xué)校配置的3D打印機(jī)是采用熔融塑料成型技術(shù)法，這種技術(shù)是通過層層堆積材料的方式制造出幾何實(shí)體，操作方便、成本低廉、無(wú)污染。教師要先選擇一款建模軟件（如3Done），利用建模軟件設(shè)計(jì)出符合學(xué)科特點(diǎn)、適合學(xué)生年齡的學(xué)具模型，然后分層切片，再用3D打印出來(lái)，為課堂教學(xué)提供設(shè)備保障。

二、 與通用技術(shù)學(xué)科的融合

《普通高中通用技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》明確指出，技術(shù)發(fā)展日新月異，大數(shù)據(jù)、人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)、新材料、新能源技術(shù)等開始走進(jìn)日常生活，通用技術(shù)課程內(nèi)容應(yīng)與時(shí)俱進(jìn)。因此，3D技術(shù)開發(fā)通用技術(shù)學(xué)具應(yīng)運(yùn)而生。筆者經(jīng)過實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，依托3D打印技術(shù)與通用技術(shù)學(xué)科的融合，創(chuàng)設(shè)通用技術(shù)學(xué)科學(xué)具，突破教學(xué)條件局限，豐富教學(xué)手段。主要優(yōu)勢(shì)如下。

（一）打造可視化模型

1. 教學(xué)中發(fā)現(xiàn)問題

在技術(shù)與設(shè)計(jì)1（蘇教版）第六章第二節(jié)《常見的技術(shù)圖樣》的教學(xué)中，筆者發(fā)現(xiàn)學(xué)生繪制三視圖時(shí)畏難情緒有點(diǎn)嚴(yán)重，軸測(cè)圖轉(zhuǎn)化為三視圖的空間思維能力不足，對(duì)零件形體的視圖表達(dá)不完整。在技術(shù)工程上，三視圖是設(shè)計(jì)交流與表達(dá)的一種常用技術(shù)語(yǔ)言，識(shí)讀與繪制簡(jiǎn)單的三視圖是高中學(xué)生應(yīng)具備的通用技術(shù)學(xué)科素養(yǎng)。

2. 3D學(xué)具優(yōu)化教學(xué)條件

在《簡(jiǎn)單三視圖的繪制》的教學(xué)中，筆者發(fā)現(xiàn)三視圖的輔助教學(xué)手段，不論采用多媒體的課件，還是借助硬紙板制作零件模型，都有利于學(xué)生空間思維的構(gòu)建，能夠達(dá)到一定的教學(xué)成效，但不是最理想的效果。在教學(xué)實(shí)踐中，筆者先收集學(xué)生易錯(cuò)的三視圖典型案例，然后應(yīng)用3D打印技術(shù)將典型案例制成實(shí)物模型，再把實(shí)物模型分配給學(xué)生去觀察、去分析，從而優(yōu)化課堂教學(xué)條件，突破教學(xué)上的瓶頸。3D學(xué)具不僅便于學(xué)生全方位觀察零件形體，還有助于學(xué)生領(lǐng)悟三視圖的形成原理及投影規(guī)律。在教學(xué)任務(wù)得以順利地完成情況下，進(jìn)一步培育了學(xué)生技術(shù)圖樣表達(dá)的學(xué)科核心素養(yǎng)。

（二）提高學(xué)具的精度

1. 原教材試驗(yàn)內(nèi)容

在技術(shù)與設(shè)計(jì)2中，為了引導(dǎo)學(xué)生探究結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與構(gòu)件的截面形狀有怎樣的關(guān)系時(shí)，教材安排了測(cè)試試驗(yàn)，內(nèi)容如下。

用周長(zhǎng)相同的紙質(zhì)材料自制測(cè)試構(gòu)件，截面分別為三角形、圓形、正方形的紙筒作為懸梁結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行測(cè)試，看看哪種截面形狀的懸梁結(jié)構(gòu)承受最大的力？

2. 3D學(xué)具改進(jìn)試驗(yàn)內(nèi)容

在教學(xué)實(shí)踐中，筆者發(fā)現(xiàn)，用紙質(zhì)材料制作測(cè)試構(gòu)件，在折疊過程中，可能力度分配不均衡或者黏合劑用量不一樣，這些都會(huì)導(dǎo)致測(cè)試紙筒尺寸有所偏差，測(cè)試構(gòu)件規(guī)格不統(tǒng)一、不規(guī)范，甚至彎曲強(qiáng)度也會(huì)不一致，從而影響試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果。而利用3D技術(shù)設(shè)計(jì)并制作不同形狀截面的懸梁來(lái)做測(cè)試構(gòu)件，則先應(yīng)用電腦軟件建模，然后3D打印出測(cè)試構(gòu)件，這樣能做到構(gòu)件尺寸精確、誤差較小。試驗(yàn)結(jié)果自然而然會(huì)更科學(xué)、更合理、更有說(shuō)服力。因此，應(yīng)用3D打印的測(cè)試構(gòu)件進(jìn)行試驗(yàn)是一種可行的方案，也是值得推廣的學(xué)具制作方法。具體步驟如下。

第一步，學(xué)會(huì)如何運(yùn)用3D技術(shù)自制測(cè)試構(gòu)件。

第二步，需要考慮選用什么形狀的截面構(gòu)件進(jìn)行測(cè)試比較合適？

在蘇教版教材中，選用周長(zhǎng)相同的三角形、圓形、長(zhǎng)方形截面作為測(cè)試構(gòu)件，顯然這個(gè)試驗(yàn)測(cè)出來(lái)的結(jié)論是在同等周長(zhǎng)的情況下，圓形構(gòu)件的強(qiáng)度最好，三角形構(gòu)件的強(qiáng)度最弱。為了讓這個(gè)測(cè)試試驗(yàn)與實(shí)際生活緊密聯(lián)系，更具現(xiàn)實(shí)意義，比如房屋的橫梁為何采用高度>寬度？桌椅的橫桿大多采用高度>寬度？基于這些現(xiàn)象，則選用截面積相等的構(gòu)件，形狀分別是正方形、圓形、寬高比0.5的矩形、寬高比2.0的矩形。探究同種規(guī)格材料做成不同截面形狀的構(gòu)件，哪種形狀的構(gòu)件抗彎強(qiáng)度最大？

第三步，需要考慮測(cè)試構(gòu)件的件數(shù)要多少合適？

教師提供給每個(gè)小組的測(cè)試構(gòu)件件數(shù)要適量。如果測(cè)試構(gòu)件過多的話，不單單會(huì)造成材料的浪費(fèi)、增加學(xué)具的開發(fā)經(jīng)費(fèi)，在課堂上還會(huì)耗費(fèi)學(xué)生許多測(cè)試時(shí)間;如果測(cè)試構(gòu)件過少的話，容易出現(xiàn)測(cè)試的偶然性，試驗(yàn)數(shù)據(jù)會(huì)產(chǎn)生很大的誤差。綜合這些因素，同一種形狀的截面構(gòu)件各測(cè)試三次，求其平均值，避免了隨機(jī)誤差的發(fā)生，這樣得出的數(shù)據(jù)合理、真實(shí)。

（三）增加創(chuàng)新方案的物化率

1. 現(xiàn)實(shí)條件的限制

創(chuàng)新方案的物化需要依托一定的工藝方法才能實(shí)現(xiàn)。掌握工藝方法之前，學(xué)生需要熟悉材料的屬性、學(xué)習(xí)工具和設(shè)備的使用方法、了解工藝的流程等。這些前期的準(zhǔn)備時(shí)間較長(zhǎng)，往往不利于創(chuàng)新方案的物化實(shí)施。而更多創(chuàng)新方案無(wú)法物化，是因?yàn)檎也坏胶线m的材料、或缺乏應(yīng)有的加工工具、或加工場(chǎng)地的限制、或物化的成本過高。

2. 3D技術(shù)促進(jìn)物化

例如，有的學(xué)生設(shè)計(jì)了廚房護(hù)指套，設(shè)計(jì)目的是為了保護(hù)廚師在切菜時(shí)手指不會(huì)受到傷害，設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮的人機(jī)關(guān)系是：使用者穿戴舒適，為了適合不同大小手指的人群，有不同型號(hào)供選擇，材料采用食品級(jí)。

這款廚房護(hù)指套，如果采用傳統(tǒng)加工方法來(lái)物化，不僅需要熟悉多道工藝流程，還需要掌握較多的工具使用方法，比如裁剪工具、測(cè)量工量、打磨工具。而借助3D打印技術(shù)，學(xué)生可以較方便把方案在3Done建模軟件上設(shè)計(jì)表達(dá)、修改，直至打印，測(cè)試。初步測(cè)試完，還需要對(duì)模型的厚薄、長(zhǎng)短、大小進(jìn)行多次的調(diào)整，這些操作只要在建模軟件直接修改設(shè)計(jì)參數(shù)就能實(shí)現(xiàn)。甚至方案的調(diào)整，也可以類似操作。3D打印技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新方案的物化是方便又可期的。這種技術(shù)無(wú)須其他工具或?qū)W習(xí)其他工藝，就能增加創(chuàng)新方案的物化率，實(shí)現(xiàn)學(xué)與做的一體化模式。

三、 3D學(xué)具在課堂教學(xué)中的應(yīng)用

（一）模仿體驗(yàn)式的課堂

模仿體驗(yàn)式的課堂，是借助3D打印技術(shù)開發(fā)學(xué)具，模擬現(xiàn)實(shí)情境，引導(dǎo)學(xué)生角色扮演，利用角色效應(yīng)，學(xué)生在體驗(yàn)過程中主動(dòng)學(xué)習(xí)，充分發(fā)揮自我潛能，運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析問題、解決問題。學(xué)生在角色情境的體驗(yàn)中，學(xué)科技術(shù)素養(yǎng)進(jìn)一步得到培育，個(gè)性也得到充分的發(fā)展。

例如，在繪制三視圖的教學(xué)中，借助3D學(xué)具模型，巧設(shè)情境，課堂上賦予學(xué)生工程師的使命，讓學(xué)生帶著使命去完成三視圖的繪制任務(wù)。學(xué)生扮演角色熱情高、參與繪制任務(wù)主動(dòng)積極。在小組成員團(tuán)結(jié)協(xié)作下，學(xué)生探討完成任務(wù)。由于3D學(xué)具模型的直觀性，學(xué)生畏懼的繪制任務(wù)變得形象、具體了。在繪制三視圖的過程中，學(xué)生領(lǐng)略技術(shù)圖樣表達(dá)的魅力，養(yǎng)成了細(xì)致、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)募夹g(shù)學(xué)科態(tài)度。

（二）合作探究式的課堂

合作探究式的課堂，是學(xué)生以小組進(jìn)行合作，教師充分利用3D學(xué)具搭建學(xué)習(xí)平臺(tái)，引領(lǐng)學(xué)生對(duì)身邊事物充滿好奇心、關(guān)注未來(lái)和未知世界，啟發(fā)學(xué)生要敢于質(zhì)疑、勇于探究，在試驗(yàn)探究過程中發(fā)現(xiàn)事物規(guī)律，把握事物本質(zhì)特征的教學(xué)活動(dòng)。

例如，在探究結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與截面形狀之間的關(guān)系時(shí)，利用3D打印技術(shù)開發(fā)學(xué)具，將試驗(yàn)條件進(jìn)行優(yōu)化，試驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行拓展，創(chuàng)設(shè)與學(xué)生生活息息相關(guān)的問題情境，彰顯技術(shù)學(xué)科的社會(huì)價(jià)值，激發(fā)學(xué)生探究試驗(yàn)的熱情。紙上得來(lái)終覺淺，絕知此事要躬行。學(xué)生在親歷試驗(yàn)的過程中，分組合作測(cè)得形狀截面分別為：正方形、圓形、寬高比0.5的矩形、寬高比2.0的矩形構(gòu)件所能承受的最大載荷，在表格上記錄翔實(shí)數(shù)據(jù)，計(jì)算其平均數(shù)據(jù)，對(duì)比、分析得出寬高比0.5的矩形截面構(gòu)件在這四種中抗彎強(qiáng)度最強(qiáng)，進(jìn)一步詮釋了房屋采用寬高比<1的承重橫梁現(xiàn)象的本質(zhì)特征。學(xué)生親歷探究，在探究中得出答案，將認(rèn)知的困苦變?yōu)榍笏鞯臉啡?，學(xué)習(xí)的負(fù)累變?yōu)樗季S的享受。

（三）作品展示型的課堂

通用技術(shù)課程倡導(dǎo)學(xué)生在“學(xué)中做，做中學(xué)”的理念，教師鼓勵(lì)學(xué)生平時(shí)多動(dòng)腦、勤動(dòng)手，勇于創(chuàng)新，把技術(shù)創(chuàng)新的構(gòu)思、方案積極表達(dá)出來(lái)。借助3D打印技術(shù)，學(xué)生能夠較方便地把自己的創(chuàng)新方案進(jìn)行物化，然后不斷優(yōu)化、改進(jìn)，再物化，最后創(chuàng)新設(shè)計(jì)作品匯聚在課堂進(jìn)行展示交流。學(xué)生上臺(tái)分享設(shè)計(jì)目的和意義，交流制作技巧與心得，相互借鑒、取長(zhǎng)補(bǔ)短，實(shí)現(xiàn)了技能互動(dòng)和思維互動(dòng)的課堂。正如蕭伯納說(shuō)的：“倘若你有一種思想，我也有一種思想，我們彼此交流這些思想，我們每個(gè)人將有兩種思想。”

例如，有的學(xué)生展示了服藥提示器，專為患有慢性病的老人按時(shí)服藥而設(shè)計(jì)，其功能設(shè)有提示音、屏幕顯示器、分裝三餐藥品的空間。課堂由多位學(xué)生展示作品，這樣展示型的課堂，面向全體學(xué)生，給學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供了交流與借鑒的舞臺(tái)，拓寬了學(xué)生的視野，實(shí)現(xiàn)了技術(shù)創(chuàng)新源于生活、服務(wù)于生活的目標(biāo)。

四、 結(jié)語(yǔ)

目前，大多數(shù)中學(xué)配置的3D打印機(jī)，在開發(fā)學(xué)具時(shí)，其成型的長(zhǎng)、寬、高尺寸在30cm以內(nèi)，其打印精度是±0.1～0.2mm，這樣參數(shù)適合用于制作配合精度要求不高、尺寸不宜過大的學(xué)具。如果要開發(fā)帶有傳動(dòng)系統(tǒng)的學(xué)具，那么傳動(dòng)裝置的配件只能去購(gòu)買，或者個(gè)性化3D設(shè)計(jì)后去網(wǎng)上找代理打印。雖然有一定的局限性，但是3D技術(shù)開發(fā)學(xué)具還是有著廣闊的前景，需要教師進(jìn)一步的探索、挖掘與實(shí)踐。

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作者簡(jiǎn)介：

蔡梅芳，福建省福州市，福建省福州第七中學(xué)。