核心素養(yǎng)導(dǎo)向下3D打印技術(shù)在科學(xué)教學(xué)中的融合策略與實(shí)踐探索

【摘" 要】 受到基礎(chǔ)教育持續(xù)革新的推動(dòng)，當(dāng)前科學(xué)教育課程改革的重點(diǎn)已轉(zhuǎn)向提升學(xué)生核心技能。近年來，3D打印技術(shù)迅猛發(fā)展，引起了眾多教育行業(yè)專家的廣泛關(guān)注。如何在教學(xué)中有效發(fā)揮3D打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)以提升教學(xué)質(zhì)量，已成為現(xiàn)代教育技術(shù)研究中的一個(gè)熱點(diǎn)問題。基于此背景，文章以學(xué)科核心素養(yǎng)為出發(fā)點(diǎn)，探討如何將科學(xué)教學(xué)與3D打印技術(shù)相融合，旨在為相關(guān)工作提供參考與借鑒。

【關(guān)鍵詞】 核心素養(yǎng)；科學(xué)教學(xué)；3D打印技術(shù)

在科技發(fā)展的浪潮中，3D打印技術(shù)逐漸成為多個(gè)領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)。這項(xiàng)技術(shù)融合了光學(xué)、機(jī)械、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)控技術(shù)以及新興材料，堪稱第三次工業(yè)革命中的標(biāo)志性生產(chǎn)設(shè)備。3D打印，一種依賴于數(shù)字模型文檔并通過逐層累積材料以構(gòu)建實(shí)體的高效生產(chǎn)方式，已經(jīng)在生物學(xué)、醫(yī)學(xué)和工程等領(lǐng)域贏得了廣泛認(rèn)可。隨著其技術(shù)的不斷成熟，教育領(lǐng)域也逐漸對(duì)3D打印技術(shù)給予高度重視，探索其在教育中的應(yīng)用價(jià)值和潛力。

小學(xué)科學(xué)課程的重要性日益突出。小學(xué)科學(xué)課程作為基礎(chǔ)性強(qiáng)、多樣化和實(shí)踐性突出的教育形式，旨在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。它不僅傳授知識(shí)，更注重能力的提升和個(gè)性的塑造。《義務(wù)教育課程方案和課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》明確指出，將技術(shù)與工程融入實(shí)際操作中，可以顯著提升學(xué)生的研究技能、技術(shù)與工程實(shí)踐能力，以及自主學(xué)習(xí)能力。同時(shí)，教育工作者也應(yīng)根據(jù)教育需求，在遵循科學(xué)原則、確保安全準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)和制造實(shí)驗(yàn)器材。

一、3D打印技術(shù)概覽

3D打印，一種基于數(shù)字模型的制造技術(shù)，通過多層疊加具有強(qiáng)黏附性的材料，將設(shè)計(jì)理念轉(zhuǎn)化為實(shí)際產(chǎn)品，被視為一種高效的生產(chǎn)方式。與傳統(tǒng)減材制造方法不同，3D打印采用增材制造，避免了原材料的切割和加工。19世紀(jì)末，3D打印的概念開始受到關(guān)注；到了20世紀(jì)80年代，3D打印技術(shù)已不再是遙不可及的夢(mèng)想，相關(guān)制造公司也如雨后春筍般涌現(xiàn)。例如，1983年，Charles Hull（查克·赫爾）深入研究了3D打印中的光固化成型技術(shù)（SLA），并成功創(chuàng)立了國(guó)際知名的3D System公司。1987年，該公司推出了首臺(tái)3D打印光固化設(shè)備。隨后，在1988年，Scott Crump（斯科特·克倫普）發(fā)明了熔融沉積成型技術(shù)（FDM），并成立了Stratasys公司，標(biāo)志著3D打印技術(shù)開啟新篇章。美國(guó)得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校在1989年引入了選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（STL），并于1992年正式投入使用。盡管初期3D打印技術(shù)成本高昂且技術(shù)尚待完善，導(dǎo)致其應(yīng)用受限；但隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步與完善，3D打印已廣泛應(yīng)用于模具制造、工業(yè)設(shè)計(jì)和產(chǎn)品制造等領(lǐng)域，涉及汽車、航空、航天、食品、建筑、醫(yī)療和教育等多個(gè)行業(yè)。

目前，3D打印成型技術(shù)的主導(dǎo)技術(shù)包括光固化成型技術(shù)（SLA）、熔融沉積成型技術(shù)（FDM）、選擇性激光熔化技術(shù)（DMLS）以及電子束熔融成型技術(shù)（EBM）。其中，熔融沉積成型技術(shù)（FDM）應(yīng)用尤為廣泛，由美國(guó)Stratasys公司在20世紀(jì)80年代末首次提出。該技術(shù)通過噴嘴擠出絲狀熱塑性材料，與已固化材料黏合形成新層，從而構(gòu)建復(fù)雜模型。針對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)，需依賴支撐結(jié)構(gòu)來輔助成型，而打印機(jī)附帶的切割程序能自動(dòng)生成這樣的支撐框架，并逐步完成產(chǎn)品制造。

二、3D打印技術(shù)在中小學(xué)教育的應(yīng)用

（一）3D打印技術(shù)作為學(xué)習(xí)的對(duì)象

3D打印技術(shù)以其高效、創(chuàng)新的制作工藝，在中小學(xué)教育領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的潛力。它不僅能夠幫助學(xué)生深入理解3D打印的核心原理，還能激發(fā)他們的創(chuàng)造力和想象力，讓他們根據(jù)自己的思考和創(chuàng)意來設(shè)計(jì)和制造模型。以美國(guó)弗吉尼亞大學(xué)夏洛茲維爾市的小學(xué)為例，學(xué)生們通過學(xué)習(xí)3D打印技術(shù)，不僅體驗(yàn)了未來工業(yè)的發(fā)展方向，還將這項(xiàng)技術(shù)融入了課程教學(xué)中，如設(shè)計(jì)和制造彈弓等實(shí)踐活動(dòng)。在中國(guó)，隨著3D打印工具的廣泛應(yīng)用和不斷拓展，越來越多的企業(yè)和教育機(jī)構(gòu)開始關(guān)注并將其整合到基礎(chǔ)教育教學(xué)過程中。例如，廣州海珠區(qū)的一所小學(xué)在2015年就將3D打印軟件引入了信息科學(xué)課程，進(jìn)行3D打印技巧的教學(xué)。此外，上海和田路小學(xué)也與多所大學(xué)合作，為四、五年級(jí)學(xué)生開設(shè)了名為“虛實(shí)創(chuàng)造課程”的3D打印課程。

（二）3D打印技術(shù)作為構(gòu)建學(xué)習(xí)環(huán)境的條件

構(gòu)造主義強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)環(huán)境對(duì)學(xué)生知識(shí)構(gòu)建的重要性，而3D打印技術(shù)正是一種能夠創(chuàng)造豐富學(xué)習(xí)環(huán)境的工具。它不僅能夠幫助學(xué)生迅速制作模型進(jìn)行實(shí)證驗(yàn)證，還能激發(fā)他們的創(chuàng)造力和空間想象能力。通過親手設(shè)計(jì)和打印三維模型，學(xué)生能夠直觀地理解抽象概念，并在實(shí)踐中學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)思維、問題解決等關(guān)鍵技能。這種技術(shù)與構(gòu)造主義學(xué)習(xí)理念的結(jié)合，使得學(xué)習(xí)過程變得更加互動(dòng)化和體驗(yàn)化，有助于培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新精神。在這個(gè)過程中，學(xué)生成為積極的探索者和創(chuàng)造者，在與環(huán)境的互動(dòng)中不斷構(gòu)建和完善自己的知識(shí)體系。

（三）3D打印技術(shù)融入課程教學(xué)

1. 3D打印技術(shù)作為協(xié)助教學(xué)的工具

3D打印技術(shù)作為一種輔助教學(xué)的工具，在數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)和生物等課程中發(fā)揮著重要作用。當(dāng)教師試圖解釋課本中的某些抽象知識(shí)點(diǎn)或物品時(shí)，3D打印的實(shí)體模型能夠?yàn)閷W(xué)生提供直觀的感知。例如，在探討分子和質(zhì)子等微觀結(jié)構(gòu)時(shí)，通過3D打印的實(shí)體展示，學(xué)生能夠更加深刻地理解和記憶這些概念。此外，在生命科學(xué)領(lǐng)域，如細(xì)胞構(gòu)造、突觸機(jī)制等方面，3D打印技術(shù)也有著顯著的應(yīng)用，極大地增強(qiáng)了教育和學(xué)習(xí)的效果。這種技術(shù)不僅讓學(xué)生更深入地理解教育原理，還通過實(shí)際操作擴(kuò)展學(xué)生視野、提高學(xué)習(xí)效果并豐富知識(shí)儲(chǔ)備。

2. 3D打印技術(shù)改變傳統(tǒng)教學(xué)設(shè)計(jì)模式

3D打印技術(shù)的引入徹底顛覆了傳統(tǒng)的教學(xué)手段。它不僅增強(qiáng)了教師與學(xué)生以及學(xué)生之間的互動(dòng)和交流，還鼓勵(lì)他們通過實(shí)踐與探索來獲取新知識(shí)。教師能夠?qū)鹘y(tǒng)的“以授課為中心”的教學(xué)手法轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙詫W(xué)習(xí)和理解為核心”的方式，強(qiáng)調(diào)學(xué)生之間的合作與交流。依托于3D打印技術(shù)，“學(xué)習(xí)為中心”的教學(xué)模式以預(yù)期的問題或項(xiàng)目為導(dǎo)向，鼓勵(lì)學(xué)生通過團(tuán)隊(duì)協(xié)同和獨(dú)立思考來獲取知識(shí)。這種教學(xué)方式為學(xué)生提供了一個(gè)自由探索的場(chǎng)所和工具，激發(fā)了他們的好奇心和創(chuàng)新意識(shí)，進(jìn)一步增強(qiáng)了他們的團(tuán)隊(duì)合作能力。在這種教學(xué)模式下，教師既是指導(dǎo)者也是引導(dǎo)者，引領(lǐng)學(xué)生在知識(shí)的海洋中自由翱翔。

三、3D打印技術(shù)在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用案例

隨著科技的飛速發(fā)展，3D打印技術(shù)在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)正在被越來越廣泛地認(rèn)識(shí)和利用。3D打印技術(shù)不僅能夠幫助學(xué)生將抽象的科學(xué)概念具象化，還能激發(fā)他們的創(chuàng)造力和實(shí)踐能力，使科學(xué)學(xué)習(xí)變得更加生動(dòng)有趣。以下將詳細(xì)探討3D打印技術(shù)在“物質(zhì)科學(xué)領(lǐng)域”和“生命科學(xué)領(lǐng)域”教學(xué)用具開發(fā)中的具體應(yīng)用案例。

（一）“物質(zhì)科學(xué)領(lǐng)域”教學(xué)用具的開發(fā)

小學(xué)階段“物質(zhì)科學(xué)領(lǐng)域”的學(xué)習(xí)是學(xué)生建立科學(xué)基礎(chǔ)認(rèn)知的關(guān)鍵時(shí)期，涵蓋了從基本的物體認(rèn)知到復(fù)雜的物理現(xiàn)象探索等多個(gè)方面。3D打印技術(shù)的引入，為這一領(lǐng)域的教學(xué)帶來了革命性的變化。

1. “杠桿的科學(xué)”課程創(chuàng)新

在“杠桿的科學(xué)”這一經(jīng)典物理課程中，傳統(tǒng)教學(xué)方法往往依賴于靜態(tài)圖片、文字描述或簡(jiǎn)單的實(shí)物演示，難以讓學(xué)生全面理解杠桿的工作原理及其在實(shí)際生活中的應(yīng)用。而通過3D打印技術(shù)，教師可以引導(dǎo)學(xué)生分組設(shè)計(jì)并打印出各種杠桿模型，如蹺蹺板、滑輪組等。學(xué)生在設(shè)計(jì)過程中需要考慮杠桿的長(zhǎng)度、支點(diǎn)位置、力臂比例等因素，這不僅加深了他們對(duì)杠桿原理的理解，還鍛煉了他們的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和創(chuàng)新思維。完成設(shè)計(jì)后，通過實(shí)際制作和團(tuán)隊(duì)比賽，學(xué)生能在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，進(jìn)一步鞏固所學(xué)知識(shí)。

2. “動(dòng)態(tài)與摩擦”課程實(shí)踐

“動(dòng)態(tài)與摩擦”課程中，摩擦力是一個(gè)抽象且難以理解的概念。利用3D打印技術(shù)，學(xué)生可以親手制作不同材質(zhì)、不同表面粗糙度的測(cè)試塊，以及不同重量的物體，通過控制變量法，系統(tǒng)地探究摩擦力與接觸面材料、物體質(zhì)量、接觸面積等因素的關(guān)系。這種直觀的實(shí)驗(yàn)方式，讓學(xué)生能夠從實(shí)踐中總結(jié)出摩擦力的規(guī)律，比單純的理論講解更能激發(fā)學(xué)生的探索興趣和理解深度。

3. “物體分類”課程的豐富化

在“物體分類”教學(xué)中，傳統(tǒng)教學(xué)方法受限于實(shí)物樣本的獲取，往往難以覆蓋所有類別。而3D打印技術(shù)則打破了這一限制。教師可以根據(jù)教學(xué)需求，從網(wǎng)絡(luò)上獲取或自行設(shè)計(jì)各種物體的3D模型，如不同種類的巖石、化石、動(dòng)植物標(biāo)本等，然后打印出來供學(xué)生觀察、分類。這不僅極大地豐富了教學(xué)材料，還使得分類活動(dòng)更加精確、高效，幫助學(xué)生更好地掌握物質(zhì)的特性和分類標(biāo)準(zhǔn)。

（二）“生命科學(xué)領(lǐng)域”教學(xué)用具的開發(fā)

生命科學(xué)領(lǐng)域的教學(xué)內(nèi)容豐富多樣，涉及植物、動(dòng)物、昆蟲以及細(xì)胞等多個(gè)層面。3D打印技術(shù)的應(yīng)用，為學(xué)生提供了前所未有的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

1. “探索某種植物”的深度學(xué)習(xí)

在植物學(xué)教學(xué)中，學(xué)生通過3D打印技術(shù)可以獲得植物的精確復(fù)制品，包括根系、莖干、葉片乃至花朵的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。這些模型不僅可以幫助學(xué)生從微觀到宏觀全面觀察植物，還能通過拆解和重組，深入理解植物的生長(zhǎng)機(jī)制、光合作用等生理過程。此外，對(duì)于難以在自然環(huán)境中觀察到的稀有或滅絕植物，3D打印技術(shù)也能提供寶貴的模型資源，拓寬學(xué)生的知識(shí)視野。

2. “我們?nèi)绾胃惺艿铰曇簟钡穆犛X探索

在聲學(xué)教學(xué)中，理解人類聽覺系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是理解聽覺原理的基礎(chǔ)。通過3D打印技術(shù)，學(xué)生可以親手制作耳朵內(nèi)部結(jié)構(gòu)的模型，包括外耳、中耳、內(nèi)耳以及聽小骨等關(guān)鍵部分。通過觀察和觸摸這些模型，學(xué)生能夠直觀地理解聲音如何被捕捉、傳導(dǎo)并最終轉(zhuǎn)化為神經(jīng)信號(hào)的過程，從而加深對(duì)聽覺機(jī)制的理解。

3. “人體消化系統(tǒng)”的直觀教學(xué)

消化系統(tǒng)是人體生理學(xué)教學(xué)中的重要內(nèi)容，但其復(fù)雜的管道、器官結(jié)構(gòu)和功能關(guān)系僅憑文字和二維圖像難以全面展示。利用3D打印技術(shù)，教師可以制作人體消化系統(tǒng)的模型，包括胃、腸、肝臟、胰腺等關(guān)鍵器官。學(xué)生可以通過組裝這些模型，模擬食物的消化過程，直觀感受食物從口腔到排出體外的整個(gè)過程，極大地提高學(xué)習(xí)的趣味性和有效性。

四、3D打印技術(shù)在小學(xué)科學(xué)自制教學(xué)用具中的應(yīng)用建議

首先，確保3D打印器材的安全操作至關(guān)重要。在將3D打印技術(shù)應(yīng)用于小學(xué)科學(xué)教學(xué)中時(shí)，安全性應(yīng)成為首要考慮因素。建議學(xué)校設(shè)立專門的三維打印機(jī)實(shí)驗(yàn)室，并選購既適合小學(xué)生使用又具備高安全性的設(shè)備。同時(shí)，組建專業(yè)的實(shí)驗(yàn)小組負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)室的日常管理和維護(hù)。在正式啟用3D打印機(jī)前，教師和學(xué)生都應(yīng)接受全面的安全培訓(xùn)，熟練掌握相關(guān)安全操作規(guī)程，以有效降低操作過程中可能遇到的燒傷、劃傷或漏電等風(fēng)險(xiǎn)。學(xué)生應(yīng)在實(shí)驗(yàn)教師的指導(dǎo)下操作3D打印機(jī)，確保操作準(zhǔn)確無誤，嚴(yán)禁隨意更改設(shè)置或挪動(dòng)3D打印設(shè)備，以保障學(xué)生作為操作員的安全。

其次，3D打印技術(shù)的色彩豐富性和可組合性為教學(xué)用具的制作提供了無限可能。利用這一技術(shù)，教師可以制作色彩多樣、形態(tài)各異的教育資料，不僅還原物品的真實(shí)面貌，為學(xué)生提供直觀的感知，還通過讓學(xué)生觀察模型，提升學(xué)生的審美鑒賞能力。此外，3D打印技術(shù)還能輕松制造出復(fù)雜的組件，并為學(xué)生提供一種直觀的拆裝方式，幫助他們更深入地了解物品的整體結(jié)構(gòu)和各部分之間的聯(lián)系。

最后，應(yīng)積極鼓勵(lì)學(xué)生參與3D打印技術(shù)的創(chuàng)新與生產(chǎn)流程。3D打印技術(shù)在小學(xué)科學(xué)教育中的應(yīng)用不僅限于教學(xué)用具的研發(fā)，更應(yīng)貫穿于整個(gè)教學(xué)活動(dòng)之中。為了培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維、工程分析能力和藝術(shù)鑒賞力，建議采用項(xiàng)目化學(xué)習(xí)策略。通過設(shè)定真實(shí)的問題情境，引導(dǎo)學(xué)生參與小組討論、草案繪制和3D建模等環(huán)節(jié)，激發(fā)他們對(duì)3D打印技術(shù)的興趣和熱情。同時(shí)，科學(xué)教育者需要深入掌握3D模型構(gòu)建的核心原理，熟悉三維設(shè)計(jì)工具的使用方法，并為學(xué)生提供有針對(duì)性的指導(dǎo)和建議，助力他們?cè)?D打印的海洋中自由翱翔、創(chuàng)新成長(zhǎng)。

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